0.   引言

自动引导车(automated guided vehicle，AGV)作为智能制造的核心自动化装备，是构建低成本、智能化的工业自动化物料运输系统的基础。无线网络作为AGV系统组建、运行的重要组成部分，负责AGV与网关间的信息传输。目前，基于无线网络的AGV系统已经被柔性制造、智慧物流等行业广泛采用^[1-2]。随着应用规模的扩大，AGV和网关间的通信数据量迅速增长，高效的数据传输方法对于保障AGV系统的有序、可靠运行具有重要意义^[3]。

现有的无线AGV通信系统主要采用Wi-Fi、ZigBee和WIA-FA等无线网络技术。由于Wi-Fi和ZigBee采用基于CSMA/CA(carrier sense multiple access with collision avoid)的竞争性接入机制，在网络负载较大时，节点间的传输冲突频繁发生，导致网络可靠性急剧下降，无法满足工业应用的高可靠传输要求^[4-5]。WIA-FA是一种面向工厂自动化的专有无线网络技术标准，采用基于TDMA(time division multiple access)的确定性时隙通信方式，可避免节点竞争接入所造成的高丢包率^[6]。因此，基于WIA-FA的无线AGV系统更适合工业自动化应用。

传输调度作为WIA-FA网络的核心问题，对于保障网络的高可靠传输起到至关重要的作用^[7]。本文研究基于WIA-FA的无线AGV系统有序可靠传输方法。在本文的AGV系统中，网关负责实时收集AGV运行状态，并在线对AGV系统进行集中调度，最后再将控制数据下发给AGV。AGV的状态信息收集和控制数据下发均通过WIA-FA网络实现。为避免AGV的拥堵和碰撞，控制数据要严格按给定顺序到达目的AGV，因此传输调度要满足顺序约束。传统的AGV可靠传输调度问题不考虑有序传输约束，且只针对上行或下行无线传输情形，对于基于WIA-FA的无线AGV系统端到端有序可靠传输方法尚未见报道。

基于上述讨论，本文的主要贡献有：

1) 给出了基于WIA-FA的AGV通信系统架构和数据传输过程，并设计了一种全新的超帧结构以满足数据传输的严格顺序性要求。

2) 在新超帧的基础上，设计了基于有序调度的端到端重传策略(sequential scheduling based end-to-end retransmission，SSER)，可实现上行数据的按需传输和下行数据的按序传输，并支持上行和下行数据时段长度的动态优化。

3) 仿真结果表明，在不同超帧长度、节点数量和信道条件等网络参数设置下，SSER在传输可靠性方面均优于现有工作。

1.   研究现状

本节从无线AGV系统和工业无线传感器网络(industrial wireless sensor networks，IWSNs)的端到端可靠传输调度两个方面回顾当前研究现状。

1.1   无线AGV系统

根据接入机制的不同，当前有关无线AGV系统的传输研究主要分为基于CSMA/CA竞争性机制的研究和基于TDMA调度机制的研究。

在基于CSMA/CA的无线AGV系统研究方面，文[8]设计了一种结合使用射频识别和ZigBee技术的AGV系统，该系统主要使用ZigBee网络来导航AGV，辅助使用射频标签定位AGV。文[9]针对无线信道和媒体访问控制所导致的随机通信时延问题，设计了一种基于卡尔曼滤波的网络时延估计器，该估计器指导无线通信系统在精确的时间范围内发送和接收信息。文[10]设计了一种分析AGV通信系统下行和上行无线链路延迟需求的方法。文[11]设计了一种提前确定最佳质量接入点(access point，AP)的方法，即通过使用一组位于AP和AGV通信位置附近的传感器来监测频谱使用情况，提前确定最佳质量的AP。文[12]提出了一种分布式的控制系统以支持AGV间通信，增强了AGV的自主性和灵活性。文[13]基于IEEE 802. 15. 4a技术，设计了一种可实现大量AGV本地实时通信的网络协议。文[14]设计了一种在室内环境中定位AGV的非光学方法，即利用从AGV车载Wi-Fi无线网卡中提取出的信道状态信息计算出AGV的当前位置。

在基于TDMA调度的无线AGV系统研究方面，文[15]针对AGV控制信息的高可靠和低延迟传输需求，提出了一种同时具备基于CSMA的时隙预留和动态TDMA时隙调度的结构化MAC协议。文[2]全面综述了WIA-FA技术，重点介绍了WIA-FA的默认超帧结构和重传方法，并给出了基于WIA-FA的无线AGV系统的多个典型应用案例。文[16]研究了WIA-FA网络的重传时隙分配问题，提出了一种高效的按需自动重传方法以改进WIA-FA定义的重传方法。进一步，针对按需自动重传方法^[16]信标开销大的问题，文[17]提出了一种基于灵活模式选择的时隙调度策略，结合了循环重传和按需重传的优点，提高了通信资源的利用效率。文[18]首次设计了一种基于WIA-FA技术的集中式AGV通信系统，采用TDMA接入机制，满足了大规模AGV网络对实时性和可靠性的严苛要求。

综上，基于CSMA/CA的无线AGV通信系统由于难以保证数据传输的可靠性，需要采用各种方法^[8-14]以削弱节点间传输冲突带来的丢包影响。基于TDMA调度机制的无线通信技术，如WIA-FA^[16-18]，从根本上规避了节点竞争接入问题。因而，基于TDMA调度机制的无线AGV通信系统已成为AGV研究的重要发展方向。

1.2   IWSNs的端到端可靠传输调度

数据包传输的可靠性一直是IWSNs传输调度的重要目标，尤其是对于关键控制应用而言，IWSNs必须保证数据传输的可靠性。文[19]设计了一种通用的IWSNs启发式传输调度方法，可以保障用户所需的端到端传输可靠性。文[20]针对基于TDMA机制的多跳IWSNs，提出了一种基于分段时隙分配的全新调度方法，优化了共享重传时隙的利用效率。文21]为IWSNs的单径路由和多径路由设计了专用调度和共享调度两种方法，在满足时延要求基础上，最大化端到端数据包传输的可靠性。文[22]为IWSNs设计了一种面向数据流可靠性和实时性的传输调度方法，该方法为每条链路都设置了重传时隙以实现所需的传输可靠性。

综上，现有的IWSNs端到端传输调度方法通常假定数据包的传输是相互独立的，因而难以满足AGV场景下顺序约束的要求。此外，目前AGV场景下的顺序传输调度研究只关注上行或下行的单向可靠传输，而本文首次研究基于WIA-FA的无线AGV系统端到端有序可靠传输方法，具有重要的理论和应用价值。

2.   基于WIA-FA的AGV通信系统

2.1   AGV通信系统架构

如图 1所示，本文考虑一个面向工厂车间应用的AGV物料运输系统，其通信系统基于WIA-FA网络^[18]，由1个网关(gateway，GW)、1个接入设备(access device，AD)以及N个现场设备(field device，FD)组成。GW配有3个天线，每个天线工作在不同的信道上，每个FD装配1个天线，可以在3个信道间切换。每个AGV都配备一个FD，FD负责将AGV的工作状态数据包(working status data packet，WSDP)发送给AD，同时接收由AD发送的控制数据包(control data packet，CDP)。WSDP包含AGV的当前速度、位置、电量等工作状态信息，CDP包含AGV的导航指令。FD和AD之间的数据传输采用WIA-FA网络。AD负责将FD发送的WSDP转发给GW，同时向FD转发GW下发的CDP。由于AGV活动范围仅限于工厂车间，且运行速度通常为1 m/s~2. 5 m/s^[2]，这种低移动性对于无线信道的影响可以忽略，所以本文不考虑AGV移动性对无线通信的影响。AD与GW之间的通信基于有线网络。GW基于收集的WSDP计算导航指令，实际应用中GW通常是与工作站相连，其计算能力可以支持在线的AGV路径规划，本文对具体的AGV路径规划方法不做讨论。

图  1  基于WIA-FA的无线AGV系统

Fig. 1.  A wireless AGV system based on WIA-FA

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本文考虑所有FD同步产生周期WSDP的情形，WSDP的产生周期被称为循环周期。本文记从FD产生一个WSDP数据到在循环周期内成功接收到CDP为一次端到端传输。由于有线网络的可靠性远高于无线部分，因此本文只关注WIA-FA网络的端到端(上行FD→AD和下行AD→FD)可靠传输方法，目的是最大化在每个循环周期内完成端到端传输的FD数量。

为便于理解，表 1列出了本文中重要符号定义。

表  1  符号定义

Tab. 1.  Symbol definition

符号	定义
GW	网关
AD	接入设备
FD	现场设备
N	现场设备个数
M	上行信道
WSDP	工作状态数据包
CDP	控制数据包
L	数据时段时隙总数目
A	上行数据时段时隙数目
B	下行数据时段时隙数目
p1	上行传输丢包率
p2	下行传输丢包率
R	传输可靠性
LRavg	平均丢包率

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2.2   CDP传输的严格顺序性要求

在复杂的车间环境中，数量众多的AGV若不能得到及时有效的导航指令，很容易发生堵塞或碰撞事故。所以，无线AGV系统必须能够同时保证CDP的合理性和顺序性。CDP的合理性由GW的路径规划算法来保障。需要强调的是，WSDP传输并不要求时间顺序性，GW只需要在运行规划算法前收集到各个AGV的状态信息即可。所以，本文只考虑CDP下行传输(AD→FD)的严格顺序性要求。

通过WIA-FA网络，AGV每个循环周期都需要接收到来自AD的CDP，并依赖CDP内的控制指令执行前进、转向或停止等待等操作。为保证AGV的工作效率，循环周期通常非常短，若某一循环周期内的CDP发生丢包，则未接收到CDP的AGV将停止等待，直至接收到新的控制指令后继续动作。由于前方AGV的动作会严重影响后方AGV的动作，所以GW发出的一系列CDP_i是严格有序的，同时AD要保证CDP_i要以原顺序依次到达目标AGV，进而整个AGV系统才能能按GW所规划的那样有序运行。

为保障CDP传输的顺序性，本文基于先入先出(first in first out，FIFO)原则，在AD中设置了FIFO缓存器。如图 2所示，CDP₁是当前FIFO缓存器队列中的第一个CDP。当AD成功收到目标FD₁的确认(ACKnowledgement，ACK)后，AD将FIFO缓存器队列的第一个控制包CDP₁删除，这样队列中下一个控制包CDP₂就成为了第一个CDP。AD将重复上述过程，直到FIFO缓存器队列为空。

图  2  FIFO缓存器

Fig. 2.  FIFO buffer

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考虑到CDP传输的严格顺序性要求，AGV通信系统完成一次端到端传输的工作过程为：

上行传输过程：

Step 1   FD_i通过WIA-FA网络将WSDP_i发送给AD。

Step 2    若存在传输失败的WSDP_i，AD生成否定确认(Negative ACKnowledgement，NACK)并将重传时隙分配结果向FD_i广播。传输失败的FD_i执行Step 1，重复上述过程直至所有FD均成功或者上行时段结束。

Step 3    AD将所有收集到的WSDP_i通过有线网络转发给GW。

下行传输过程：

Step 1    GW基于成功接收到WSDP_i，生成一系列有序CDP_i，并通过有线通信发送给AD。

Step 2    AD将接收到的CDP_i放入缓存器队列中。

Step 3    基于FIFO原则，AD通过WIA-FA网络将CDP_i发送给FD_i。

Step 4   FD_i在成功接收到CDP_i后，向AD回复ACK。AD在成功接收到ACK后，将CDP_i从缓存器队列中删除。重复步骤Step 3直至缓存队列为空或者下行时段结束。

2.3   超帧设计

WIA-FA采用集中调度方式，由GW生成并维护一个超帧，超帧由一组固定数量的连续时隙所构成，其长度设定为一个循环周期。如图 3所示，为支持第2. 2节提出的端到端有序传输过程，本文为基于WIA-FA的AGV通信系统设计了全新的超帧结构。新超帧包括以下时段：

图  3  面向无线AGV系统的WIA-FA超帧设计

Fig. 3.  The design of WIA-FA superframe for wireless AGV systems

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1) 信标时段：

用于AD广播信标帧。

2) 管理时段：

上行共享时隙：FD通过竞争接入机制向AD发送数据包，包括加入请求数据包、离开响应数据包、时间同步请求数据包等。

下行管理时隙：AD通过基于调度的机制向FD发送数据包，包括加入响应数据包、离开请求数据包、时间同步响应数据包等。

3) 数据时段：

(1) 上行数据时段：

上行时隙：FD_i向AD发送WSDP_i

NACK时隙：AD向FD发送NACK。

(2) 下行数据时段：

下行时隙：AD向FD_i发送CDP_i

ACK时隙：FD_i向AD发送ACK。

不同于现有的WIA-FA超帧结构，本文所提的超帧结构有两个创新点：

1) 将数据时段进一步分为上行数据时段和下行数据时段。上行数据时段设计不考虑WSDP传输的顺序性，以提升资源利用率为手段，支持上行数据的按需重传；下行数据时段设计考虑CDP传输的顺序性，以FIFO队列管理为手段，支持下行数据的按序传输。

2) 上行和下行数据时段的长度不是固定的，GW可以根据超帧长度、AGV节点数量、信道条件等网络参数来动态优化，以达到不同场景下最高的数据传输可靠性。

3.   问题模型

本节研究无线AGV系统的上行和下行传输调度问题模型。设数据时段的总时隙数为L，分配给上行和下行数据时段的时隙数目分别记为A和B，于是有L=A+B。记上行FD→AD传输和下行AD→FD传输的丢包率分别为p₁和p₂。记上行数据时段内成功传输的FD个数为N₁，下行数据时段内接收成功的FD个数记为N₂，显然N₂≤N₁≤N。本文的传输可靠性R定义为在每个循环周期(或长度为L个时隙的数据时段)内完成端到端传输的FD比例，即

问题描述(问题Q)：已知三元组 < N，L，(p₁，p₂)>，设计一种时隙分配方法，分配A个上行数据时段时隙和B下行数据时段时隙给FD和AD，在满足CDP传输顺序性要求的基础上，最大化传输可靠性R。

4.   SSER设计

记最大传输可靠性R_max所对应的A值为A_opt，解决问题Q首先要确定A_opt，然后再解决AD和FD的时隙分配问题。为求解问题Q，本文设计了一种基于有序调度的端到端重传策略(Sequential Scheduling based End-to-end Retransmission，SSER)。

首先，在确定A_opt方面，SSER通过计算机仿真，根据其描述的传输方法，逐一测试可行的A。不同超帧长度、AGV节点数量、信道条件等参数下仿真得出的A_opt将被纳入经验值表格。本文将在4.3节用一个仿真算例说明A值对R的影响。

其次，在时隙分配方面，SSER基于自动重传的原则，按需地为FD和AD分配时隙，具体算法设计在第4. 1节和第4. 2节中给出。

4.1   上行数据时段的时隙分配

根据图 1所示的AGV通信系统架构，GW只有成功收到来自FD_i的WSDP_i后，才能生成针对FD_i的CDP_i，因此在端到端传输中要尽可能先保障WSDP_i的可靠传输。

WSDP的传输无顺序约束，为扩展通信资源，GW同时利用3个天线并行接收数据。如图 3(b)所示，SSER在首轮传输为N个FD都分配一个资源块(即时隙和信道的组合)。若首轮传输中所有WSDP都传输成功，FD保持监听状态，AD进入空闲状态，直到上行数据时段结束。若WSDP_i存在丢包，AD根据失败的FD_i生成NACK，NACK中包含了上一轮传输失败的FD_i的地址和接下来重传所用的资源块。AD向FD广播NACK。成功收到NACK的FD_i若发现NACK中包含其地址，则该FD_i在NACK预留的重传资源块中重传WSDP_i。SSER将根据上行数据时段剩余时隙数量采取不同的重传策略：

若上行数据时段剩余资源块数量大于等于传输失败的FD数量，GW将为传输失败的每个FD分配一个资源块用于数据重传。

若上行数据时段剩余资源块数量小于传输失败的FD数量，GW将剩余资源块随机分配给失败的FD。

FD的状态机如图 4所示。在超帧的上行数据时段开始后，FD_i在被分配到的首轮传输资源块向AD发送WSDP_i。完成首轮传输后，FD_i将监听信道，只有当接收到AD发送的NACK时才进一步动作，否则将一直处于监听状态。接收到NACK的FD_i立即解析NACK，若NACK中包含FD_i的地址，则FD_i在分配的重传资源块中重传WSDP_i；若NACK中不包含FD_i的地址，则说明WSDP_i传输成功，FD_i转入空闲状态。在上行数据时段终止时，仍未被成功传输的WSDP将会被丢弃，视为丢包。

图  4  FDs的状态机

Fig. 4.  State machines of FDs

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AD的状态机如图 5所示。在超帧的上行数据时段开始后，AD开始监听信道并接收FD的首轮传输。若首轮WSDP存在丢包，AD生成NACK并向FD广播，随后继续监听无线信道，接收失败的FD重传。若首轮WSDP不存在丢包，AD将转入空闲状态，直到下行数据时段开始。

图  5  AD的状态机

Fig. 5.  State machine of the AD

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4.2   下行数据时段的时隙分配

由于CDP的传输需要满足顺序约束，所以GW不能在同一个时隙向多个AGV发送CDP。另外，由于仅装配1个天线，每个AGV不能在同一个时隙接收多个数据包，所以下行数据的传输只能使用单信道。

如图 3(c)所示，SSER采用按序方式为AD和FD分配下行时隙和ACK时隙，并确保在成功传输CDP_i后再开始传输CDP_i+1，以满足CDP_i传输的顺序性要求。

下行传输(AD→FD_i)成功需要CDP_i和其对应的ACK全部传输成功。记传输CDP_i和其对应的ACK的两个时隙为一个时隙对。下行数据时段开始后，AD按照缓存器队列中的顺序向FD_i发送CDP_i，成功接收到CDP_i的FD_i会立即在下一时隙向AD回复ACK。只有AD成功接收到ACK后，才传输CDP_i+1，否则将重传CDP_i。因此，每个下行传输(AD→FD_i)的成功可能占用一个或多个时隙对。在下行数据时段终止时，仍未成功传输的CDP_i将会被丢弃，视为丢包。

4.3   说明性示例

本节利用计算机仿真算例说明A值对R的影响。仿真参数为数据时段长度L、FD的数量N、信道条件(p₁，p₂)。具体的参数值设置如下：L在200，250和300中取值，N=64，(p₁，p₂)=(0. 3，0. 3)。

根据4. 1节和4. 2节的描述，对于一个包含N个FD的AGV通信系统来说，上行传输至少需要N/M个时隙(首轮传输所需时隙)，下行传输至少需要2N个时隙(每个FD分配到一个时隙对)，其中$|x|$表示向上取整函数。因此为了保障各节点传输的公平性，A的可行取值范围应在$|N / M, L-2 N|$区间内。根据本节的参数值，L=200时A的可行范围是[22, 72]，L=250时A的可行范围[22, 122]，L=300时A的可行范围是[22, 172]。

仿真结果如图 6所示，可以看出：

图  6  A值对R的影响

Fig. 6.  Impact of A on R

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1) 随着A的变化，不同L对应的所有曲线都呈现出先上升而后下降的趋势。

2) 在A较小时，用于传输WSDP的时隙不足，WSDP的丢包是影响R的主要因素；随着A的增大，分配给上行传输的时隙资源更加丰富，WSDP的丢包降低，进而提升了R。

3) 随着A的进一步增大，通过增加时隙减少WSDP丢包的效果并不明显，但是却导致了下行数据时段时隙的不足，进而CDP丢包数上升。此时，CDP丢包对R的影响起主导作用，R逐渐下降。

4) 每条曲线都存在着最高点，其纵坐标Y对应最大可靠性R_max，其横坐标X对应A_opt。

5.   性能评估

5.1   仿真设置

本节使用Matlab仿真评估SSER的性能。仿真参数同4. 3节，其中L在[150,500]范围内变化，N的取值为16、32、48和64，并设置以下3个场景代表不同的信道条件：

场景1：p₁=p₂=0. 1，此时信道条件良好。

场景2：p₁=p₂=0. 2，此时信道条件中等。

场景3：p₁=p₂=0. 3，此时信道条件恶劣。

在不同的仿真参数设置下，对WIA-FA网络进行时长为10⁵次超帧的仿真。根据式(1)可知，R为一个超帧内传输成功的FD数目和所有FD数目的比值。相应地，网络丢包率即为1-R。进而，对10⁵个超帧的丢包率取平均值得到LR_avg。

5.2   对比传输调度策略

以下给出3种与SSER对比的传输调度策略。

BASIC：上下行时隙平均分配给FD和AD。

DELTA：上下行时隙按照DELTA算法^[18]分配。

ALPHA：如图 7所示，ALPHA上行传输按照优先级分配时隙，前r个FD将分配到t₀+1个连续时隙，后N-r个FD将分配到t₀个连续时隙，各FD_i在所分配到的时隙中重复传输WSDP_i。其中r=(A×M)modN，$\left|t_0=(A \times M) / N\right|$，$|x|$表示向下取整函数。下行传输与SSER相同。

图  7  ALPHA的超帧结构

Fig. 7.  Superframe architecture for ALPHA

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5.3   性能比较

为了使比较更清晰，下文采用对数坐标系绘图。图 8、图 9和图 10给出了SSER、ALPHA、DELTA、BASIC四种策略关于LR_avg的性能比较。

图  8  不同L值下的LR_avg比较

Fig. 8.  Comparison on LR_avg for different values of L

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图  9  不同N值下的LR_avg比较

Fig. 9.  Comparison on LR_avg for different values of N

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图  10  不同信道条件下的LR_avg比较

Fig. 10.  Comparison of LR_avg in different channel conditions

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1) 变化L值：N=64。

从图 8中可以看出：

在相同场景和相同L下，SSER较其他3种策略拥有更低的LR_avg。这是由于SSER未采用固定的上行和下行数据时段长度，因而能根据不同网络参数，动态调整分配给上行传输和下行传输的时隙数目，实现了上下行数据时段长度的动态优化。

与其他3种策略相比，SSER以更少的重传时隙实现了相同的LR_avg。这是因为SSER采用按需方式分配重传时隙，可以根据上一轮的数据包丢包情况确定当前重传轮应当传输的数据包，从而规避了BASIC、ALPHA等采用预留时隙的传输策略对时隙资源的浪费，更加有效地利用了通信资源。

1) 变化N值：考虑3个场景，L=230。

从图 9中可以看出：

(1) 各场景下，由于有限时隙不能满足大量FD的高可靠传输，4种策略的LR_avg均随着N增加而增大。

(2) 各场景下，在N较小而时隙资源较为丰富时，SSER和ALPHA的LR_avg等于0，两种策略效果相同。但是，当N增大使得时隙资源紧张时，SSER较其他策略的优势更加明显。

(3) 随着场景的变化，当信道条件变差时，所有策略的LR_avg都会升高，但是SSER始终优于其他策略。这种优势在信道条件良好时更加突出。这是由于当信道条件良好时，信道条件不是LR_avg的决定性因素，因而能更多地反映不同时隙分配策略的性能差异。

2) 变化信道条件：N=64，L分别设置为200、300和400。

从图 10中可以看出：

(1) 当无线信道质量变差时，各策略的LR_avg都会增加，但SSER的LR_avg在所有情况下都低于或等于其他3种策略。

(2) 当信道质量从优到劣变化时，增加L可以减缓LR_avg的增大。

(3) 在信道条件较好时，SSER和ALPHA的LR_avg比较接近。例如，在L=400时的场景1中，SSER和ALPHA的LR_avg均等于0。但是，当信道条件变差时，SSER和ALPHA的LR_avg均增大，尽管如此，SSER的LR_avg明显低于其他策略。

6.   结论

本文研究了基于WIA-FA的无线AGV系统有序可靠重传方法。首先，给出了基于WIA-FA的AGV通信系统架构和数据传输过程，并设计了一种全新的超帧结构。该超帧结构满足CDP传输的严格顺序性要求。进而，基于新超帧结构，本文提出了一种基于有序调度的端到端重传策略SSER，实现了上行数据的按需传输和下行数据的按序传输，并支持上行和下行数据时段长度的动态优化。仿真结果表明，在不同超帧长度、节点数量和信道条件等网络参数设置下，SSER在传输可靠性方面均优于其他策略。SSER的策略建模与优化将是本文的下一步工作。