[发明专利]适用于矿山物联网多业务传输的动态差额加权轮询调度方法

说明书

本发明提出一种适用于矿山物联网多业务传输的动态差额加权轮询调度方法，包括：井下传感器采集的数据汇聚到网关；将传感器采集的数据按照优先级分类，并排到对应等级的调度队列中；调度服务器按时延优先级高低依次服务各个队列；服务某队列时，根据队列的差额计数器值来判断是否发送数据包；更新队列的差额计数器时不仅考虑队列的时延优先级，还考虑了网络突发流量及历史排队时延。本发明通过增加了对队列瞬时到达率及历史排队时延两个因素，使得该方法在网络出现突发流量时可以自适应地调整差额分配，并且可以有效防止低优先级队列由于分配资源较少导致的队列拥塞现象。

技术领域

本发明属于矿山物联网多类型业务调度传输领域，具体涉及根据矿山网络中不同类型业务的QoS(Quality of Service，服务质量)需求，提出了一种动态调整的差额加权轮询传输调度方法。

背景技术

煤炭是我国重要的能源，煤矿产业作为基础产业和资源生产产业，在我国有着举足轻重的地位，为国家的稳定发展贡献了巨大力量。但是，煤矿产业也是一个安全性极不稳定的行业，煤矿开采安全事故时有发生，严重制约着煤炭行业的发展，同时也威胁着矿井职工的人身安全。一方面，由于全国各地区矿井地质构造结构比较复杂，负责生产的设备种类不一；另一方面，生产作业人员专业知识不够扎实，安全意识匮乏；多方面因素导致煤矿生产存在巨大的安全隐患。因此，有必要对煤矿井下复杂的环境开展研究，探求新的信息处理理论和方法对矿井系统进行实时控制、精确管理和科学决策。

矿山物联网是互联网技术和通信网技术的延伸和应用，通过灵活布局的无线传感器网络对矿山的环境状态、设备状态及人员位置等信息进行全方位的动态控制，将矿山基础设施整合为一个有机整体，无线传感器网络的分布式感知能力可以实现对煤矿全面、透彻的感知，为煤矿安全生产、决策管理和灾害预警提供保障。随着矿山物联网中传感设备种类的增多，井下网络网关处汇聚了各种类型的业务信息，如环境监测信息、人员状态信息、语音视频通话信息等。不同的业务类型具有不同的QoS需求，由于井下网络网关带宽有限，为了满足各业务类型的QoS需求，必须使用高效合理的调度方案。因此，基于QoS需求的多类型业务调度研究对提高矿山网络传输效率、保证矿山安全生产具有重要的意义。

同时随着煤矿开采规模的扩大以及对煤矿安全生产要求的不断提高，对煤矿井下人员、设备、环境监控、视频监控、自动化、信息化等各类子系统的要求也在不断增加。因此，传输中井下接入业务也越来越多，对矿井网络传输需求呈现出多样性发展趋势，既有设备状态监测信息的高实时性、低时延的传输需求，也有人员位置、矿压环境等低时延、全覆盖的传输需求；既有环境监测的小数据传输，也有高清视频的高带宽的传输需求。网关需要对具有不同传输需求的各类型业务进行统一调度处理，因此需要设计合适的队列调度算法，是提高井下网络传输效率，增强网关数据传输性能的关键。

传统的队列调度算法主要分为基于时间戳的调度算法和基于轮询的调度算法两大类。典型的有WFQ(Weighted Fair Queuing，加权公平排队算法)[参考文件1]和WRR(Weighted Round Robin，加权循环调度算法)[参考文件2]。差额加权轮询算法(DWRR)[参考文件3]在WRR的基础上作了改进，克服了WRR在分组长度变化的情况下无法精确分配带宽的问题，同时降低了计算复杂度，更适应于硬件实现，克服了WFQ的不足。尽管以上的算法提高了面对多类型业务流时的表现，然而这些算法都主要关注调度时刻的队列时延，并没有对队列的数据到达速率以及队列历史排队时延进行考量，因此无法在网络遇到突发流量或队列历史排队时延过大时保证良好的公平性。

参考文献1：Lu,Feng,Geoffrey M.Voelker,and Alex C.Snoeren.Weightedfair queuing with differential dropping.INFOCOM,2012Proceedings IEEE.IEEE,2012.