基于EDL-CHS算法的無線HART網(wǎng)絡拓撲控制研究.pdf

1、工業(yè)無線網(wǎng)絡自從20世紀誕生以來便得到業(yè)界的廣泛重視。隨著計算機技術、通信技術的發(fā)展,工業(yè)無線網(wǎng)絡越來越多的應用在工業(yè)自動化控制領域,并在人們生活工作中發(fā)揮著重要的作用。目前,工業(yè)無線網(wǎng)絡主要應用在工業(yè)生產(chǎn),環(huán)境監(jiān)測,以及軍用領域等。
　　 拓撲控制是工業(yè)無線網(wǎng)絡研究的重要部分。拓撲控制以延長網(wǎng)絡的生存周期為主要目標,同時,兼顧通信干擾,網(wǎng)絡延遲,均衡負載,傳輸可靠性等功能。工業(yè)無線網(wǎng)絡是應用型網(wǎng)絡,采用的電池供電模式,因此節(jié)點

2、能量相對有限。而工業(yè)無線網(wǎng)絡對節(jié)點的能耗要求較為嚴格,因此對工業(yè)無線網(wǎng)絡進行拓撲控制,有利于延長網(wǎng)絡的生存時間,減少網(wǎng)絡通信延遲和丟包率,均衡網(wǎng)絡負載等。本文著重研究分析了以下內容:
　　 1.介紹了工業(yè)無線網(wǎng)絡三大標準:無線HART、SP100、WIA-PA。對它們的網(wǎng)絡結構,協(xié)議基礎,以及通信模式進行了分析和比較。SP100和WIA-PA網(wǎng)絡結構都采用的mesh+star的兩層結構,不利于對網(wǎng)絡進行拓撲控制。而無線HART采

3、用的mesh單一結構,網(wǎng)絡節(jié)點具有大規(guī)模,自組織的特點,因此,對無線HART網(wǎng)絡進行拓撲控制,能夠優(yōu)化網(wǎng)絡的能量,數(shù)據(jù)傳輸率,網(wǎng)絡生存周期。在工業(yè)無線網(wǎng)絡的基礎上,本文所指代的應用網(wǎng)絡是無線HART網(wǎng)絡。
　　 2.本文第二章,介紹了拓撲控制的設計需求,分析了典型的拓撲控制算法。拓撲控制主要目標是保證網(wǎng)絡的連通性和覆蓋性,同時,延長網(wǎng)絡的生存周期,保障節(jié)點的有效性。拓撲控制的無線網(wǎng)絡一般有平面型網(wǎng)絡、層次型網(wǎng)絡和混合型網(wǎng)絡三種。

4、普通情況下,我們采用的網(wǎng)絡都是平面型網(wǎng)絡。在平面網(wǎng)絡的基礎上,目前拓撲控制分為三個重要的研究方向:功率控制、層次型拓撲控制、以及啟發(fā)機制算法。本章在介紹拓撲控制的基本理論知識和典型算法的基礎上,重點介紹了LEACH算法的工作原理和算法流程。
　　 3.目前,針對工業(yè)無線網(wǎng)絡的拓撲控制研究主要集中在功率控制方面,相應的在層次型拓撲控制方面的研究,則相對較少。本文分析了LEACH算法在工業(yè)應用中存在的不足,并針對LEACH算法在無線

5、HART網(wǎng)絡中應用的不足進行了相應的改進,提出了基于節(jié)點能量、密度和距離的EDL-CHS(Energy,Density and Length-Cluster Head Select)算法。EDL-CHS算法在LEACH的基礎上,考慮到工業(yè)無線網(wǎng)絡節(jié)點能量的有限性,以及網(wǎng)絡中節(jié)點的密度和節(jié)點距離基站的距離對網(wǎng)絡拓撲結構的影響,提出了算法的基本思想,并對算法的網(wǎng)絡模型,能量模型進行了相關的分析了介紹。EDL-CHS算法在簇首選舉時,采用了簇

6、首計算公式T(i)對簇首當選的概率進行了計算,對網(wǎng)絡進行分簇,使得節(jié)點能量多的,周圍密度大的有更大的幾率當選節(jié)點。簇的建立過程中對簇的規(guī)模大小進行控制,使得簇的大小與基站的距離成正比。在簇的通信過程中,本文設計了輔助簇首進行簇內通信,降低了簇首的負載壓力,減少了簇首的能量消耗,使得簇首能夠生存更長時間,對網(wǎng)絡拓撲結構的穩(wěn)定具有重要作用。簇間通信中,本文采用了中轉簇首為簇首與基站進行數(shù)據(jù)轉發(fā)。由于網(wǎng)絡中某些簇與基站的距離相對較遠,如果網(wǎng)絡

7、實現(xiàn)一跳通信的方式,那么在于基站的通信過程中,簇首將消耗大量的能量,可能導致簇首節(jié)點的死亡。簇首能量的急速消耗,不利于網(wǎng)絡能量的均衡。簇首的死亡,也不利于網(wǎng)絡覆蓋下的要求。
　　 4.采用NS2仿真平臺對EDL-CHS算法進行了NS仿真,并且進行了實驗對比。實驗設定了網(wǎng)絡生存周期、節(jié)點能量和數(shù)據(jù)傳輸率三個實驗指標進行仿真。實驗結果表明,在節(jié)點生存時間上,改進后的EDL-CHS算法比LEACH算法具有更加優(yōu)秀的生存能力,節(jié)點生存時

8、間提高了25%,從而使得網(wǎng)絡具有更長的生存周期。在網(wǎng)絡吞吐率上,EDL-CHS算法比LEACH算法提高了19.1%,使得網(wǎng)絡具有更好的通信效率,保證了網(wǎng)絡的通信質量。能量是工業(yè)無線網(wǎng)絡生存的基礎,LEACH算法的仿真實驗能量消耗達到0.51J/s,EDL-CHS算法則具有更低的能量消耗0.44J/s,相對于LEACH算法,性能提高了13%。仿真實驗表明,EDL-CHS算法具有更加優(yōu)越的實驗性能,達到了論文的預期目標。
　　 本文