[发明专利]一种支持传输时延优化的工业无线网络确定性调度方法

权利要求书

1.一种支持传输时延优化的工业无线网络确定性调度方法，其特征在于：该方法为：首先获取待调度网络的参数，包括数据流的数量N及具体传输路径，每条数据流的周期时间和相对截止时间，以及网络中可用的信道个数M，网络的超帧周期T，然后根据网络规模的大小，执行不同的算法，小规模网络使用基于链路冲突分类的分支限界算法，而大规模的网络使用基于最大并行传输的启发式调度算法，以期达到在调度解获取成功率和执行时间之间的折中选择；

所述基于链路冲突分类的分支限界算法包括两个剪枝条件：和在第一个剪枝条件中，D_i,j表示当前数据流i产生的第j个报文的绝对截止时隙，t表示当前正在调度的时隙，表示数据流i第j个报文沿着传输路径上剩余未调度的链路个数，第一个剪枝条件表示待调度数据流满足时间裕度和剩余链路个数的限制；在第二个剪枝条件中，τ_i,j表示链路，表示在当前时隙待调度数据流i的剩余所有未调度的链路，conf(τ_i,j)表示链路τ_i,j的生命窗口松散度，计算方式为：|τ_i,j的生命窗口|-max(与τ_i,j冲突的链路个数，ceil(生命窗口包含于τ_i,j的生命窗口内的其他链路个数/信道总个数))，其中ceil()是向上取整函数，|τ_i,j的生命窗口|的起始时间为τ_i,j的调度的最早时隙，终止时间为τ_i,j最晚被调度的时隙，条件二表示调度满足时间裕度与链路冲突和信道竞争的限制条件；基于链路冲突分类的分支限界算法的具体步骤如下：

1)获取待调度网络的参数，包括数据流的数量N及具体传输路径，每条数据流的周期时间和相对截止时间，以及网络中可用的信道个数M，网络的超帧周期T；

2)初始化一个空结点作为解空间树的初始父节点，并初始化当前时隙t＝1；

3)判断当前时隙t是否小于超帧周期T，若tT，表示网络已经不可能在超帧周期内完成调度，返回网络不可调度信息，结束算法；若t≤T，且网络中不存在未调度的链路，表示当前调度算法已经获得一条调度解，则返回网络的调度解信息，结束运行；若t≤T，并且网络中仍然存在未调度的链路，表示网络处于正在调度的过程中，则进入步骤4)；

4)对当前时隙t处于释放态的链路按照链路冲突进行分类，其中释放态链路指的是数据报文已经存储在链路的发送节点中，若在当前时隙t调度该链路，该链路进行传输动作；在对链路进行冲突分类时，所有相互冲突的释放态链路组成一个冲突类，每个释放态链路只能属于一个冲突类，而每个冲突类至少包含一个链路；然后对每个冲突类内的每条链路所属数据流都按照表达式计算优先级，表达式的值越小，表示优先级越高，按照该优先级对冲突类的所有释放态链路排序，最后对所有冲突类进行优先级排序，排序方法为按照每个冲突类内所有链路的优先级求平均值，平均值小的优先级高；统计当前时隙链路冲突类个数，记为num；

5)若信道个数Mnum，则总共有种组合，其中k∈{num,…,1}，每个组合中包含k个冲突类，在每个冲突类中依次选取优先级高的链路，若这些链路互不冲突，则称为一个有效调度子集，如果该有效调度子集满足所述的两个剪枝条件，表示在当前时隙的不同信道进行调度，则安排链路S[t][m]＝n，其中m∈{1,…,M}，表示信道的偏移，n∈{1,…,N}，表示链路所属数据流的编号；若链路存在冲突，则从优先级最小的冲突类内，选择另一条优先级次小的链路，若优先级最小的冲突类已经是最后一条链路，则从次小的类中选择一条次小的优先级，同时最小的类从优先级最高的链路开始选择，以此类推，对当前组合的k个冲突类进行全遍历，如果当前组合内没有找到多余的有效调度子集或者不满足剪枝条件，则在种另外的组合中继续遍历，直到找到满足条件的有效调度子集，否则进入步骤6)进行回溯；若信道个数M≤num，则总共有种组合，其中k∈{M,…,1}，调度过程和Mnum时一样；

6)当时隙t遍历了种组合后仍然没有找到满足剪枝条件的链路，则开始进行回溯；回溯时，令t＝t-1，重置原先在当前时隙安排的所有链路，即然后继续从回溯后的组合中遍历其余的有效调度子集，若不存在，则在剩余组合中继续遍历可行解，当找到一个满足剪枝条件的有效调度子集，则重新设置新的S[t][m]＝n，然后令t＝t+1，进入步骤3)；如果在解空间树中回溯一次后仍然没有找到满足剪枝条件的有效调度子集，则继续执行t＝t-1，然后继续进入步骤6)中回溯。

2.根据权利要求1所述的一种支持传输时延优化的工业无线网络确定性调度方法，其特征在于：所述基于最大并行传输的启发式调度算法，在每个时隙t都对处于释放态的每一条链路计算与之冲突的释放态链路个数，并计算每条链路的时间松散度，每条链路的时间松散度计算方式为D_i,j表示当前数据流i产生的第j个报文的绝对截止时隙，t表示当前正在调度的时隙，表示数据流i第j个报文沿着传输路径上剩余未调度的链路个数，时间松散度为0表示当前链路必须要在当前时隙进行调度，以及该链路所属数据流的后续未调度链路都要依次在后续时隙上立即调度，若存在松散度小于0的链路，则表示数据流已经超过绝对截止时隙的限制，即网络不可调度，结束算法运行；在链路调度时，首先调度松散度为0的链路，然后调度链路冲突个数最小的链路，具体的步骤如下：

1)获取待调度网络的参数，包括数据流的数量N及具体传输路径，每条数据流的周期时间和相对截止时间，以及网络中可用的信道个数M，网络的超帧周期T，初始化当前时隙t＝1；

2)判断当前时隙t是否小于超帧周期T，若tT，表示网络已经不可能在超帧周期内完成调度，返回网络不可调度信息，结束算法；若t≤T，且网络中不存在未调度的链路，表示当前调度算法已经获得一条调度解，则返回网络的调度解信息，结束运行；若t≤T，并且网络中仍然存在未调度的链路，表示网络处于正在调度的过程中，则进入步骤3)；

3)对于在当前时隙t处于释放态的所有链路，分别计算与之冲突的释放态链路个数，以及根据计算时间松散度，如果存在任意一条链路的松散度小于0，则直接返回网络不可调度信息，结束算法；

4)首先统计松散度为0的链路个数，表示为laxity0，若laxity0M，表示当前信道个数不足以容纳laxity0个松散度为0的链路，而松散度为0的链路必须在当前时隙调度，返回网络不可调度信息；若laxity0≤M，但是laxity0个链路中存在相互冲突的链路，则表示冲突的链路中至少有一条不能在当前时隙调度，返回不可调度信息；若不是以上两种情况，则在当前时隙t优先安排以上laxity0个链路，设置S[t][m]＝n，其中m∈{1,…,M}，表示信道的偏移，n∈{1,…,N}，表示链路所属数据流的编号；

5)如果M-laxity0＝0，表示网络可用信道已经全部安排给松散度为0的链路，令t＝t+1，返回到步骤2)；否则，表示当前存在M-laxity0个可用信道，此时优先调度冲突个数少的链路，若存在冲突个数大小一样的链路且可用信道少于这些链路个数，则从中选择那些具有较小时间松散度的链路，若最小松散度仍然不能选择，则比较所属数据流的绝对截止时间，绝对截止时间越小，优先及越大，若此时仍然不能选择，则按照链路所属数据流的序号进行选择，设置S[t][m]＝n，然后令t＝t+1，返回到步骤2)继续执行调度。