[0002] 本申请要求在2008年5月1日提交的美国临时
专利申请No.61/049,682的好处，该专利申请的公开由此包括以供参考。
技术领域
[0003] 本
发明涉及无线过程控制系统和方法，并且更具体地说，涉及这样的系统和方法，这些系统和方法包括分层自适应性，以在利用最少系统资源的同时，操作无线过程控制和/或自动化网络。
背景技术
[0004] 国际自动化学会(ISA)已经为自动化标准委员会(ISA-SP100)建立无线系统，该自动化标准委员会的任务是定义无线连通性标准。用于过程自动化系统的SP100无线标准适用于诸如油气、石油化工、
水/废
水处理及制造之类的行业。SP100标准打算用在2.4GHz频带中，使在300米范围内的数据传输速度高达250千字节每秒。SP100装置具有比可比较无线局域网(LAN)相对较低的
数据速率和
能量要求，因为它们打算是低成本装置。
[0005] SP100协议规定不同类型的通信，这些通信分类为“使用级”，并且基于减小数字编号关键性增加。“级0”通信包括分类为对于安全性用途，如紧急停机系统关键的那些通信，并且始终被认为是关键的；“级1”用于常常认为是关键的闭环调节控制；“级2”用于通常不是关键的闭环监督控制；“级3”用于开环控制；“级4”用于报警或通知；及“级5”用于数据记录。某些事件，如警报，依据消息类型可具有不同的服务分级。
[0006] 一般地，在SP100系统中的装置可划分成三类，通常称作“层”。层1包括终端装置，如仪表、远程终端单元、
阀、
传感器、储箱液位测量装置等，它们中的每一个都连接到无线终端装置。无线终端装置(WED)可向和从全部其它装置传送和接收，但不能路由到其它装置。层2包括无线中间装置(WID)，这些无线中间装置向和从全部其它装置传送和接收，并且路由到其它装置。层3包括无线网关装置(WGD)，这些无线网关装置传送到其它装置、从其它装置接收、及在其它装置之间路由，并且也执行高级应用，这些高级应用包括协议翻译和用于源-目的地对的路径分配。如这里使用的那样，部件WED、WID及WGD也称作“
节点”。
[0007] 图1A是
现有技术的用于SP100无线过程控制系统的已知示范体系结构的示意图。分别示出在WED L17和L13与WGD L35和L31之间的连通性，尽管如由本领域的技术人员理解的那样，连通性典型地在中央控制室(CCR)处在全部WED与WGD之间提供。例如，L17-L293-L292-L36-L35是用于源-目的地对L17-L35的路径，并且L292-L35是在这条路径内的链路之一。
[0008] SP100无线系统中的装置一般按网状或星形-网状网络的形式连接。在各个装置之间的连接通过无线电通信执行，比如通过如由具有冲突避免的载波感测多路存取(Carrier Sense Multiple Access withCollision Avoidance)(CSMA-CA)协议等规定的无线电通信，并且在网络层和媒体存取控制(Medium Access Control)(MAC)层处建立连接。
[0009] 在现有无线过程控制和/或自动化系统中，从WED传输到CCR的每个
帧被相同地处理，而与其使用级或关键性无关。约束条件是，传输的帧在规定最大允许端至端时间延迟和规定帧误差率(FER)内到达CCR。通常，全部WID和WGD路由入局通信量而不管使用级，并且不考虑帧的状态，如是原始传输还是重新传输。在WED与CCR之间的多条路径典型地为了数据帧传输和接收增加可靠性，规定在路由表中。如果接收的帧判断是错误的或者没有接收到确认(即，超时发生)，则帧的重新传输出现并被
请求。
[0010] 尽管大量路径提供一定程度的可靠性，但这种拓扑增加对于无线
频谱的带宽要求、
电池能量使用量、及必要
硬件的量和/或完善水平。另外，信道争用由于高信道利用率、在WED与CCR之间的延长等待、及帧堵塞而常常发生。因此，减少返回结果，使得超越一定水平的路径数量增加不能显著地提高可靠性，从而低效地使用带宽、硬件和电池使用能量要求。
[0011] 最近已经开发了另一种通常采用的无线过程控制和/或自动化网络，作为高速可导址远程发射器(HART)通信基金会(HighwayAddressable Remote Transmitter(HART)CommunicationFoundation)协议的派
生物，这些协议一般称作 协议。然而，协议的无线实施具有与SP100协议相同的一些
缺陷，即电池使用量和信道争用。
[0012] 因此，存在对操作无线过程控制和/或自动化网络，同时利用最少系统资源的可靠和自适应方法和系统的需要。
发明内容
[0013] 本发明涉及向无线过程控制和/或自动化网络提供分层自适应性元件的一种方法和系统，该方法和系统提高系统效率和可靠性。本发明包含一种设计和操作无线过程控制和/或自动化网络同时利用最少系统资源的智能和高效过程。在某些
实施例中，按使用级规定路径要求，从而分配最少利用的带宽、路径及硬件，同时满足对于服务，如闭环调节和监督控制、开环控制、报警、记录及远程监视的工厂环境要求。
[0014] 在具有大量联网装置的无线系统中，高效频谱使用和延迟最小化是关键的设计和计划因素。无线过程控制和/或自动化网络，包括在ISA-SP100协议和/或无线协议下操作的那些，与在类似频带中例如2.4MHz中操作的其它无线系统共存，如与无线TM TMLAN(包括IEEE 802.11)、BLUETOOTH 、ZIGBEE 等共存。在无线过程控制和/或自动化网络的操作中的高效频谱利用又对利用同一频带的其它无线系统有益。因此，本发明通过仅路由满足一个或多个约束条件的帧和/或包使频谱利用最少。满足规定约束条件的路径被识别。在操作期间，当路径不再满足约束条件时，丢弃和/或更换路径。
[0015] 另外，无线过程控制和/或自动化网络通常被用在苛刻和分级区域中，如被用在称作“级1、组1”和“级1、组2”的危险区域中。在这些
位置，易燃气体混合物可能存在。在这些环境下的许多无线控制和/或自动化装置通常是电池操作的，必须进行定期更换电池。因此，降低电池需求导致较高寿命周期、较少资金和较低操作成本、及工人对于在分类为危险的区域中的这些网络装置的接近的减少发生。
[0016] 在根据本发明操作无线过程控制和/或自动化网络的一种方法中，执行为一个或多个源-目的地对选择最小数量路径的步骤。初始挑选在每个源-目的地对之间的潜在路径。确定每一条潜在路径的可靠性和/或路径组的有效可靠性。通过将计算性的可靠性和/或有效可靠性与在路由规则集中规定的最小可靠性要求相比较，识别满足最小可靠性要求的路径或路径组。基于在路由规则集中规定的最小路径数量从识别的可靠路径中选择路径，并且该路径被分配在路由表中。丢弃满足可靠性要求的在规定最小路径数量以上的路径或路径组，即不分配在路由表中(如与使路径无效相反)，或者作为备选路径分配在路由表中。被丢弃的路径在将来可被分配，比如，如果以前分配的路径或备选路径之一遇到过大通信量，并且可能不再满足包括最小可靠性要求的必要约束条件。
[0017] 在根据本发明操作无线过程控制和/或自动化网络的另一种方法中，基于与在源-目的地对之间的端至端延迟有关的约束条件执行选择路径的步骤。
[0018] 在根据本发明操作无线过程控制和/或自动化网络的进一步方法中，对于在给定层内的链路基于与层延迟有关的约束条件执行选择路径的步骤。值得注意地，采用基于层延迟的约束条件，使在源-目的地对之间的给定路径中的链路或跳的数量最小。
[0019] 在根据本发明操作无线过程控制和/或自动化网络的一种另外方法中，执行选择最小数量的可靠路径的步骤，这些可靠路径满足与端至端延迟和/或层延迟有关的约束条件。
[0020] 在根据本发明操作无线过程控制和/或自动化网络的又一种方法中，执行选择最小数量的可靠路径的步骤，这些可靠路径还满足与端至端延迟和/或层延迟、最大每链路通过量、及最小跳数量中的一种或多种有关的约束条件。
[0021] 在本发明的用来操作无线过程控制和/或自动化网络的一种系统中，路线优化模
块由硬件执行，该硬件可包括一个或多个无线网关装置、与无线网络通信的分离计算装置、或其组合。路线优化模块包括路径确
定子模块，该路径确定子模块确定在选中源-目的地对之间的可能路径。提供可靠性计算子模块，该可靠性计算子模块确定可能路径的每一条的可靠性、和/或一个或多个路径组的有效可靠性。路线优化模块也包括：可靠路径识别子模块，可靠路径识别子模块通过将可靠性和/或有效可靠性与在路由规则集中规定的最小可靠性要求相比较，识别可靠路径或路径组；和路径分配子模块，用来基于在路由规则集中规定的最小路径数量，将可靠路径或一个或多个路径组分配给路由表。丢弃满足可靠性要求的在规定最小路径数量以上的路径或路径组，即不分配在路由表中，或者作为备选路径分配在路由表中。
[0022] 在本发明的用来操作无线过程控制和/或自动化网络的另一种系统中，提供端至端延迟最小化模块，在该端至端延迟最小化模块中，对于在源-目的地对之间的路径基于与端至端延迟有关的约束条件选择路径。
[0023] 在本发明的用来操作无线过程控制和/或自动化网络的进一步系统中，提供层延迟最小化模块，在该层延迟最小化模块中，对于在给定层内的链路基于与层延迟有关的约束条件选择路径。
[0024] 在本发明的用来操作无线过程控制和/或自动化网络的一种另外系统中，提供延迟最小化模块，在该延迟最小化模块中，基于与端至端延迟和层延迟都有关的约束条件选择路径。
[0025] 在本发明的用来操作无线过程控制和/或自动化网络的又一种系统中，提供选择最小数量的可靠路径的模块，并且一个或多个另外模块或子模块基于与端至端延迟和/或层延迟、最大每链路通过量、最小跳数量、或端至端延迟和/或层延迟、最大每链路通过量、及最小跳数量中的一种或多种的组合有关的进一步约束条件选择路径。
[0026] 在某些实施例中，对于一种或多种使用级规定可靠性，例如最大允许帧误差率(FER)，并且按使用级规定分配的最小数量可靠路径。具有较高程度关键性的使用级或使用级组，例如在SP100系统中的级0和1，与较低关键性的使用级相比具有较高可靠性
阈值，即较低最大允许帧误差率。此外，较低关键性的使用级可具有较少分配的最少可靠路径。
[0027] 本发明的过程的进一步实施例提供，按照使用级的最大允许帧误差率、过程控制无线通信量分布、链路的可靠性分布、层延迟、或这些因素的组合用来产生路径子集，该路径子集包含具有关联可靠性权重的最小数量的路径。对于其中基于上述路由分配过程或上述子模块没有获得最小数量的路径的源-目的地对，组合选择性路径，即路径组，或者并入另外的路径，直到对于每个使用级的端至端帧误差率比该级的最大允许阈值低，同时应用采用最小数量中间链路的标准。
[0028] 本发明的实施例包括用来并入在常规无线网络协议内的另外步骤或子模块，这些步骤或子模块包括：(1)对于每个层定义最大允许延迟；(2)将使用级位包括到路由表；(3)考虑帧是否是重新传输帧；(4)将动作-类型位提供给帧格式结构，其中用于目的地的接收帧不动作，直到最大允许延迟的结束(即，接收帧不动作，直到最大允许延迟的结束，以确保接收从不同路线到达的全部帧，并且将具有高
质量指示符的帧传递到CCR用于动作)；(5)根据使用级，丢掉和/或路由帧；和/或(6)在异常信道状况期间，将控制消息发送到在无线过程控制和/或自动化协议网络中的WID和/或WGD，以允许对于源-目的地对的特定帧的路由，而与使用级无关，从而动态地增加可得到路径的数量。因此，在某些实施例中，本发明的方法和系统使在无线链路上传输的要求帧数量最小，同时满足可靠性和等待要求。
[0029] 在下面描述的例子中，表明的是，通过使用本发明的系统和方法，(1)在SP100网络中的硬件的电池寿命周期延长大于60％；(2)由于WID和WGD的要求数量的减小，显著降低SP100系统的成本；及(3)频谱利用减小至少55％。在保持对于工厂应用，如闭环调节和监督控制、开环控制、报警、及远程监视/记录的设计要求的同时，实现这些好处。
附图说明
[0030] 以上概述、以及本发明优选实施例的如下详细描述当联系附图阅读时将被最好地理解。为了说明本发明的目的，在附图中表示有目前优选的实施例。然而，应该理解，本发明不限于所示的准确布置和手段。在附图中，相同附图标记用来指相同或类似的元件或步骤，在附图中：
[0031] 图1A是无线过程控制和/或自动化网络体系结构的示意图；
[0032] 图1B是按照本发明的无线过程控制和/或自动化网络体系结构的示意图；
[0033] 图2是根据本发明某些实施例的无线过程控制和/或自动化网络的体系结构的示意图；
[0034] 图3A、3B及3C是与本发明的系统和方法一起使用的无线终端装置、无线中间装置及无线网关装置的示意图；
[0035] 图4是按照本发明实施例的基本计算装置配置的方块图；
[0036] 图5是按照本发明实施例的包括路线优化模块的示意方块图；
[0037] 图6是按照本发明实施例的分配用于源-目的地对的可靠路径的方法的
流程图；
[0038] 图7是示意方块图，包括按照本发明实施例的端至端延迟最小化模块；
[0039] 图8是按照本发明实施例的分配路径的方法的流程图，该方法操作端至端延迟最小化模块；
[0040] 图9是示意方块图，包括按照本发明实施例的层延迟最小化模块；
[0041] 图10是按照本发明实施例的分配路径的方法的流程图，该方法操作层延迟最小化模块；
[0042] 图11是示意方块图，包括按照本发明实施例的延迟最小化模块；
[0043] 图12是按照本发明实施例的分配路径的方法的流程图，该方法操作延迟最小化模块；
[0044] 图13是无线过程控制和/或自动化网络体系结构的一部分的示意图，描绘源-目的地对部件集；
[0045] 图14是对于与现有技术方法相比使用本发明的系统和方法的无线中间装置的规一化功率使用量比较的图表；及
[0046] 图15是对于与现有技术方法相比使用本发明的系统和方法的无线终端装置和无线网关装置的规一化功率使用量比较的图表。
具体实施方式
[0047] 图1B是诸如遵守ISA-SP100协议的网络之类的无线过程控制和/或自动化网络的图；只分别表明用于WED L17和L13至WGD L35和L31的连通性。路径L17-L293-L292-L36-L35是L17和中央控制室(CCR)的源-目的地对的路径中的一条。组合L292-L35认为是在这条路径内的链路之一。路径L17-L291-L28-L34-L35是与L17-L293-L292-L36-L35相独立的路径，因为没有单个中间链路对于两条路径是共用的。元件L11至L17是在层1处的WED；元件L21至L29和L291至L293是在层2处的WID；及元件L31至L36是在层3处的WGD。在图1中所示的体系结构中，在CCR处的WGD L31称作主WGD，并且其它WGD L32至L36是附WGD，这些附加WGD可以提供附加链路，和/或在主WGD故障的情况下用作备用网关装置。按照本发明，提供计算装置80，该计算装置80执行路线优化模块110、端至端延迟最小化模块210、层延迟最小化模块310、延迟最小化模块410、施加包括通过量和跳数量中的一个或多个的约束条件的其它模块、或包括上述模块中的至少一个模块的组合，以创建路由表190，并且将生成的路由表190下载到路由WID和WGD。
[0048] 图2示出无线过程控制和/或自动化系统的示范体系结构10。体系结构一般遵守开放式系统互连参考模型(Open SystemsInterconnection Reference Model)(OSI模型)，并且包括：应用层12；传输层14；网络层16；包括逻辑链路控制子层20和媒体存取控制子层22的数据链路层18；及物理层24。应用层12根据诸如ISA-SP100协议之类的无线过程控制和/或自动化协议包括表示和会话层的功能性，并且一般将
接口提供给用户应用过程。应用层12还包括应用子层26，该应用子层26提供无线过程控制和/或自动化协议接口。传输层14经特定应用层实体的选择提供用户应用过程的寻址。网络层16提供装置的网络范围寻址，并且在不同装置的网络层实体之间中继消息。此外，按照本发明的实施例，网络层基于本发明的路线优化模块110支持在源-目的地对之间的帧路由。数据链路层18一般管理物理层的使用，并且包括逻辑链路控制(LLC)子层20和媒体存取控制(MAC)子层22，及也完成在本发明的自适应方法和系统中的一些优化功能，如收集帧误差率数据、通过量数据及/或延迟统计数据；并将这些数据传递到路线优化模块110。LLC子层20提供多路复用和流程控制机构，并且一般用作在MAC子层22与网络层16之间的接口。MAC子层提供多路存取方法，这些多路存取方法包括通常用在无线网络中的具有冲突避免的载波感测多路存取(CSM-CA)协议28，该协议28也在物理层24中执行。最后，物理层24提供数据的逐位输送、包括无线电接口的标准化接口传输媒体、调制、及诸如网状或星状网络之类的物理网络拓扑。另外，信道分配和/或变更在网络层24和数据链路层18中执行。
[0049] 图3A示出WED 30的方块图，该WED 30用来从一个或多个联网WID和/或WGD接收数据，并且将数据传输给它们。WED 30一般包括：处理器32，如中央处理单元；无线收发机34和关联天线36；输入/输出接口40；时钟45；及支持
电路42。处理器32、无线收发机34、输入/输出接口40、时钟45及支持电路42通常经总线44连接，该总线44也连接到
存储器38。存储器38可包括易失(RAM)和非-易失(ROM)存储单元两者，并且在程序存储部分中存储
软件或
固件程序和在数据存储部分中存储数据。输入/输出接口40经通信链路将信息发送到关联终端装置46，例如诸如仪表、远程终端单元、阀、传感器、储箱液位测量装置等之类的过程设备，和从该关联终端装置46接收信息。WED 30可向全部其它装置传输，并且从它们接收。在接收模式中，WED 30经天线36和收发机34接收指令。这些指令由处理器32处理，并且为了以后使用可存储在存储器38中或被缓存。时间戳优选地用时钟45，或者备选地用全球
定位系统，添加到数据上。使在网络中的全部装置同步，以允许下面所描述的准确延迟计算。指令经端口40传送到终端装置。在传输模式中，数据从终端装置传送到端口40，并且传递到存储器38。数据，包括由时钟45或其它装置产生的时间戳，可由处理器32处理，并且通过收发机34和天线36跨越网络发送。处理器32一般使用以上对于终端装置描述的OSI模型操作，并且执行用于数据传输和接收的指令。
[0050] 图3B示出WID 50的方块图，该WID 50用来向和从全部其它装置传输和接收，并且用来路由到其它装置。WID 50一般包括：处理器52，如中央处理单元；无线收发机54和关联天线56；时钟65；及支持电路62。处理器52、无线收发机54、时钟65及支持电路62通常经总线64连接，该总线64也连接到存储器58。存储器58通常可包括易失(RAM)和非-易失(ROM)存储单元两者，并且在程序存储部分中存储软件或固件程序和在数据存储部分中存储数据。按照本发明规定的路由表190驻留在存储器58中，即在数据存储部分中。在接收模式中，WID 50经天线56和收发机54接收数据帧。数据一般被缓存在存储器58中，比如为了当由CSMA-CA协议规定时的传输、或者为了在帧传输故障情况下的重新传输。在传输模式中，数据在处理器52的控制下从存储器传送到收发机54。在接收模式中，WID50经天线56和收发机54接收数据帧。在路由模式中，数据帧被接收和传输。时钟65和诸如全球定位系统之类的其它装置可将时间戳添加到接收的、传输的和/或路由的数据。WID 50具有足够的智能，以能够寻址和路由到特定通信装置。处理器52一般使用以上对于中间装置描述的OSI模型操作，并且执行用于数据传输、接收及路由的指令。
[0051] 图3C示出WGD 70的方块图，该WGD 70用来向和从全部其它装置传输和接收，用来路由到其它装置，及在本发明的某些实施例中，用来执行高级应用，这些高级应用包括协议翻译和对于源-目的地对的路径分配。WGD 70一般包括：处理器72，如中央处理单元；无线收发机74和关联天线76；时钟85；及支持电路82。处理器72、无线收发机74、时钟85及支持电路82通常经总线84连接，该总线84也连接到存储器78。存储器78通常可包括易失(RAM)和非-易失(ROM)存储单元两者，并且在程序存储部分中存储软件或固件程序和在数据存储部分中存储数据。按照本发明规定的路由表190驻留在存储器78中，即在数据存储部分中。此外，在本发明的某些实施例中，存储器78的程序存储部分可包括路线优化模块110和路由规则集120。在接收、传输及路由模式中，WGD 70按与WID 50的操作相类似的方式操作。处理器72一般使用以上对于网关装置描述的OSI模型操作，并且执行用于数据传输、接收及路由的指令。WGD 70具有足够的智能，以能够寻址和路由到特定通信装置。另外，在本发明的某些实施例中，WGD 70，具体地说主WGD 70的处理器72，对于路线优化模块110、端至端延迟最小化模块210、层延迟最小化模块310、延迟最小化模块410、施加包括通过量和跳数量的一种或多种的约束条件的其它模块、或包括上述模块中的至少一个模块的组合，执行逻辑运算，并且将路径分配存储在路由表190中。在其中在其它计算装置中执行路线优化模块和关联逻辑运算的实施例中，路由表190为了在路由操作期间使用可直接下载到WID和WGD，或者通过无线网络在数据帧中传输和存储在需要的地方，即存储在路由WID和WGD中。
[0052] 在本发明的某些实施例中，包含WID的层可被旁通，从而WED向和从WGD传输和接收。比如，这样一种配置在无线 协议中是普遍的。在另外的实施例中，比如，WID可将帧传输到其它WID，并且从其它WID接收帧，从而WGD被旁通。
[0053] 这里使用如下定义和符号，以方便本发明的路线优化模块和关联系统和方法的描述：
[0054] i指示以上所描述的使用级，并且能是0、1、2、3、4或5；
[0055] j指示无线装置的层，并且能是1、2或3；
[0056] Di指示对于级i的业务量分布，即总通信量的百分比；
[0057] Np指示在源与目的地之间的可能路径的数量；
[0058] 指示在使用级i中用于源-目的地对的最小路径数量；
[0059] x指示路径号，即x＝1、2、3、...、Np；例如，x＝5指Np路径中的第5条路径；
[0060] |L(x)|指示用于第x路径的中间链路的数量；
[0061] 指示在使用级i中对用于源-目的地对的路径的中间链路的最大数量；
[0062] L(x，y)指示第x条路径的第y链路，对于y＝1、2、3、...、|L(x)|；
[0063] Φ(L(x，y))指示用于第x条路径的第y链路的帧误差概率，并且链路可靠分布是包括全部[1-Φ(L(x，y))]的矩阵；
[0064] Φ(x)指示用于第x条路径的帧误差概率，例如Φ(2)是路径2的帧误差概率，Φ(2，5)是用于组合路径2和5的有效帧误差概率；
[0065] 1-Φc(i)指示对于级i的端至端可靠性要求；
[0066] Φc(i)指示对于级i的端至端帧误差概率；
[0067] α指示用于单一链路的最大允许帧误差概率；
[0068] η(L(x，y))是用于第x条路径的第y链路的现有通过量；
[0069] η(L(x，y)，max)是用于第x条路径的第y链路的最大通过量；
[0070] ψ(j，i，x)指示对于通过路径x的级i在层j中的计算的延迟，并且层延迟分布是对于全部ψ(j，i，x)的矩阵；
[0071] ψ(i，j，max)指示对于级i在层j中的最大允许延迟；
[0072] ψ(i，x)指示对于级i用于特定路径x的计算的延迟；及
[0073] ψ(i，max)指示对于级i的最大允许端至端延迟。
[0074] 表1表示基于每个使用级的过程控制系统要求：
[0075] 表1
[0076]
[0077] 如下描述和有关公式，叙述用来确定和分配用于源-目的地对的一条或多条可靠路径的示范过程和路线优化模块。然而，本领域的技术人员将认识到，与随后的公式集的偏差-包括顺序和术语的精确定义的变化，可导致相同或等效的确定和分配。因此，按照本发明的实施例，相对于图5和6、图7和8、图9和10、图11和12、及其变化描述的方法步骤，在计算装置中实施成模块、或指令集，该计算装置包括WGD或分离计算装置。在模块由WGD执行的情况下，模块可在比如位于CCR中的主无线网关装置中执行，或者由在层3内的辅助无线网关装置的一个或多个执行。
[0078] 在其中一个或多个模块110、210、310、410由分离计算装置执行的实施例中，最终结果，即在选中源-目的地对之间的一条或多条可靠路径的分配和确定，可被确认，并且上载到无线网关装置中的一个或多个。在采用分离计算装置的某些实施例中，提供自适应系统，借此连续(有线或无线)地保持在分离计算装置与一个或多个WGD之间的通信。在自适应系统中，一个或多个WGD可被编程，以指望分离计算装置确定和分配在一个或多个选中源-目的地对之间的新路径。在替代实施例中，WGD和WID可定期地与分离计算装置通信，以接收更新。在进一步的替代实施例中，一个或多个WGD和/或WID可指令分离计算装置执行本发明的路线优化模块，以当探测到性能退化时，例如在无线过程控制和/或自动化网络内的一个或多个不良链路或节点的情况下，改变分配。
[0079]
计算机系统80的示范方块图示出在图4中，在该计算机系统80中，可实施本发明的路线优化模块。计算机系统80包括：处理器82，如中央处理单元；输入/输出接口90；及支持电路92。在某些实施例中，在计算机80要求直接人工接口的场合，也提供显示器96和诸如
键盘、
鼠标或
指针之类的输入装置98。显示器96、输入装置98、处理器82、支持电路
92示成连接到总线94，该总线94也连接到存储器88上。存储器88包括程序存储存储器
111和数据存储存储器191。注意，尽管计算机80描绘有直接人工接口元件显示器96和输入装置98，但模块的编程和数据的输出可以替代地在接口90上完成，比如，其中计算机80连接到网络上，并且编程和显示操作发生在另一个关联计算机上，或者经可除去输入装置，如相对于接口可编程逻辑
控制器已知的那样。
[0080] 程序存储存储器111和数据存储存储器191每个可包括易失(RAM)和非易失(ROM)存储器单元，且也可以包括
硬盘和备用存储容量，并且程序存储存储器111和数据存储存储器191都可在单个存储器装置中实施，或者分离在多个存储器装置中实施。程序存储存储器111存储软件程序模块和关联数据，并且具体地说，存储路线优化模块110、端至端延迟最小化模块210、层延迟最小化模块310、延迟最小化模块410、施加包括通过量和跳数量的一种或多种的约束条件的其它模块、或包括上述模块中的至少一个模块的组合。数据存储存储器191存储由本发明的一个或多个模块产生的路由规则集120和路由表190。
[0081] 要认识到，计算机系统80能是任何计算机，如个人计算机、小型计算机、工作站、主机、诸如可编程逻辑控制器之类的专用控制器、或其组合。尽管计算机系统80为了说明目的表示成单个计算机单元，但系统可以包括计算机组/场，这种计算机组/场依据处理负载和
数据库大小定规模。另外，如以上描述的那样，计算机系统80的功能性可由一个或多个WGD执行。
[0082] 计算装置80优选地支持
操作系统，该操作系统例如存储在程序存储存储器111中，并且由处理器82从易失存储器执行。根据本发明的实施例，操作系统包含用来使装置80接口到无线过程控制和/或自动化网络上的指令，这些指令包括本发明的路线优化模块，如这里更充分讨论的那样。
[0083] 图5是根据本发明实施例的无线过程控制和/或自动化网络路由系统100的示意方块图。一般地，无线过程控制和/或自动化网络路由系统100包括：路线优化模块110；路由规则集120，例如处于路由表的形式；及硬件80，用来基于路由规则集120执行路线优化模块110。一般地，路线优化模块110由适当互连硬件80是可执行的，如由一个或多个无线网关装置80a、分离计算装置80b、一个或多个无线网关装置80a和分离计算装置80b的组合、或其它已知处理装置是可执行的。
[0084] 路由规则集120通常处于规则表的形式，尽管计算机科学领域的技术人员将认识到，规则集可处于除表格外的格式，如数据库、目录、或其它类型的文件结构。处于规则表的形式的路由规则集120包括源列122、目的地列124、使用级列126、最小可靠性要求1-Φc(i)列128、及按使用级规定在源-目的地对中的路径的最小数量 的列130。一般地，规则为端至端源-目的地对而规定，尽管在某些实施例中，可能希望的是，为其它源-目的地对规定规则。例如，目的地WGD可配备有到在本发明的路线优化模块110外的CCR的通信。路线优化模块110对于一定步骤或子模块使用这个路由规则集120，如这里进一步描述的那样。路由规则集120比如依据希望的系统配置，可存储在硬件80中，或者存储在分离和可
访问的计算机存储器装置中。
[0085] 仍然参照图5、并且也参照图6，更详细地示出路线优化模块110的实施例的操作。路径确定子模块150在步骤152处确定在选中源-目的地对之间的可能路径。例如，参照图
1，对于无线终端装置L17和无线网关装置L35的源-目的地对，由虚线表示的路径包括：
[0086] (i) L17-L293-L292-L36-L35；
[0087] (ii) L17-L293-L29-L36-L35；
[0088] (iii) L17-L293-L29-L34-L35；
[0089] (iv) L17-L291-L292-L36-L35；
[0090] (v) L17-L291-L292-L34-L35；
[0091] (vi) L17-L291-L28-L34-L35；
[0092] (vii) L17-L293-L292-L291-L28-L34-L35；
[0093] (viii)L17-L291-L292-L293-L29-L36-L35；及
[0094] (ix) L17-L291-L292-L293-L29-L34-L35。
[0095] 对于无线终端装置L13和在中央控制室处的无线网关装置L31的源-目的地对，由虚线表示的路径包括：
[0096] (i) L13-L23-L24-L32-L31；
[0097] (ii) L13-L23-L32-L31；
[0098] (iii) L13-L24-L23-L32-L31；
[0099] (iv) L13-L24-L32-L31；
[0100] (v) L13-L24-L25-L32-L31；
[0101] (vi) L13-L24-L25-L26-L32-L31；
[0102] (vii) L13-L25-L32-L31；
[0103] (viii) L13-L26-L32-L31；
[0104] (ix) L13-L25-L24-L32-L31；
[0105] (x) L13-L26-L25-L32-L31；及。
[0106] (xi) L13-L26-L25-L24-L32-L31。
[0107] 注意，尽管路径表示数据帧一般从层1节点跳到一个或多个层2节点，并且然后跳到一个或多个层3节点，但在某些实施例中，路径可包括从层2节点跳到层3节点、跳回层2节点及跳回层3节点的数据帧，借此一般避免在路径内的节点的重复。然而，如这里进一步描述的那样，具有大量跳的这样的路径或许将从本发明的优选实施例中的考虑中消除。当然，本领域的技术人员将认识到，在图1中没有明确标记的其它路径是可能的。
[0108] 其次，可靠性计算子模块160在步骤162处计算可能路径每一条路径的可靠性，这从链路可靠性分布中计算。在某些替代实施例中，全部路径的清单可被预先过滤，以消除比用于给定使用级i的最大链路数量 大的那些。例如，如果 对于全部使用级规定为五，则可应用过多路径链路过滤子模块，以从路由表190中丢弃具有大于五个链路的路径，即 如无线终端装置L17和无线网关装置L35的源-目的地对的路径(vii)、(viii)及(ix)。同样，可应用过多路径链路过滤子模块，以从路由表190中丢弃与无线终端装置L13和无线网关装置L31的源-目的地对有关的路径(vi)和(xi)。
[0109] 在另外和/或替代实施例中，如这里进一步描述的那样，链路可靠性分布数据可从每个链路的帧误差率的经验数据得到，或者从基于硬件和网络加载的类型计算的估计导出。比如，链路FER值的示范分布给出在下面的表2中：
[0110] 表2
[0111]
[0112] 用于路径x的可靠性1-Φ(x)按如下由在表2中的链路可靠性分布计算：
[0113]
[0114] 对于用于每个源-目的地对的每条路径x重复按照公式(1)的计算。
[0115] 注意，在路径中具有比较低可靠性的链路将不利地影响整个路径性能，即使剩余链路具有比较高可靠性也是如此。因此，便利的是，在路径内提供具有小可靠性变化的链路。在某些优选实施例中，这通过保证如下而实现：
[0116] 对于全部yΦ(L(x，y))≤α (2)。
[0117] 从考虑中消除包括不满足公式(2)的链路y的路径x。
[0118] 熟知的是，在连接源和目的地的两条独立路径上帧的同时传输产生比如果帧仅经单条路径传输高的可靠性。应用于本发明，当组合两条独立路径即x1和x2时，有效可靠性表达为：
[0119] 1-Φ(x1，x2)＝1-Φ(x1)＊Φ(x2) (3)。
[0120] 并且对于NP条独立路径，组合NP条路径的有效可靠性-由 指示，由下式给出：
[0121]
[0122] 在某些实施例中，除计算可能路径的每条的可靠性、或路径组的有效可靠性之外，在步骤162处，子模块160或另一个子模块(未示出)执行选择性步骤163(由虚线示出)，在该选择性步骤163中，确定或计算用于可能路径每一条的通过量，跳数量，延迟(层和/或端至端)，或通过量、跳数量及延迟中的一个或多个的组合。这种确定或计算可用在路径选择中，以分配满足多个约束条件的一条或多条路径。
[0123] 在另外的实施例中，子模块160，并且具体地说步骤162和选择性步骤163，考虑来自无线过程控制和/或自动化网络的统计数据，由虚线步骤164指示。步骤162可基于在每个链路、节点和/或路径处确定的帧误差率统计数据，确定可能路径每一条的可靠性。另外，步骤163可得到在步骤164处与确定的可靠性、计算的通过量、计算的端至端延迟及计算的层延迟的一个或多个有关的统计数据。
[0124] 可靠路径识别子模块170，在步骤172处从在选中的源-目的地对之间的可能路径x中识别和选择路径，即识别和选择可靠路径1-Φ(x)、或路径集，即1-Φ(x1，x2)或。通过与在路由规则集120中规定的最小可靠性要求1-Φ(i)相比较，识别选中路径或路径集。因此，将满足如下条件的路径识别为可靠的：
[0125] 对于每个使用级1-Φ(x)≥1-Φ(i) (5)，并且
[0126] |L(x)|是最小 (6)。
[0127] 注意，在其中选择组合独立路径的情况下，即选中路径组的情况下，用由公式(3)计算的1-Φ(x1，x2)或由公式(4)计算的 代替1-Φ(x)进行公式(5)的比较。
[0128] 在某些实施例中，可基于|L(x)|满足如下约束条件的条件选择路径和/或路径组：
[0129]
[0130] 最后，路径分配子模块180在步骤182处基于在路由规则集120中规定的用于源-目的地对的最小路径数量 ，分配用于选中源-目的地对的最小数量的可靠路径。这些路径然后可分配在路径路由表190中，其中符号“A”、“B”、“C”及“D”指满足公式(5)的条件并且具有最低|L(x)|的不同路径。在具有最低|L(x)|值的路径数量不满足用于源-目的地对的最小路径数量 的场合，分配具有次最大|L(x)|的路径，从而提供用于源-目的地对的最小路径数量 。在替代例中，选中的路径满足公式(7)的条件。如这里进一步描述的那样，在本发明的选择性实施例中，在步骤182处，路径分配子模块180在将路径分配给路径路由表190时也考虑另外的约束条件，这些另外的约束条件包括通过量，延迟(端至端和/或层)，跳数量，或通过量、跳接数量及延迟中的一种或多种的组合，如由虚线步骤183表明的那样。
[0131] 此外，在本发明的另外实施例中，路径分配步骤182是
迭代的，其中，基于与计算的可靠性、跳数量、计算的通过量、计算的端至端延迟及计算的层延迟有关的网络统计数据，丢弃某些路径，并且用另外的路径替换，以满足用于源-目的地对的最小路径数量。这个选择性实施例允许系统和方法是自适应的，以连续地保持最佳网络通信量流动，并且在图6中包含有在步骤162和182之间的虚线连接符。
[0132] 在某些实施例中，路径或路径组的几种组合将满足公式(5)-(6)的要求。在这些情况下，路径的选择应该寻求通信量在网络上的均匀分布。本发明的方法因此分配用于源-目的地对的最小路径数量 ，并且在某些实施例中分配替代路径。比如，如在路由表190中表示的那样，提供多达两条替代路径。丢弃剩余的路径集
[0133] 对于特定源-目的地对，在正常操作况状期间，数据通信量通过分配的路径而不是替代的路径路由。然而，如果在任一终端处、或在分配的路径中的链路或节点之一处检测到使用级性能的退化，则数据通信量通过分配的路径和替代的路径两者传递。
[0134] 在本发明的某些替代实施例中，用于源-目的地对的最小路径数量 基于使用级可靠性要求1-Φc(i)和网络和/或通信量负载的变化被动态地调整。满足网络可靠性要求的最小路径数量 可确定成使得：
[0135] 对于全部i，
[0136] 在本发明的另外实施例中，在为源-目的地对分配特定路径时对最大允许延迟给予考虑。因此，如果计算的延迟超过对于给定路径的最大允许延迟，则可添加另一条路径，例如WED、WID及/或WGD集，以使延迟最小。作为替代、或共同地，可采用另一个无线电频道和/或跳频模式，以使对于给定路径的延迟最小。
[0137] 在其中路径分配基于使用级的某些实施例中，分配一条或多条路径x，从而满足如下条件：
[0138] 对于全部j、i、及x ψ(j，i，x)≤ψ(j，i，max) (9a)，和
[0139] 对于全部i和x ψ(i，x)≤ψ(i，max) (9b)。
[0140] 不满足公式(9a)或公式(9b)的条件的路径x在这个实施例中被丢弃。
[0141] 在本发明的某些实施例中，在基于公式(9a)和(9b)的满足而选择用于源-目的地对的最小路径数量 时，考虑最大允许延迟。
[0142] 在本发明的进一步实施例中，本发明的方法和系统对于在每个层j内的帧传输定义最大允许延迟ψ(i，j，max)，作为级i的函数。对于全部j全部值ψ(i，j，max)之和应该不超过最大系统延迟约束条件。因为无线过程控制和/或自动化网络对于延迟可能是敏感的，所以将在每个层处的传输延迟保持在系统最大允许延迟内是希望的，以保证适当操作。
[0143] 图7是根据本发明另一个实施例的无线过程控制和/或自动化网络路由系统200的示意方块图。一般地，无线过程控制和/或自动化网络路由系统200包括：端至端延迟最小化模块210；最大允许端至端延迟规则集220，例如处于最大允许端至端延迟表的形式；及硬件80，用来执行延迟最小化模块210。一般地，延迟最小化模块210由适当互连的硬件
80是可执行的，如由一个或多个无线网关装置80a、分离计算装置80b、一个或多个无线网关装置80a和分离计算装置80b的组合、或其它已知处理装置是可执行的。端至端延迟最小化模块210一般包括路径确定子模块150、端至端延迟计算子模块260、路径识别子模块
270及路径分配子模块280。
[0144] 仍然参照图7、并且也参照图8，更详细地示出端至端延迟最小化模块210的实施例的操作。路径确定子模块150在步骤152处确定在选中源-目的地对之间的可能路径。这个步骤152和模块150比如按以上相对于图5和6描述的相同方式操作。
[0145] 其次，端至端延迟计算子模块260在步骤262处对于在步骤152中确定的可能路径中的每一条，计算端至端延迟。这些计算可基于在步骤264处并入的网络统计数据。比如，每个传输帧包括时间戳，该时间戳具有在源处帧处理开始的时间。当帧由目的地接收时，并入接收时间戳，并且基于在目的地的接收时间与在源处开始帧处理的时间之间的差，可计算端至端延迟。这种计算说明在路径中在每个节点处的全部帧或包处理时间和传输时间。
[0146] 在某些实施例中，除在步骤262处计算可能路径中的每一条的端至端延迟之外，子模块260或另一个子模块(未表示)执行选择性步骤263(由虚线表示)，在该选择性步骤263中，确定或计算用于可能路径中的每一条的可靠性，通过量，跳数量，层延迟，或可靠性、通过量、跳数量、及层延迟中的一个或多个的组合。这种确定或计算可用在路径选择中，以分配满足多个约束条件的一条或多条路径。
[0147] 其次，在步骤272处，路径识别子模块270通过将计算的端至端延迟与在最大允许端至端延迟规则集220中规定的最大允许端至端延迟相比较，识别可接受路径。最大允许端至端延迟规则集220在某些实施例中包括按使用级222规定的最大允许端至端延迟224，表示为ψ(i，max)。如果满足以上叙述的公式(9b)，则将路径识别为可接受的。
[0148] 最后，路径分配子模块280在步骤282处将可接受路径，即满足公式(9b)的路径，分配给路由表190。在本发明的另外实施例中，在步骤282处，路径分配子模块280在将路径分配给路径路由表190时也考虑另外的约束条件，这些另外的约束条件包括最小可靠性(例如，遵守相对于图5和6描述的模块110)，最大通过量，最大允许层延迟，最大跳数量，或最小可靠性、最大通过量、最大跳数量及最小允许层延迟的组合，如由虚线步骤283指示的那样。
[0149] 在包括本发明的系统和方法的网络传输期间，如果在目的地处以超过最大允许端至端延迟的计算的端至端延迟接收到帧，则帧通过的路径在网络统计数据中将识别为不可接受的，因为未能满足端至端延迟约束条件。这种信息将用来从路由表190中动态地丢弃故障路径，并且用一条或多条另外的路径替换该路径，比如如有必要以满足任何其它规定约束条件。
[0150] 另外，在本发明的更进一步实施例中，路径分配步骤282是迭代的，其中，基于与计算的可靠性、计算的通过量、跳数量及计算的层延迟中的一个或多个有关的网络统计数据，将某些路径丢弃，并且用另外的路径替换。端至端延迟最小化模块210的迭代性质允许系统和方法是自适应的，以连续地保持最佳网络通信量流动，并且在图8中包含有在步骤262和282之间的虚线连接符。
[0151] 图9是根据本发明又一个实施例的无线过程控制和/或自动化网络路由系统300的示意方块图。一般地，无线过程控制和/或自动化网络路由系统300包括：层延迟最小化模块310；最大允许层延迟规则集320，例如处于最大允许层延迟表的形式；及硬件80，用来执行延迟最小化模块310。一般地，延迟最小化模块310可由适当互连的硬件80执行，如由一个或多个无线网关装置80a、分离计算装置80b、一个或多个无线网关装置80a和分离计算装置80b的组合、或其它已知处理装置是可执行的。层延迟最小化模块310一般包括路径确定子模块150、层延迟计算子模块360、链路识别子模块370及路径分配子模块380。
[0152] 仍然参照图9、并且也参照图10，更详细地示出层延迟最小化模块310的实施例的操作。路径确定子模块150在步骤152处确定在选中源-目的地对之间的可能路径。这个步骤152和模块150比如按以上相对于图5和6描述的相同方式操作。
[0153] 其次，层延迟计算子模块360在步骤362处对于在步骤152中确定的可能路径，计算用于在层j中的链路或链路集中的每一个的层延迟。这些计算可基于在步骤364处并入的网络统计数据。比如，每个传输帧包括时间戳，该时间戳具有在源处帧处理开始的时间。当帧从在给定层中的最后节点传输时，并入传输时间戳，并且基于在层j中的最后节点处的传输时间与帧处理在层j中的第一节点处开始的时间之间的差，可计算层延迟。这种计算说明在层j中的路径中在每个节点处的全部帧或包处理时间和传输时间。
[0154] 在某些实施例中，除在步骤362处计算可能路径中的每一条的层延迟之外，子模块360或另一个子模块(未表示)执行选择性步骤363(由虚线表示)，在该选择性步骤363中，确定或计算用于可能路径中的每一条的可靠性，通过量，跳数量，端至端延迟，或可靠性、通过量、跳数量、及端至端延迟中的一个或多个的组合。这种确定或计算可用在路径选择中，以分配满足多个约束条件的一条或多条路径。
[0155] 其次，在步骤372处，链路识别子模块370通过将计算的层延迟与在最大允许层延迟规则集320中规定的最大允许层延迟相比较，识别可接受链路或链路集。最大允许层延迟规则集320在某些实施例中包括按使用级i 322按层j 328规定的最大允许层延迟326，表示为ψ(j，i，max)。如果满足以上叙述的公式(9a)，则将链路或链路集识别为可接受的。对于在路径内的每个层j重复步骤362和372，或者除非计算的层延迟超过最大允许层延迟，在这时路径被丢弃。
[0156] 最后，在对于在给定路径内的全部层都满足公式(9a)之后，路径分配子模块380在步骤382处将可接受路径分配给路由表190。在本发明的另外实施例中，在步骤382处，路径分配子模块380在将路径分配给路径路由表190时也考虑另外的约束条件，这些另外的约束条件包括可靠性(例如，遵守相对于图5和6描述的模块110)，通过量，最大允许端至端延迟，跳数量，或通过量，跳数量及层延迟的组合，如由虚线步骤383表明的那样。
[0157] 在包括本发明的系统和方法的网络传输期间，如果在层的结束处以超过最大允许层延迟的计算的层延迟接收到帧，则该帧将被丢下，并且在层内的链路或链路集在网络统计数据中将被识别为不可接受的，因为未能满足端至端延迟约束条件。这种信息将用来从路由表190中动态地丢弃包括链路或链路集的一条或多条路径，并且用一条或多条另外的路径替换一条或多条丢弃路径，比如如有必要以满足任何其它规定约束条件。
[0158] 另外，在本发明的更进一步实施例中，路径分配步骤382是迭代的，其中，基于与计算的可靠性、计算的通过量、跳数量及计算的层延迟中的一个或多个有关的网络统计数据，将某些路径丢弃，并且用另外的路径替换。层延迟模块310的迭代性质允许系统和方法是自适应的，以连续地保持最佳网络通信量流动，并且在图10中包含有在步骤362和382之间的虚线连接符。
[0159] 图11是根据本发明又一个实施例的无线过程控制和/或自动化网络路由系统400的示意方块图。一般地，无线过程控制和/或自动化网络路由系统400包括：延迟最小化模块410；最大允许延迟规则集420，例如处于最大允许延迟表的形式，该最大允许延迟表并入用于在给定使用级i 422中的层j 428的最大允许层延迟值426、和用于给定使用级i422的最大允许端至端延迟值424；及硬件80，用来执行延迟最小化模块410。一般地，延迟最小化模块410可由适当互连的硬件80执行，如由一个或多个无线网关装置80a、分离计算装置80b、一个或多个无线网关装置80a和分离计算装置80b的组合、或其它已知处理装置是可执行的。层延迟最小化模块410一般包括路径确定子模块150、端至端延迟计算子模块
460、潜在可接受路径识别子模块465、层延迟计算子模块470、链路识别子模块475及路径分配子模块480。
[0160] 仍然参照图11、并且也参照图12，更详细地表示延迟最小化模块410的实施例的操作。尽管为了清楚起见相对于图12没有具体地示出为了路径的分配而并入网络统计数据、和确定并采用另外因素的步骤-这些另外因素包括可靠性、通过量及总跳数量，但本领域的技术人员基于这里描述的以前实施例将认识到，这些另外的步骤也可并入在模块410中。
[0161] 如图12所示，路径确定子模块150在步骤152处确定在选中源-目的地对之间的可能路径。这个步骤152和模块150比如按以上相对于图5和6描述的相同方式操作。
[0162] 其次，端至端延迟计算子模块460在步骤462处对于在步骤152中确定的可能路径中的每一条，计算端至端延迟。这些计算可基于网络统计数据(未在图12中示出)，比如，如相对于图8讨论的那样(附图标记264)。比如，每个传输帧包括时间戳，该时间戳具有在源处帧处理开始的时间。当帧由目的地接收时，并入接收时间戳，并且可计算端至端延迟。这种计算说明在路径中在每个节点处的全部帧或包处理时间和传输时间。
[0163] 在某些实施例中，比如，如在图8中描绘的那样(附图标记263)，除在步骤462处计算可能路径中的每一条的端至端延迟之外，子模块460或另一个子模块执行选择性步骤，在该选择性步骤中，确定或计算用于可能路径中的每一条的可靠性，通过量，跳数量，或可靠性、通过量及跳数量中的一个或多个的组合。这种确定或计算可用在下面相对于子模块465和步骤467所描述的潜在可接受路径的识别中，以指示满足多个约束条件的一条或多条路径。
[0164] 其次，在步骤467处，潜在可接受路径识别子模块465通过将在步骤462处确定的计算的端至端延迟与在延迟规则集420中规定的最大允许端至端延迟(列424)相比较，识别潜在可接受路径。延迟规则集420在某些实施例中包括按使用级422规定的最大允许端至端延迟424，表示为ψ(i，max)。如果满足以上叙述的公式(9b)，则将路径识别为可接受的。
[0165] 在模块410的方法中，即使某些路径在步骤467处可识别为潜在可接受的，如果任何一个层延迟超过最大允许层延迟ψ(j，i，max)，则这些潜在可接受路径也将不分配给路由表190。因此，层延迟计算子模块470和链路识别子模块475被并入，以保证在每个层处的延迟满足约束条件。具体地说，层延迟计算子模块470在步骤472处对于在步骤152中确定的可能路径，计算用于在层j中的链路或链路集中的每一个的层延迟。这些计算可基于网络统计数据，比如，如相对于图10描述的那样(附图标记364)。例如，每个传输帧包括时间戳，该时间戳具有在源处帧处理开始的时间；当帧从在给定层中的最后节点传输时，并入传输时间戳，并且基于在层j中的路径中每个节点处的全部帧或包处理时间和传输时间，可计算层延迟。
[0166] 在某些实施例中，除在步骤472处计算可能路径中的每一条的层延迟之外，子模块470或另一个子模块执行选择性步骤，在该选择性步骤中，确定或计算用于可能路径中的每一条的可靠性，通过量，跳数量，或可靠性、通过量及跳数量中的一个或多个的组合，如相对于图10描述的那样(附图标记363)。
[0167] 其次，在步骤477处，链路识别子模块475通过将计算的层延迟与在最大允许层延迟规则集420中规定的最大允许层延迟相比较，识别可接受链路或链路集。如果满足以上叙述的公式(9a)，则将链路或链路集识别为可接受的。对于在路径内的每个层j重复步骤472和477，或者除非计算的层延迟超过最大允许层延迟，在这时路径被丢弃。
[0168] 最后，在对于在给定路径内的全部层都满足公式(9a)之后，路径分配子模块480在步骤482处将可接受路径分配给路由表190。在本发明的另外实施例中，在步骤482处，路径分配子模块480在将路径分配给路径路由表190时也考虑另外的约束条件，这些另外的约束条件包括可靠性(例如，遵守相对于图5和6描述的模块110)，通过量，跳数量，或可靠性、通过量及跳数量的组合，如在图10中由步骤383指示的那样。
[0169] 另外，在本发明的更进一步实施例中，路径分配步骤482是迭代的，其中，基于与确定的可靠性、计算的通过量、跳数量及计算的层延迟中的一个或多个有关的网络统计数据，将一定路径丢弃，并且用另外的路径替换。延迟模块410的迭代性质允许系统和方法是自适应的，以连续地保持最佳网络通信量流动，并且在图12中包含有在步骤462和482之间的虚线连接符。
[0170] 在以上所讨论的另外实施例中，在独立路径的最小数量 的选择和/或用于源-目的地对的特定路径的分配时考虑用于给定链路的最大允许通过量η(L(x，y)，max)，从而满足如下条件
[0171] 对于全部y η(L(x，y))≤η(L(x，y)，max) (10)。
[0172] 在独立路径的最小数量 或独立路径的最小数量 和替代路径的允许数量的组合不能分配的情况下，可实施如下的一个或多个，直到满足约束条件：(1)添加另一条路径，例如，WED、WID、和/或WGD集，以提高可靠性、通过量或使延迟最小化；(2)通过冗余性改进最弱链路的可靠性；和/或(3)使用其它RF信道和/或跳频模式。
[0173] 在本发明的更进一步实施例中，基于通信量分布和通过量，确定每选中路径信道数量，以保证都满足最大允许层延迟ψ(i，j，max)和η(L(x，y)，max)。具有超过最大允许层延迟ψ(i，j，max)或端至端ψ(i，max)的ψ(i，j，x)的路径将或者(1)用其它路径替换，或者(2)用每路径多信道改善，以便满足过程控制系统使用级要求。
[0174] 按照对于本领域的技术人员熟知的常规数据帧体系结构，每个帧供给有指示它是原始传输还是重新传输帧的数位。按照本发明的一定实施例，
修改常规数据帧体系结构，以反映其使用级水平。使用级数位(UCD)对于每个源-目的地对添加在路由表中，以在帧的路由期间被利用。这个UCD被用在数据帧传输中，从而如果帧使用级大于UCD，则帧被丢掉。就是说，仅当帧使用级小于或等于UCD时，系统才将路由帧。在某些实施例中，对于重新传输的帧，过程将允许重试帧传递通过分配和替代路径，而与UCD无关。
[0175] 下面的表3是在WID与WGD的一定对之间的路由表的部分表示，该路由表包括用于描绘对的UCD的指示。注意，对可以是直接链路或具有中间跳的链路。例如，路径1是在源地址4E22与目的地地址22A4之间的路径，并且是用于具有3的UCD的帧的分配的路径，借此将传递具有使用级0、1、2或3的初始传输的帧，但将不传递具有4或5的使用级的初始传输的帧。路径2是在同一源-目的地对之间的替代路径，具有5或更低的UCD，借此全部级的重新传输的帧将传递通过该路径。路径3是用于全部使用级的在4B78和22A4源-目的地地址对之间的替代路径，即全部重新传输的帧将通过。路径4是用于全部使用级的在4E22与22D9之间的分配的路径。路径5是仅用于级0、1及2的在4EAA与22D9之间的替代路径。
[0176] 表3
[0177]
[0178] 本发明的方法和系统包括路由的动态调整，以当如下事件的任一个发生时允许分配的和替代路径传递通信量而与使用级无关：(a)当超时发生时，或者由于最大允许延迟(层和/或端至端)的违反，或者因为确认消息没有接收到，用于源-目的地对的分配的和替代路径(在超时发生的场合)将允许全部帧通过，而与使用级无关；(b)当用于在分配的路径内的链路的帧误差概率超过规定阈值时，具有通过这个链路的分配的路径的全部源-目的地对允许分配的和替代路径传递全部通信量。用于对WGD和WID的路由表190进行调整的消息可由主WGD和/或执行路线优化模块110的装置初始化。路由表的调整对于预置时间持续可以是有效的，或者直到接收到请求恢复到正常路由设置的第二消息。
[0179] 在本发明的另外实施例中，实施上述约束条件的组合，以优化和选择用于无线过程控制和/或自动化网络的路线。对于源和目的地中的每个特定对，NP被最小化，从而对于全部i满足公式(8)，具有满足公式(2)、(6)、(9a)及(10)的附加条件。如果不满足公式(8)、(2)、(6)、(9a)及(10)中的任一个，那么：
[0180] a.可添加另一条路径，即WED、WID及WGD集，以提高可靠性、通过量，或使延迟最小化；
[0181] b.最弱链路的可靠性可通过冗余性被改进；
[0182] c.可使用其它无线电频道和/或跳频模式；或
[0183] d.可实施(a)、(b)及(c)的任何组合。
[0184] 对于在无线过程控制和/或自动化网络中的每个源-目的地对、或在无线过程控制和/或自动化网络中的对其希望根据本发明的优化的每个源-目的地对，过程被重复。
[0185] 相对于图5和6描述的以上路线优化模块可选地包括另外的步骤或子模块，可相对于整个网络或某些源-目的地对被实施。在其中对于整个网络实施路径优化过程的实施例中，以上过程可选地包括另外的步骤或实施例，对于在系统中的每个源-目的地对被重复。在其中对于某些选中源-目的地对实施路径优化过程的实施例中，以上过程可选地包括另外的步骤或实施例，对于要被优化的源-目的地对被重复。为了防止相对于未被优化的对的信道拥塞，可实施路由规则，这些路由规则将通过分配的路径、或在提供替代路径的实施例中通过分配的路径和替代路径的选中源-目的地对区分优先权。在另外的实施例中，分配的路径、或在提供替代路径的实施例中的分配的路径和替代路径，可排它地为根据本发明方法和系统的优化而选中的源-目的地对保留。
[0186] 说明性例子
[0187] 为了表明使用本发明的优化方法和系统的无线过程控制系统的目的，参考在图13中示出的ISA-SP100网络的一部分。描绘的该部分包括具有多条路径的单个源-目的地对。每个无线链路具有250kbps的最大容量、和100kbps的有效可实现通过量，因为最大可实现通过量对于CSMA-CA协议等典型地在链路容量的40％的范围内。链路的帧误差率分布在表4中给出，表4也提供现有每链路通过量水平。在WID L13处的过程控制设备假定当交付给网络使用时产生60kbps，其中，40kbps是转到CCR(上行链路)的通信量，并且20kbps是从CCR来到L13(下行链路)的通信量。
[0188] 帧重新传输率假定对于全部服务级在1％以下。应该注意，这些FER值将取决于
基础物理层的特性，例如取决于数字调制和误差控制编码的类型、无线电信道路径损失和衰减、共-信道干扰等等。为了说明，呈现典型的FER值。
[0189] 在表5中，列出每级要求的FER，并且跨越不同服务级的典型通信量混合由属于级0、1、2、3、4及5的帧的百分比代表。另外，规定对于总端至端延迟和每层延迟的假定极限。
一般地，延迟值将与通信量加载和排队/优先权机理有关。实际每链路延迟值可经验地从消息时间戳得到。依据给定帧必须进行的跳数量，可计算准确延迟，该准确延迟在本发明的优化系统和方法中计入，以提供一定端至端延迟。
[0190] 表4
[0191]
[0192] 表5
[0193]
[0194] 将给定数据应用到过程模拟模型中，如表6所示，计算路径的帧误差概率。然后如在表7中那样，计算当在多条独立路径上传输帧时的帧误差概率。基于本发明的优化路由方法和系统，分配的和替代路径在表8中给出。为了本例子的目的，不分配多于2条的路径。
[0195] 表9提供遵守表8的路径分配的生成链路的通过量。由于L26-L32的通过量超过100kbps，所以提供第二RF信道，以
支撑这种通信量。
[0196] 表6
[0197]路径 路径名称 Φ(L(x，y))
L13-L23-L32 A 5.10E-04
L13-L24-L32 B 6.00E-06
L13-L25-L32 C 5.00E-04
L13-L26-L32 D 5.00E-03
[0198] 表7
[0199]
[0200] 表8
[0201]级 分配的路径 替代路径
0 A和B C和D
1 A和B C和D
2 A和B C和D
3 A和B C和D
4 B A和C
5 B A和C
[0202] 表9
[0203]
[0204] “规一化”频谱使用量(按RF信道使用计数)可通过考虑用于端至端连接的RF信道占用的总数量而估计。这可按如下计算：
[0205]
[0206] 其中，Di代表用于级i的通信量分布百分比，并且Ni是每级占用的RF信道数量。这个表达式应用于标准(即，非优化)操作过程。然而，关于本发明的优化
算法，归一化频谱使用量成为：
[0207]
[0208] 其中，Pret是在系统中的平均重新传输的概率。通过对于在这个例子中使用的特定参数应用这些公式，在标准非优化操作中，获得用于频谱利用的如下结果：
[0209] U＝1+4＊(0％+8％+10％+12％+35％+35％)＝5，
[0210] 因为有从L13至WID的一个RF传输、和从WID至WGD的四个分离RF传输。另一方面，对于本发明的过程优化的情形，按如下得到归一化频谱使用量：
[0211] U＝[1+2＊(8％+10％+12％)+1＊(35％+35％)]+0.01＊4[(8％+10％+12％)+3＊(35％+35％)]＝2.4，其中假定1％的重新传输概率。
[0212] 的比值指示，如果不遵守本发明的过程优化过程，将需要加倍的频谱。值得注意地，频谱消耗的这些节省不排除满足最小使用级要求。
[0213] 这种优化过程也可显著地降低用于节点的功率消耗。电池功率使用量与传输的和接收的帧的数量成正比，并且不受诸如加密、验证、脉动(heartbeat)
信号等之类的其它处理活动的显著影响。图14和15表示具有和没有优化方案的、从L13至L32的归一化功率使用量(它与传输的和接收的帧数量成比例)。注意，为了图8和9的目的，单次传输包括从L13发送到L32的帧和从L32发送到L13的确认帧。
[0214] 图14指示，用于四个WID的接收的帧的数量在有和没有优化方案的情况下保持相同，而当实施优化方案时，传输的帧的数量从8降到2.3帧。图15揭示，由WED和WGD接收的帧的数量对于单一传输从8降到2.6，而传输的帧的数量保持不变。因而，优化方案的实施对于WID将电池寿命周期延长55％(16/10.3)，并且对于WED延长117％(10/4.6)。
[0215] 以上和在附图中已经描述了本发明的系统和方法；然而，修改对于本领域的技术人员将是显然的，并且本发明的保护范围要由随后的
权利要求书定义。另外，尽管相对于ISA-SP100协议已经描述了本发明的某些实施，但本发明也可在其它无线过程控制和/或自动化协议内实施，这些其它无线过程控制和/或自动化协议包括但不限于 协议。
