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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410709079.5 (22)申请日 2014.11.27 H04W 28/10(2009.01) (71)申请人 重庆邮电大学 地址 400065 重庆市南岸区黄桷垭崇文路 2 号 (72)发明人 王恒 王平 肖开 夏枢洋 代蜀梅 (74)专利代理机构 重庆市恒信知识产权代理有 限公司 50102 代理人 刘小红 (54) 发明名称 一种流量自适应的工业无线 WIA-PA 网络成 簇方法 (57) 摘要 本发明请求保护一种流量自适应的工业无线 WIA-PA 网络成簇方法。该方法利用系统管理器对 现场设备通信范围内有效簇首的数据流。
2、量进行统 计，筛选获得单位时间内周期性数据流量最小的 簇首，并指定给现场设备，实现现场设备的自动入 网成簇过程 ；通过对 WIA-PA 标准规定的入网过程 中帧格式的改进，现场设备可将成簇算法运行所 需簇首信息传递给系统管理器，并由系统管理器 将算法执行结果告知给现场设备、代理簇首和被 指定簇首。本发明解决了在自动入网过程中，部分 簇首下节点过于集中的问题，有效延长工业无线 WIA-PA 网络中簇首节点的生存周期，提高网络的 整体传输性能。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图4页 (10)申请公布号 CN 104。
3、469854 A (43)申请公布日 2015.03.25 CN 104469854 A 1/2 页 2 1.一种流量自适应的工业无线 WIA-PA 网络成簇方法，其特征在于 ：包括以下步骤 ： 101、待入网设备在网络发现阶段，扫描信道并捕获其通信范围内的在网簇首发出的信 标帧，并将所述链路质量 N1 的信标帧对应的不同簇首的地址信息生成为簇首统计列表 ； 102、待入网设备在步骤 101 获得的簇首统计列表中随机选择一个簇首作为该设备入 网阶段的代理簇首 ； 103、待入网设备向步骤 102 选择的代理簇首发送改进的连接请求命令，连接请求命令 包括扫描获得的簇首统计信息 ；代理簇首收到连接。
4、请求命令后，代理簇首根据连接请求命 令的信息构造改进的入网请求并发送给系统管理器 ； 104、系统管理器根据改进的入网请求中的簇首统计信息查找各个簇首的超帧调度信 息，根据簇首已有的超帧调度信息，计算获得网内周期性数据流量最小的簇首节点 ； 105、系统管理器判断步骤 104 计算获得的最小的簇首是否是该入网设备的代理簇首， 如果是，则系统管理器返回改进型加入响应给代理簇首，响应帧载荷的指定簇首短地址域 为代理簇首短地址，跳至步骤 106 ；否则，由系统管理器指定该计算获得的周期性数据流量 最小的簇首作为入网设备的最终簇首，先将待入网设备的设备信息作为簇成员指定命令帧 载荷的一部分发送给该指定。
5、簇首，指定簇首收到系统管理器发送的包含待入网设备的设备 信息的簇成员指定命令后，则将载荷中的待入网设备的设备信息加入自己的簇成员列表 中 ；再将指定簇首短地址作为改进型加入响应命令帧载荷的一部分，返回给代理簇首，代理 簇首收到系统管理器发送的包含指定簇首短地址的改进型加入响应，则构造改进型连接响 应发送给待入网设备，连接响应帧的载荷中包含指定簇首的地址信息，发送完成后即完成 此次代理入网职能，并解除与待入网设备的代理关系，跳转至步骤 107 ； 106、代理簇首收到改进型加入响应，且指定簇首为代理簇首，则该代理簇首成为入网 设备的最终簇首，构造改进型连接响应按照 WIA-PA 标准规定的传输过。
6、程返回给待入网设 备，待入网设备成为代理簇首的簇成员，完成入网过程 ； 107、待入网设备收到代理簇首的改进型连接响应，将指定簇首作为自己的最终簇首， 成为该簇首的簇成员节点，完成该设备的入网过程。 2.根据权利要求 1 所述的流量自适应的工业无线 WIA-PA 网络成簇方法，其特征在于， 步骤 104 中调度信息的簇首的周期性数据流量的具体表示如下 ： 201、将簇首周期性数据流量表示为单位时间内簇首节点在信标帧阶段、簇内通信阶段 和簇间通信阶段发送和接收的数据量的总和 ： QQ 信标 +Q 内 +Q 间 (1) 其中，Q 表示簇首网内各阶段周期性数据流量的总和，单位为位 / 秒 (bps)。
7、 ；Q 信标 、Q 内 和 Q 间 分别表示该簇首在网内信标阶段、簇内阶段和簇间阶段的周期性数据流量，单位为位 / 秒 (bps) ； 202、该簇首在信标帧阶段数据流量 ： 其中 ,T 信标 表示信标帧的发送周期，单位秒 (s)，k 信标 表示周期时间 T 信标 内簇首发送的 信标帧所包含的数据量，单位为位 (bit)。 权 利 要 求 书CN 104469854 A 2/2 页 3 203、簇内阶段周期性数据流量 ： 其中，T 簇内 表示簇内成员节点周期性数据帧的发送周期，单位秒(s)，k 簇内 表示周期时间 T 簇内 内所有簇成员节点发送的周期性数据所包含的数据量，单位为位 (bit)。。
8、 在簇内通信阶段，簇内的所有簇成员节点会周期性地向簇首汇报采集到的工业现场数 据， 204、簇间阶段周期性数据流量 ： 其 中 ，T 簇间 表示与该被计算簇首通信的网内其他簇首周期性数据的发送周期，单位秒 (s)，k 簇间 表示 T 簇间 时间内与被计算簇首通信的网内其他簇首周期性数据所包含的数据量， 单位为位 (bit)。 3.根据权利要求 1 所述的流量自适应的工业无线 WIA-PA 网络成簇方法，其特征在于， 步骤 103 中改进的连接请求命令在 IEEE802.15.4 标准的基础上，对原 MAC 层连接请求进行 改进，改进后的MAC层连接请求命令帧载荷中添加了有效簇首短地址集合域 ；。
9、步骤103中改 进后的入网请求命令帧在 WIA-PA 标准的基础上进行改进，改进后的网络层加入请求命令 帧载荷中添加有效簇首段地址集合域。 4.根据权利要求 3 所述的流量自适应的工业无线 WIA-PA 网络成簇方法，其特征在于， 在WIA-PA标准的基础上，根据WIA-PA网络层命令帧通用格式创建簇成员指定命令，网络层 命令包载荷包含指定簇首短地址，待加入设备的物理地址和短地址，待加入设备的设备信 息。 5.根据权利要求 1 所述的流量自适应的工业无线 WIA-PA 网络成簇方法，其特征在于， 步骤105中的改进后的网络层加入响应命令帧在WIA-PA标准的基础上，对系统管理器在网 络层构造的。
10、加入响应进行改进，在网络层加入响应命令帧载荷中添加指定簇首短地址域 代理簇首在网络层解析加入响应时根据指定簇首是否是代理簇首以决定是否需要结束与 待入网设备的代理关系 ；在IEEE802.15.4标准的基础上，对原MAC层连接响应进行改进，代 理簇首收到系统管理器发来的网络层加入响应，需要在 MAC 层构造连接响应返回给待入网 设备，如果收到网络层改进型加入响应则相应要在MAC层构造改进型MAC层连接响应，改进 后的 MAC 层连接响应命令帧将网络管理器的指定簇首返回给待入网设备，待入网设备与代 理簇首结束代理关系，成为指定簇首的簇成员，完成入网过程。 权 利 要 求 书CN 10446985。
11、4 A 1/5 页 4 一种流量自适应的工业无线 WIA-PA 网络成簇方法 技术领域 0001 本发明属于工业无线网络通信技术领域，具体涉及一种流量自适应的工业无线 WIA-PA 网络成簇方法。 背景技术 0002 工业无线三大标准之一 WIA-PA，是基于 IEEE 802.15.4 标准的用于工业过程测 量、监视与控制的无线网络通信系统，是对现有工业无线通信技术在工业现场应用方向上 的功能扩展，将引领工业无线自动化系统向着低成本、高可靠与高灵活的方向发展。随着工 业无线通信技术的发展，工业无线网络通信技术逐渐被应用到工业现场，解决了工业现场 布线困难、安装成本高以及工作人员维护任务难等问。
12、题。我国拥有自主知识产权的 WIA-PA 技术成为国际标准，是对改变我国工业自动化产业发展模式的有益探索和尝试，为我国在 工业化与信息化的融合工作中提供了一种新的高端技术解决方案，标志着我国在工业无线 通信领域已经跻身世界前列。 0003 现有的工业无线 WIA-PA 网络在部署组网过程中，一般采用两种方式 ：一是手动指 定方式，二是自动形成方式。手动指定方式简单方便，但缺乏灵活性，在现场环境进行组网 部署时缺乏自适应性，也不适合大规模网络。自动形成方式是目前的主流方式，但这种方式 下的工业无线 WIA-PA 网络在实际组网部署时，簇首的选择一般通过 RSSI 或 LQI 等链路质 量信息来进。
13、行决策。在实际应用中发现，工业无线 WIA-PA 网络若仅依靠 RSSI 或 LQI 等链 路质量信息进行组网，容易造成网络中簇成员节点集中于某些链路质量最好的簇首，进而 导致网络内各簇首间传输的数据流量不均匀，降低了网络整体的数据吞吐量，影响 WIA-PA 网络的传输性能。 发明内容 0004 针对上述 WIA-PA 网络实际部署过程中导致的簇首流量分布不均匀的问题，本发 明的目的在于创新性的提出了一种流量自适应的工业无线 WIA-PA 网络成簇方法，该方法 在通信范围内有多个满足链路质量基本要求的簇首节点存在的前提下，系统管理器依据优 化策略为待入网设备指定周期性数据流量最小的簇首，实现对。
14、 WIA-PA 网络内各簇首流量 分布的调节和控制，解决部分簇首下节点过于集中的问题，提高了网络的整体传输性能。本 发明的技术方案如下 ： 0005 一种流量自适应的工业无线 WIA-PA 网络成簇方法，其包括以下步骤 ： 0006 101、待入网设备在网络发现阶段，扫描信道并捕获其通信范围内的在网簇首发出 的信标帧，将所述链路质量 N1 的信标帧对应的不同簇首的地址信息生成为簇首统计列 表； 0007 102、待入网设备在步骤 101 获得的簇首统计列表中随机选择一个簇首作为该设 备入网阶段的代理簇首 ； 0008 103、待入网设备向步骤 102 选择的代理簇首发送改进的连接请求命令，连接。
15、请求 说 明 书CN 104469854 A 2/5 页 5 命令包括扫描获得的簇首统计信息 ；代理簇首收到连接请求命令后，代理簇首根据连接请 求命令的信息构造改进的入网请求并发送给系统管理器 ； 0009 104、系统管理器根据改进的入网请求中的簇首统计信息查找各个簇首的超帧调 度信息，根据簇首已有的超帧调度信息，计算获得网内周期性数据流量最小的簇首节点 ； 0010 105、系统管理器判断步骤 104 计算获得的最小的簇首是否是该入网设备的代理 簇首，如果是，则系统管理器返回改进型加入响应给代理簇首，响应帧载荷的指定簇首短地 址域为代理簇首短地址，跳至步骤 106 ；否则，由系统管理器指定。
16、该计算获得的周期性数据 流量最小的簇首作为入网设备的最终簇首，先将待入网设备的设备信息作为簇成员指定命 令帧载荷的一部分发送给该指定簇首，指定簇首收到系统管理器发送的包含待入网设备的 设备信息的簇成员指定命令后，则将载荷中的待入网设备的设备信息加入自己的簇成员列 表中 ；再将指定簇首短地址作为改进型加入响应命令帧载荷的一部分，返回给代理簇首，代 理簇首收到系统管理器发送的包含指定簇首短地址的改进型加入响应，则构造改进型连接 响应发送给待入网设备，连接响应帧的载荷中包含指定簇首的地址信息，发送完成后即完 成此次代理入网职能，并解除与待入网设备的代理关系，跳转至步骤 107 ； 0011 106、。
17、代理簇首收到改进型加入响应，且指定簇首为代理簇首，则该代理簇首成为 入网设备的最终簇首，构造改进型连接响应按照 WIA-PA 标准规定的传输过程返回给待入 网设备，待入网设备成为代理簇首的簇成员，完成入网过程 ； 0012 107、待入网设备收到代理簇首的改进型连接响应，将指定簇首作为自己的最终簇 首，成为该簇首的簇成员节点，完成该设备的入网过程。 0013 进一步的，步骤 104 中调度信息的簇首的周期性数据流量的具体表示如下 ： 0014 201、将簇首周期性数据流量表示为单位时间内簇首节点在信标帧阶段、簇内通信 阶段和簇间通信阶段发送和接收的数据量的总和 ： 0015 QQ 信标 +Q 。
18、内 +Q 间 (1) 0016 其中，Q 表示簇首网内各阶段周期性数据流量的总和，单位为位 / 秒 (bps) ；Q 信标 、 Q 内 和Q 间 分别表示该簇首在网内信标阶段、簇内阶段和簇间阶段的周期性数据流量，单位为 位 / 秒 (bps) ； 0017 202、该簇首在信标帧阶段数据流量 ： 0018 0019 其中 ,T 信标 表示信标帧的发送周期，单位秒 (s)，k 信标 表示周期时间 T 信标 内簇首发 送的信标帧所包含的数据量，单位为位 (bit)。 0020 203、簇内阶段周期性数据流量 ： 0021 0022 其中，T 簇内 表示簇内成员节点周期性数据帧的发送周期，单位秒(s。
19、)，k 簇内 表示周期 时间 T 簇内 内所有簇成员节点发送的周期性数据所包含的数据量，单位为位 (bit)。 0023 在簇内通信阶段，簇内的所有簇成员节点会周期性地向簇首汇报采集到的工业现 说 明 书CN 104469854 A 3/5 页 6 场数据， 0024 204、簇间阶段周期性数据流量 ： 0025 0026 其中，T 簇间 表示与该被计算簇首通信的网内其他簇首周期性数据的发送周期，单位 秒 (s)，k 簇间 表示 T 簇间 时间内与被计算簇首通信的网内其他簇首周期性数据所包含的数据 量，单位为位 (bit)。 0027 进一步的，步骤 103 中改进的连接请求命令在 IEEE8。
20、02.15.4 标准的基础上，对原 MAC 层连接请求进行改进，改进后的 MAC 层连接请求命令帧载荷中添加了有效簇首短地址 集合域 ；步骤 103 中改进后的入网请求命令帧在 WIA-PA 标准的基础上进行改进，改进后的 网络层加入请求命令帧载荷中添加有效簇首段地址集合域。 0028 进一步的，在WIA-PA标准的基础上，根据WIA-PA网络层命令帧通用格式创建簇成 员指定命令，网络层命令包载荷包含指定簇首短地址，待加入设备的物理地址和短地址，待 加入设备的设备信息。 0029 进一步的，步骤 105 中的改进后的网络层加入响应命令帧在 WIA-PA 标准的基础 上，对系统管理器在网络层构造。
21、的加入响应进行改进，在网络层加入响应命令帧载荷中添 加指定簇首短地址域，代理簇首在网络层解析加入响应时根据指定簇首是否是代理簇首以 决定是否需要结束与待入网设备的代理关系 ；在 IEEE802.15.4 标准的基础上，对原 MAC 层 连接响应进行改进，代理簇首收到系统管理器发来的网络层加入响应，需要在 MAC 层构造 连接响应返回给待入网设备，如果收到网络层改进型加入响应则相应要在 MAC 层构造改进 型 MAC 层连接响应，改进后的 MAC 层连接响应命令帧将网络管理器的指定簇首返回给待入 网设备，待入网设备与代理簇首结束代理关系，成为指定簇首的簇成员，完成入网过程。 0030 本发明的优。
22、点及有益效果如下 ： 0031 本发明在现场设备的入网阶段，网络管理器依据优化策略为现场设备分配单位时 间内周期性数据流量最小的簇首，实现现场设备的入网过程，该方法通过对 WIA-PA 网络内 各簇首流量分布进行自适应地调节和控制，保证簇首间的流量均匀分布，解决了工程方案 中仅通过链路质量判断入网造成的部分链路质量好的簇首流量过于集中的问题，保证网内 簇首间流量分布均匀，延长了网络中簇首 附图说明 0032 图 1 是按照本发明优选实施例工业无线 WIA-PA 网络现场设备入网流程图 ； 0033 图 2 改进型 MAC 层连接请求 ； 0034 图 3 改进型网络层加入请求 ； 0035 图。
23、 4 新型网络层簇成员指定命令 ； 0036 图 5 改进型网络层加入响应 ； 0037 图 6 改进型 MAC 层连接响应 ； 0038 图 7WIA-PA 网络拓扑中入网过程帧交互流程图 ； 0039 图 8 现场设备入网过程中代理簇首为最佳簇首时的时序图 ； 说 明 书CN 104469854 A 4/5 页 7 0040 图 9 现场设备入网过程中其他簇首为最佳簇首时的时序图。 具体实施方式 0041 下面结合附图给出一个非限定的实施例对本发明作进一步的阐述。但是应该理 解，这些描述只是示例的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知 结构和技术的描述，以避免不必要地。
24、混淆本发明的概念。 0042 如图 1 为工业无线 WIA-PA 网络现场设备入网流程图 ；图 2- 图 5 所示为 103-109 步骤中改进型连接请求、改进型加入请求，改进型加入响应，改进型连接响应和新设计的簇 成员指定命令的帧格式修改如下 ： 0043 301、在IEEE802.15.4标准的基础上，对原MAC层连接请求进行改进，改进后的MAC 层连接请求命令帧格式如图2所示，在MAC层连接请求命令帧载荷中添加“有效簇首短地址 集合”域，将待入网设备在网络发现阶段收集到的有效簇首短地址供系统管理器进行簇首 选择决策。 0044 302、在 WIA-PA 标准的基础上，对代理簇首在网络层构。
25、造的加入请求进行改进，改 进后的网络层加入请求命令帧格式如图 3 所示，在网络层加入请求命令帧载荷中添加“有 效簇首段地址集合”域，将待入网设备MAC层发出的改进型连接请求中的有效簇首短地址通 过该域发送至网络管理者进行簇首选择决策。 0045 303、在 WIA-PA 标准的基础上，根据 WIA-PA 网络层命令帧通用格式创建簇成员指 定命令，网络层命令包载荷包含指定簇首短地址，待加入设备的物理地址和短地址，待加入 设备的设备信息，具体帧格式如图 4 所示。该命令由系统管理器使用，系统管理器在计算获 得的指定簇首为与入网代理簇首不一致时，向指定簇首发送该命令，告知指定簇首系统管 理器对待入网。
26、设备的簇成员指定结果。 0046 304、在 WIA-PA 标准的基础上，对系统管理器在网络层构造的加入响应进行改进， 改进后的网络层加入响应命令帧格式如图 5 所示，在网络层加入响应命令帧载荷中添加 “指定簇首短地址”域，代理簇首可在网络层解析加入响应时根据指定簇首是否是代理簇首 以决定是否需要结束与待入网设备的代理关系 ； 0047 305、在 IEEE802.15.4 标准的基础上，对原 MAC 层连接响应进行改进，代理簇首收 到系统管理器发来的网络层加入响应，需要在 MAC 层构造连接响应返回给待入网设备，如 果收到网络层改进型加入响应则相应要在MAC层构造改进型MAC层连接响应，改进。
27、后的MAC 层连接响应命令帧格式如图 6 所示，将网络管理器的指定簇首返回给待入网设备，待入网 设备与代理簇首结束代理关系，成为指定簇首的簇成员，完成入网过程。 0048 其具体实现过程如下 ： 0049 工业无线 WIA-PA 网络现场设备入网流程如图 1 所示，结合图 7 的 WIA-PA 网络拓 扑中的帧交互流程图和图 8、图 9 的入网流程时序图进行详细描述。 0050 Step1 ：如图 7-1 所示，待入网设备在网络发现阶段持续监听信道列表中的可用信 道，捕获其通信范围内的所有在网簇首发出的信标帧，并获取各信标帧对应的链路质量信 息 RSSI 值，将 RSSI 值 85( 考虑到不。
28、同射频芯片的 RSSI 值上下限存在区别，该值可作为 使用 CC2530 射频芯片时可接受的 RSSI 阈值 ) 的信标帧所对应的不同簇首的地址信息进行 统计。 说 明 书CN 104469854 A 5/5 页 8 0051 Step2 ：待入网设备在 Step1 获得的簇首统计列表中随机选择一个簇首作为该设 备入网阶段的代理簇首，先根据代理簇首发出的信标帧进行时间校正，实现与全网的时间 同步。 0052 Step3 ：如图 7-2 所示，待入网设备将 Step1 获得的簇首统计信息作为改进型连接 请求命令帧载荷的一部分发送至代理簇首，代理簇首根据改进型连接请求构造改进型加入 请求并经网内路。
29、由转发传输至系统管理器。 0053 Step4 ：系统管理器根据改进型加入请求命令帧载荷中的簇首统计信息查找各个 簇首的超帧调度信息，根据系统管理器中簇首已有的超帧调度信息，计算各簇首的网内周 期性数据流量，并通过比较获得网内周期性数据流量最小的簇首节点。 0054 Step5 ：系统管理器判断 Step4 计算获得的簇首是否是该入网设备的代理簇首，如 果是，则如图 7-3 所示返回改进型加入响应给代理簇首，改进型加入响应中“指定簇首域” 为代理簇首短地址，跳至 Step6 ；否则，如图 7-5 所示，由系统管理器指定该计算获得的最佳 簇首为入网设备的最终簇首，首先由系统管理器构造簇成员指定命。
30、令发送给指定簇首告 知指定簇首系统管理器对待入网设备的分配结果，指定簇首的执行过程见 Step7 ；然后还 需要将指定簇首短地址作为改进型加入响应命令帧载荷的一部分返回给代理簇首，代理簇 首的执行过程见 Step8。 0055 Step6 ：如图 7-3 所示，代理簇首节点收到改进型加入响应，则该代理簇首成为入 网设备的最终簇首，并构造连接响应返回给待入网设备，待入网设备成为代理簇首的簇成 员，如图 7-4 所示，完成入网过程 ； 0056 Step7 ：指定簇首收到系统管理器发送的包含待入网设备的设备信息的簇成员指 定命令，则将命令中的待入网设备的设备信息加入自己的簇成员列表，完成待入网设备。
31、与 指定簇首的关联 ； 0057 Step8 ：代理簇首节点收到系统管理器发送的包含指定簇首短地址的改进型加入 响应，则构造改进型连接响应发送给待入网设备，连接响应的载荷中包含指定簇首的地址 信息，代理簇首发送连接响应后完成代理入网职能，解除与待入网设备的代理关系，待入网 设备的执行过程见 Step9 ； 0058 Step9 ：如图 7-5 所示，待入网设备收到代理簇首的改进型连接响应，将指定簇首 作为自己的最终簇首，成为该簇首的簇成员节点，如图 7-6 所示，完成该设备的入网过程。 0059 以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在 阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变 化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。 说 明 书CN 104469854 A 1/4 页 9 图1 图2 说 明 书 附 图CN 104469854 A 2/4 页 10 图3 图4 图5 图6 说 明 书 附 图CN 104469854 A 3/4 页 11 图7 说 明 书 附 图CN 104469854 A 4/4 页 12 图8 图9 说 明 书 附 图CN 104469854 A 。