WirelessHART網絡調度及管理方案的研究.pdf

1、工業(yè)無線技術是一種21世紀新興的、面向設備間短程、低速率信息交互的無線通信技術,適合在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中使用,具有抗干擾能力強、超低能耗、實時通信等技術特征,是對現(xiàn)有無線技術在工業(yè)應用方向上的功能擴展和技術創(chuàng)新,是降低工業(yè)測控系統(tǒng)成本并提高工業(yè)測控系統(tǒng)應用范圍的關鍵性技術。WirelessHART由HART基金會于2007年底推出,是第一個應用于工業(yè)自動化和控制系統(tǒng)的開放式無線Mesh網絡通信協(xié)議。WirelessHART采用集中控制

2、式網絡結構,使用網絡管理器對網絡進行管理,使得網絡同時擁有簡單、可靠和安全三大優(yōu)點。相對于無線自組網而言,擁有網絡管理器的集中控制式網絡能夠全局掌握網絡信息,因此更容易獲得更加優(yōu)化的網絡路由,也更容易對網絡通信資源進行集中調度,并且在超幀調度中網絡通信的實時性可以得到很好的滿足。此外,集中控制的網絡有利于網絡沖突的避免。最后,網絡管理器的存在可以對網絡進行在線管理和維護,實現(xiàn)節(jié)點的自動加入和離開。
　　 在集中控制式網絡中,網絡

3、管理方案是網絡能否高效運行的關鍵。本文主要研究WirelessHART的網絡調度及管理方案。首先,本文研究了WirelessHART網絡的路由算法,在對網絡路由進行深入研究的基礎上,針對Graph、Source、Broadcast等三種路由的不同特點,分別提出不同的實現(xiàn)算法。本文路由算法均以BFS算法為基礎以保證所得路由具有路徑最短的特點,并實現(xiàn)了WirelessHART特有的Graph路由跳間冗余特性。特別的,本文論證了Broadca

4、st路由存在的必要并提出了其實現(xiàn)算法。其次,本文在認真分析WirelessHART網絡通信資源調度機制及魯棒性需求的基礎上,提出了基于路由的超幀調度方案及實現(xiàn)算法。本文提出的結合路由的超幀調度思想,是協(xié)議棧設計中的跨層設計思想在網絡管理層面的體現(xiàn),具有使通信超幀和路由很好的結合的特點,從而能夠在很大程度上提高網絡魯棒性、降低網絡通信時延。此外,本文超幀算法能夠很好的避免網絡中可能存在的時隙沖突和信道干擾。第三,本文深入研究了從網絡建立至

5、網絡撤銷的整個網絡生命過程中所需的各個網絡維護任務,并提出了相應的解決方案。其中,對網絡初始化和節(jié)點的自動加入及離開等問題進行了詳細的研究,提出了合理并且簡單易行的節(jié)點加入及離開方案。對網絡中存在的拓撲結構監(jiān)控、密鑰更新、網絡管理超幀的設計等其他管理及維護任務,在逐個提出解決方案之后,將其以合理的順序安排在網絡管理超幀中,通過通信時隙的共用降低了網絡維護任務對通信資源的消耗,通過合理的順序安排減小了各任務的執(zhí)行時延。最后,本文以一個簡單