工业无线通信网络中一种冗余路径的设计方法

摘要

本发明涉及一种工业无线通信网络中建立冗余路径的方法，在工业无线通信中，连接骨干路由设备和现场设备的网络通常采用树型拓扑，若某个路由设备发生故障或者与之通信的链路受到干扰，则其下层的所有设备都无法传输数据，失去效用。解决方案是：网络中的每个现场设备在入网同时配置备用父设备。网络正常时所有设备采用树型路由进行通信，而当某个路由设备发生故障或通信链路受到干扰时，该设备的下一层设备自动建立冗余路径进行上行和下行数据传输，保证整个网络通信的可靠性。同时当路由设备恢复或者干扰消失后，下一层设备会自行取消冗余路径，回复到正常通信状态，整个网络具有良好的冗余自愈能力。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术，具体是一种工业无线通信网络中冗余路径的设计方法。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，各种新技术逐渐被应用到工业现场，无线通信技术的引入解决了工业现场布线困难、安装维护成本高等问题，但现有的无线通信网络无法适应复杂的工业现场环境。对无线通信技术中冗余机制的研究现在大都集中在数据冗余方面，而ISA-SP100和无线HART作为国际工业无线通信领域内两种主要标准，在它们所发布的规范中重点研究的都是具备相关冗余功能的Mesh拓扑结构，并没有涉及到树型网络里的通信冗余问题。例如在文献【WirelessHART Communication Standard，HART 7.0Specifications，TheCommunication Foundation(HCF)，September 7，2007】HART通信基金会所发布的无线HART最新规范中，网关对所有设备实施集中式管理，而系统管理器使用Mesh机制统一为每个现场设备配置至少两条和网关进行通信的路径，实现冗余功能。但是这种全Mesh拓扑结构的系统管理和安全管理十分复杂，Mesh全网的通信调度更是难题，因此尚处于标准阶段，并未真正应用。

在工业应用中，考虑到要在管理方便的基础上实现通信调度等具体问题，因此骨干网和工作在各个现场环境中的通信子网通常采用两层网络拓扑结构。由网关和骨干路由设备所形成的骨干网络采用Mesh拓扑，通过Mesh机制来实现通信路径的冗余，保证数据传输的及时可靠性。而之前在工业现场环境中使用的第二层通信子网是由骨干路由设备和终端设备组成的星型网，特点是管理方便，骨干路由只需管理终端设备的加入与断开，不需考虑子网内通信路径的冗余问题。但是这种星型结构的网络扩展性不强，无法满足日益复杂的现场环境的需求，因此在现阶段的工业应用中通常采用Mesh+Tree的两层网络拓扑结构。

由一个骨干路由设备和若干工作在现场环境的具有采集功能的终端设备及路由设备组成第二层树型拓扑的通信子网，组网灵活方便，并能够通过增加深度来扩展网络。但是无线通信技术中的树型网络只是对作为网络核心的骨干路由配置了冗余设备，却一直没有实现通信冗余的功能，无法为网络中工作的现场设备提供冗余路径，使得网络的抗干扰能力差，不能保证通信的可靠性。并且由于工业无线网络经常会应用于环境较为恶劣的场所，特别是作为终端的采集设备，通常工作在人员长时期不去的地方，因此树型网络中如果某个现场路由设备受到干扰或者发生故障，则其下层的所有子设备都无法收发数据，影响工业生产。本发明就是在此背景下提出的，主要是通过在现场设备层设置冗余路径来解决树型工业无线网络的通信可靠性问题。

发明内容

本发明针对应用在工业现场环境中的树型网络抗干扰能力差，无法保证通信可靠性的问题，提出了一种为网络中现场设备提供冗余路径的方法，能够提高网络的抗干扰能力，从而保证通信可靠性。

本发明所采用的技术方案是：设计了一种工业无线通信树型网络中冗余路径的实现方法，该方法包括如下步骤：

(1)网络中每个现场设备(包括现场路由设备和现场终端设备)入网时在Mac层管理信息库中选择链路质量指示LQI值最大的路由设备作为父设备，选择LQI值次之的路由设备作为备用父设备；

(2)在现场设备的网络层信息库中设置通信失败次数阈值，若现场设备向其父设备连续发送数据失败的次数达到通信失败次数阈值，则该现场设备自动向备用父设备发送包含自身地址和深度信息的冗余路径建立帧，并设置特定标识位Sign的值；

(3)备用父设备在收到冗余路径建立帧后，通过解析帧结构更新自身网络层信息库中备用表项StandbyTbl的内容，然后复制建立帧的载荷并以自身为源地址向父路由设备发送冗余路径建立帧；

(4)每个收到冗余路径建立帧的路由设备在更新完自身的StandbyTbl表项后，将建立帧转发给自己上一层的父路由设备，这样建立帧就逐层上传至骨干路由设备，建立起从现场设备到骨干路由的冗余路径。

所述StandbyTbl表项的内容包括：冗余路径建立帧载荷中无法和父设备进行通信的现场设备的地址和深度信息，使用冗余路径向下发送信息时所用的下一跳地址参数。所述特定标识位Sign定义为两个字节，标识现场设备所处的通信状态，低字节为1表示现场设备的父设备正常工作，为0表示现场设备无法与父设备进行通信，而现场设备发送冗余路径建立帧后将高字节置为1，发送冗余路径取消帧后将高字节置为0。

一旦冗余路径建立后，现场设备不仅能够通过备用父设备向上层发送采集到的数据，骨干路由设备也可以通过冗余路径向现场设备传送管理信息。而当现场设备侦测到与父设备的通信恢复后，会自行向备用父设备发送冗余路径取消帧，取消整条冗余路径，使网络回复到正常的通信状态。本发明中的冗余功能是现场设备在需要时通过网络层命令帧自行实现的，不同于Mesh拓扑中由系统管理统一为设备配置好需要时刻维护的冗余路径的实现方式。

通过本发明，可以在保证通信实时性的情况下使工业无线网络中现场设备层的通信路径具备冗余自愈的功能，增强了整个网络的通信可靠性。

附图说明

图1本发明的基本原理示意图

图2拥有冗余路径的树型网络拓扑结构示意图

图3本发明现场设备向上层设备发送数据的流程图

图4本发明骨干路由设备向下层设备发送信息的流程图

图5本发明中建立及使用冗余路径的网络示意图

具体实施方式

图2所示为工业无线通信网络中Mesh+Tree两层拓扑结构的第二层树型网络示意图。该网络由骨干路由设备、现场路由设备和现场终端设备所组成，骨干路由设备B是该网络的核心，负责本网络内的现场设备和网关之间的通信，配备有用于冗余的设备S。现场路由设备R1-R7不仅具有路由转发功能，还具有数据采集功能，而现场终端设备E1-E4作为整个网络最低层设备仅具有数据采集功能，网络中的现场路由设备和现场终端设备统称为现场设备。在图2中，若路由设备R2因发生故障或受到干扰而无法进行通信，则R2的所有子设备，包括路由设备R3和R5以及终端设备E1和E2都无法和上层设备进行数据传输，失去效用，严重影响整个网络的通信状况。而如果网络中的现场设备具有冗余路径，则当设备R3和R5无法和父设备R2通信时，就可以采用冗余路径分别通过路由设备R1和R6进行数据传输，从而保证网络的通信可靠性。

图1为本发明的基本原理示意图，整个过程可以分为四个部分，分别代表四种通信状态。本发明在设备的网络层信息库中设置了相关参数和列表，

具体说明如下：

1.备用父设备表项：表项中存储的是备用父设备的地址信息，表项的个数代表每个现场设备可以拥有的备用父设备的数目，可以根据网络的结构和大小灵活设置，在本发明实施例中只设置一个备用父设备进行说明。

2.Sign标识位：两个字节，通过对该标识位的设置来表示现场设备所处的通信状态，低字节表示现场设备与父设备通信是否正常，高字节表示现场设备发送冗余路径建立帧还是取消帧。例如，初始化为0x01，。低字节设置为1时表示现场设备的父设备正常工作，为0时表示现场设备无法与父设备进行通信。现场设备在发送了冗余路径建立帧后将高字节置为1，发送冗余路径取消帧后将高字节置为0，也可以反过来设置。

3.通信失败次数阈值：当现场设备通过网络层向父设备发送数据连续失败次数达到自身网络层信息库中所设置的通信失败次数阈值时，就认为无法与父设备进行通信，需要使用冗余路径，具体的通信失败次数阈值可以根据应用环境灵活设置。

4.StandbyTbl表项：存储收到的冗余路径建立帧载荷中无法和父设备进行通信的现场设备的地址和深度信息，并且把向自己发送建立帧的设备地址设置为以后使用冗余路径向下发送信息时所用的下一跳地址参数，也存储在该表项中。表项个数可灵活设置，初始化时将表项中的设备地址参数设置为广播地址0xFFFF，表示此设备没有收到过冗余路径建立帧。在收到冗余路径取消帧后，也是将表项中的设备地址参数重新设为广播地址，表示不再使用该表项。

在骨干路由设备形成的树型网络中，现场路由设备和现场终端设备通过入网请求逐个加入网络，并由各自的父设备分配网络短地址。在加入网络的过程中，现场设备根据对其入网请求进行响应的路由设备所发的射频信号，由底层芯片提供LQI值或是通过软件计算得出LQI值，得到与这个路由设备进行通信的链路质量指示，LQI值越大，表明通信质量越好，然后现场设备将发出响应的各个路由设备的地址和对应的LQI值保存在自己的MAC层信息库中。现场设备从MAC层信息库中筛选出LQI值最大的路由设备作为父设备，将其地址信息存储在自己的邻居表中，并由父设备分配网络地址完成网络加入。同时现场设备把LQI值次之的路由设备设置为备用父设备，将其地址信息保存在网络层信息库里的备用父设备表项中。之后随着网络的不断扩展，网络中的各个设备都不断通过MAC层侦听自己通信范围内不同设备发出的各种类型的帧(信标帧、数据帧、命令帧)来更新邻居表中所存储设备的地址信息，也就是说设备的邻居表包含了其通信能力范围之内所有设备的地址信息。

整个网络正常工作的时候，如同图1(A)所示，现场设备通过父设备及中间路由设备与骨干路由进行数据通信，采用的是树型路由。但是如果网络中某个现场设备的父设备发生故障或者受到干扰，则该现场设备就无法通过父设备传输数据，通信链路断开，如图1(B)所示。而当该现场设备向父设备连续发送失败的次数达到了自身网络层信息库中所设置的通信失败次数阈值时，就认为无法与父设备进行通信。现场设备将自动从备用父设备表项中取出入网时选定的备用父设备的地址信息，向备用父设备发送冗余路径建立帧。冗余路由建立帧是在设备的网络层以命令帧的格式构造的，建立帧的载荷中存储这个现场设备的地址和深度信息，并且载荷中还有一个字节的标志位信息用于区分冗余路径建立帧和取消帧，因为无论建立帧还是取消帧，其载荷中存储的都是无法和父设备进行通信的现场设备的地址和深度信息，命令帧中的标志位设置为1时表示是冗余路径建立帧，而设置为0时表示是冗余路径取消帧。现场设备在发送建立帧之后将自身网络层信息库中的Sign标识位的低字节置为0，高字节置为1，表示无法与父设备通信，并且向备用父设备发送了冗余路径建立帧。

备用父设备在收到冗余路径建立帧后，取出建立帧载荷中存储的现场设备的地址和深度信息，并保存在自己网络层信息库里的StandbyTbl表项里对应的设备地址和深度参数中，并把表项里的下一跳地址参数设置为向自己发送建立帧的现场设备的地址，然后再向自己的父设备转发此建立帧。备用父设备的父路由设备收到建立帧后，也是通过解析帧结构来更新自身网络层信息库里的StandbyTbl表项中的相关内容，同时将表项里的下一跳地址参数设置为向自己发送建立帧的备用父设备的地址，然后再向自己上一层的父路由设备转发建立帧。也就是说，建立帧由无法和父设备进行通信的现场设备发出后，是逐层上传的，最终到达骨干路由设备，骨干路由在收到建立帧后也是把这个现场设备的地址和深度信息保存在自己网络层信息库里的StandbyTbl表项中，同时把表项里的下一跳地址设置为向自己发送建立帧的路由设备的地址，这样就建立起了从现场设备到骨干路由的冗余路径，如图1(C)中所示。

同时在图1(C)中，冗余路径建立之后，现场设备自己向上发送采集数据或者是替下层的设备向上转发数据时，会首先根据自身网络层信息库中的Sign标识位为0来判断出父设备无法通信，需使用冗余上行路径，直接将数据发送给备用父设备，然后再由备用父设备通过原有的树型路由完成数据传输。本发明网络中每个现场设备向上层发送数据的流程如图3所示。

而骨干路由设备向下层设备发送管理信息的流程如图4所示，首先查看自身网络层信息库里的StandbyTbl表项，如果表项中的设备地址参数为广播地址，则表示没有接收过建立帧，网络中没有设备出现故障，那么就按照树型路由向下层目标设备发送管理信息。如果StandbyTbl表项中设备地址参数为网络中某个现场设备的地址信息，表示该现场设备无法与其父设备进行通信，建立了到达骨干路由的冗余路径，则首先利用StandbyTbl表项中存储的设备地址和深度信息依据树型地址分配算法计算出该现场设备的下层所有子设备的地址范围，然后根据所要发送信息的目标设备的地址来做进一步判断。若目标设备不是StandbyTbl表项中的现场设备或是其下层的某个设备，骨干路由设备使用树型路由进行正常的信息发送。若所发信息的目标设备是StandbyTbl表项中的现场设备或其下层的某个设备，则需使用冗余下行路径发送管理信息，骨干路由将自身StandbyTbl表项中的下一跳地址参数设置成Mac层的发送地址完成一跳发送，这样如同图1(C)中的冗余下行路径所表示的那样，通过冗余路径上每个路由设备的StandbyTbl表项中的下一跳地址就可以逐跳将信息传送至现场设备，如果所发信息的目标设备是该现场设备的某个下层设备，则现场设备再通过树型路由将信息传送至最终的目标设备。

网络中的设备通过Mac层侦听通信范围内的不同设备发出的各种帧(不管帧的类型和发送的目的地址)的信息来不断更新自身的邻居表，若该现场设备在Mac层侦听到了任何Mac层源地址是自己父设备的帧，就认为能够与父设备进行通信，便将Sign标识位的低字节置为1，说明父设备可以正常工作。而现场设备的网络层在每次发送或者转发数据时，首先查看网络层信息库中的Sign标识位，此时的标识位低字节为1，高字节也为1，说明发送过建立帧，正在使用冗余路径，但是父设备此时已经恢复正常，那么此时现场设备就会自动向备用父设备发送冗余路径取消帧，并且将Sign标识位的高字节置为0。如图1(D)所示，冗余路径取消帧和建立帧一样，也是从现场设备逐层上传至骨干路由设备，中间收到取消帧的路由设备都会根据取消帧载荷里的现场设备地址在自身网络层信息库中查找到相应的StandbyTbl表项，将表项里的设备地址参数设置为广播地址，这样就取消了整条冗余路径。

取消冗余路径之后，当现场设备需要向上层发送数据时，首先在网络层判断Sign标识位，低字节为1说明父设备正常工作，就按照树型路由完成数据发送。而骨干路由设备向下层发送管理信息时，首先查看自身网络层信息库里的StandbyTbl表项，里面的设备地址参数均为广播地址说明整个网络的通信状态正常，也是按照树型路由向目标设备发送信息。整个网络回复到正常的通信状况。

以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明的实施进一步详细说明。

考虑到工业现场的应用环境，大都要求无线设备具有能耗小、时延短、网络容量大等特点，所以本发明实施例采用由多个符合规定条件的无线射频通信模块构建成图5所示的普通树型拓扑结构的网络。网络中无线设备使用的通信协议栈底层是基于IEEE802.15.4的改进版本，网络层具有分布式地址分配功能，可以形成树型网络并进行路由通信，同时添加了能够实现本发明功能的代码，而应用层主要进行数据发送和相关功能的设置。使用嵌入式开发平台将通信模块设置成为不同的设备类型，按照工业应用把模块分为：骨干路由设备，现场路由设备和终端路由设备，设备上安装普通射频外置天线，工作在2.4GHz的通用频段上，通信范围100米。

如图5所示，现场路由设备R5在入网时选取LQI值最大的路由设备R2作为父设备，同时选取LQI值次之的路由设备R3作为备用父设备，并将R3的地址存储在网络层信息库里的备用父设备表项中。

当网络正常工作的时候，现场路由设备R5和R6以及现场终端设备E1通过父设备R2和中间设备R1与骨干路由设备进行通信。在本发明实施例中，首先进行设备故障的测试。在所有现场设备的网络层信息库中预先设置通信失败次数阈值为3，后对路由设备R2实施干扰，使其不能和网络中的其他设备进行通信。那么当设备R5向父设备R2发送数据时，由于无法收到R2返回的确认帧，这样就认为发送失败一次，当连续失败三次后，便认为无法和父设备进行通信。

这时，路由设备R5就自动从备用父设备表项中取出备用父设备R3的地址信息，并向R3发送冗余路径建立帧，建立帧中包含R5自身的地址和深度信息，然后R5将自身网络层信息库中的特定标识位Sign的低字节置为0，高字节置为1，表示无法和父设备R2进行通信，并且已向备用父设备R3发送了冗余路径建立帧。

冗余路径建立帧通过路由设备R3和R1逐层上传到骨干路由设备B处，如图5所示，收到建立帧的路由设备都通过解析帧载荷将设备R5的地址和深度信息存储在各自的StandbyTbl表项中，同时将StandbyTbl表项里的下一跳地址分别设置为向自己发送建立帧的设备，这样就建立起了一条从现场设备R5到骨干路由B的冗余路径。

冗余路径建立之后，当路由设备R5的子路由设备R6或子终端设备E1向上层发送数据传到R5，或者R5自己向上层发送数据时，R5首先对自身网络层信息库中的Sign标识位进行判断，若Sign标识位为0，则表示此时无法与父设备R2进行通信，R5就会将数据发送给备用父设备R3，R3收到数据后使用正常的树型路由进行数据传输。

当骨干路由B向下层设备发送管理信息时，首先查看发送信息的目标设备是否为自身网络层信息库里StandbyTbl表项中存储的设备地址R5或是R5的下层设备R6、E1。如果是，骨干路由B则需使用冗余路径将管理信息传送给设备R5，骨干路由B先把网络层信息库里对应的StandbyTbl表项中的下一跳地址参数R1设置为Mac发送地址，将信息传送给设备R1，而R1也通过同样的步骤将该信息传送给R5的备用父设备R3，然后R3再传送给设备R5，这样冗余路径上的路由设备通过使用各自网络层信息库里相对应的StandbyTbl表项中的下一跳地址参数来逐跳地完成管理信息从骨干路由B到设备R5的传送。若管理信息的目标设备是R5的下层设备R6或者E1，则设备R5再通过树型路由将信息传送给目标设备。

根据上述采用的通过冗余路径来完成上行、下行通信链路传输状况的测试，我们可以看出在树型网络中现场设备R5使用冗余路径进行通信并不影响其他设备(包括R5的下层路由设备R6和终端设备E1)的正常通信和网络的整体通信性能。

其次进行网络的自愈功能测试，停止对R2的干扰，将正在使用冗余路径的路由设备R5的父设备R2恢复正常，则当设备R5在Mac层侦听到任何Mac层源地址是R2的帧后，便将自身网络层信息库中的Sign标识位的低字节置为1，表明父设备可以正常工作。则当设备R5运行到网络层，首先对Sign标识位进行判断，其低字节和高字节均为1，说明正在使用冗余路径，并且父设备已经恢复正常，就会首先向备用父设备R3发送冗余路径取消帧，然后将Sign标识位的高字节置为0，表示已经发送了冗余路径取消帧。

冗余路径取消帧和建立帧一样也是从设备R5逐层上传至骨干路由设备B，收到取消帧的路由设备R3、R1和骨干路由B都将各自网络层信息库里相应的StandbyTbl表项中的设备地址参数设置为广播地址，取消整条冗余路径。

之后设备R5向上发送数据时，首先通过自身Sign标识位的低字节为1判断出父设备正常工作，然后就按照原有的树型路由完成数据发送。而骨干路由设备B向下层设备发送管理信息时，也是通过自身StandbyTbl表项中的设备地址参数为广播地址判断出网络通信状态正常，然后按照树型路由将管理信息发送至目标设备，整个网络回复到正常的通信状况。

在本发明实施例中，不仅测试了上述的设备故障，而且测试了链路故障，即在设备R2和R5之间放置阻隔物或干扰设备，仅仅使得设备R2和R5之间的通信链路出现断路，而具体的冗余应对情况除了骨干路由设备B及设备R1通向R2的下行链路正常之外，其它设备与R2下层的各个设备进行通信仍然采用冗余路径，链路故障消除后，网络也随之回复正常。总之，所有采用树型路由机制的网络与拓扑结构利用本发明都可以实现冗余自愈的功能，在工业现场环境中具备良好的抗干扰能力，保证了整个网络的通信可靠性。