無線HART多徑路由協(xié)議與仿真方法研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由部署在監(jiān)測區(qū)域的大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，傳感器節(jié)點(diǎn)能夠收集諸如溫度、濕度和壓力等信息，大量的傳感器節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作完成監(jiān)測任務(wù)。相對于有線網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)絡(luò)具有成本低、部署靈活和維護(hù)方便等諸多優(yōu)勢。近年來無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃發(fā)展并開始進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，以降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量。例如，在工業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器網(wǎng)絡(luò)可被用來對工業(yè)系統(tǒng)的健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，傳感器節(jié)點(diǎn)能夠收集包括振動(dòng)、壓力等組合數(shù)據(jù)，并通過傳感器網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)

2、關(guān)，在網(wǎng)關(guān)上經(jīng)過應(yīng)用軟件的分析處理后得到關(guān)于工業(yè)系統(tǒng)的相關(guān)信息，從而實(shí)現(xiàn)工程師或管理人員對相關(guān)數(shù)據(jù)隨時(shí)隨地的獲取。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)上的應(yīng)用范圍非常廣泛，包括工業(yè)機(jī)器人、實(shí)時(shí)控制、過程管理以及環(huán)境監(jiān)測等。
　　 在工業(yè)現(xiàn)場部署大量的具有精密傳感和控制功能的傳感器是一個(gè)非常有挑戰(zhàn)性的工作。首先，在工業(yè)上部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，必須要面臨復(fù)雜惡劣的工業(yè)電磁環(huán)境，工業(yè)環(huán)境中溫度、壓力、濕度具有時(shí)間和空間上的不可預(yù)測性，同時(shí)工業(yè)環(huán)境通常

3、部署著密集大型生產(chǎn)設(shè)備，會(huì)產(chǎn)生大量的不可預(yù)測的電磁干擾;其次，工業(yè)環(huán)境處于一個(gè)封閉的空間內(nèi)，無線電波在傳輸時(shí)會(huì)受到折射、反射和衍射的影響，對無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詭矸浅４蟮奶魬?zhàn)。綜合來看，工業(yè)環(huán)境中復(fù)雜的電磁環(huán)境使得無線鏈路的通信質(zhì)量存在時(shí)間和空間上的不可預(yù)測性。路由是傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問題，特別是工業(yè)環(huán)境中鏈路質(zhì)量的復(fù)雜多變，需要在通信時(shí)選擇那些質(zhì)量較好的鏈路，所以傳感器節(jié)點(diǎn)必須能夠評估鏈路質(zhì)量的變化和可靠性。本文首先根據(jù)物理特性對

4、工業(yè)環(huán)境進(jìn)行了分類，主要的依據(jù)是工業(yè)集群環(huán)境對無線信號(hào)的大規(guī)模衰落和多徑干擾的影響。使用一種專門用于室內(nèi)密閉環(huán)境的信道模型去描述工業(yè)無線信道，并通過現(xiàn)場測試得到了各個(gè)環(huán)境分類的信道數(shù)據(jù)。隨后在OPNET仿真平臺(tái)中搭建了工業(yè)環(huán)境的仿真環(huán)境。我們的目的是在各種工業(yè)環(huán)境中對目前較為常用的鏈路度量算法:最小跳路由、包接收率、ETX、WMEWMA進(jìn)行性能測試，希望通過測試去發(fā)現(xiàn)性能表現(xiàn)較好的鏈路度量算法。通過我們的測試發(fā)現(xiàn)ETX在復(fù)雜多變的工業(yè)環(huán)

5、境具有相對出色的性能，另外，在具備直線通信條件的環(huán)境中，最小跳路由也具有一定的實(shí)用性。據(jù)了解，本文是首次對鏈路質(zhì)量指標(biāo)在工業(yè)環(huán)境下的性能測試的研究工作。
　　 本文研究的第二個(gè)方面是無線HART路由協(xié)議。路由協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問題，無線HART路由層提出使用圖路由機(jī)制，然而無線HART標(biāo)準(zhǔn)目前只是綱領(lǐng)并沒有實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，無線HART技術(shù)是一項(xiàng)新興的技術(shù)，目前對其路由技術(shù)方面研究較少。針對無線HART的圖路由機(jī)制，本文開發(fā)了基

6、于鏈路質(zhì)量的無線HART子圖構(gòu)建的多徑路由協(xié)議(LBMGR)。多徑路由可均衡網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)載，提高報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的可靠性，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)能力，不同于傳統(tǒng)多徑路由協(xié)議中形成的端到端的多條路徑，LBMGR只保證逐跳冗余，從而使得當(dāng)前的路由失效時(shí)可以及時(shí)轉(zhuǎn)換到冗余的路由當(dāng)中去。LBMGR的基本思想是，將全網(wǎng)的拓?fù)淇醋魇且粋€(gè)連通圖，然后構(gòu)建節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)的最短路徑作為邊構(gòu)建子圖，LBMGR并不為每一個(gè)節(jié)點(diǎn)生成子圖，而是為BFS算法的最小生成樹的全部葉

7、子節(jié)點(diǎn)生成子圖，待葉子節(jié)點(diǎn)全部構(gòu)建子圖之后，所有的節(jié)點(diǎn)都將分配到相應(yīng)的子圖中。LBMGR采用逐跳多路徑，在選擇最短路徑時(shí)，選擇兩個(gè)質(zhì)量較好的節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)。文中詳細(xì)描述了圖路由的生成算法。引入了鏈路質(zhì)量度量思想來解決應(yīng)付工業(yè)環(huán)境下的鏈路質(zhì)量不可靠、鏈路不對稱等問題。鏈路質(zhì)量算法采用固定估計(jì)器與實(shí)時(shí)估計(jì)器相結(jié)合，即保證了對突發(fā)鏈路反應(yīng)的靈敏性，同時(shí)又具有開銷較小的優(yōu)勢。為應(yīng)對單點(diǎn)過熱現(xiàn)象，鏈路質(zhì)量估計(jì)器使用能耗均衡策略。在實(shí)驗(yàn)方面，本

8、文在OPNET平臺(tái)之下驗(yàn)證了本文提出的路由算法，實(shí)驗(yàn)證明本文的算法能夠有效提高路由可靠性、減少延遲和均衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗。
　　 無線HART自提出以來，作為一種國際上先進(jìn)的短程無線通信的標(biāo)準(zhǔn)，受到工業(yè)領(lǐng)域的廣泛歡迎。由于工業(yè)領(lǐng)域?qū)r(shí)間和可靠性等方面有著嚴(yán)格要求，無線HART協(xié)議采取了集中式的資源分配策略和基于TDMA機(jī)制的媒體介入?yún)f(xié)議(MAC)以獲得更好的性能。本文的第三個(gè)研究提出了一種無線HART的仿真方法，開發(fā)了一個(gè)基于OPN