WIA-PA工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)多信道MAC機(jī)制研究.pdf

1、目前，在信息技術(shù)的推動(dòng)下，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備得到升級(jí)，已經(jīng)逐漸實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。在控制系統(tǒng)中，由這些現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備組成的控制網(wǎng)絡(luò)是核心，而控制網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的帶動(dòng)下，逐漸向工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，并取得了較多的成果，如SP100、Wireless Hart等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在傳統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)上得到繼承和發(fā)展，它不僅繼承了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低成本、泛在感知、低功耗和易維護(hù)等特性，還在此基礎(chǔ)上增加了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)通信和抗干擾特點(diǎn)，它在工業(yè)過(guò)程自動(dòng)

2、化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和流程控制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
　　 WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation)主要由中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、重慶郵電大學(xué)、西南大學(xué)等10余家單位，在國(guó)家863重點(diǎn)課題支持下共同研究開發(fā)的。WIA-PA是應(yīng)用于過(guò)程自動(dòng)化的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。它把無(wú)線通信技術(shù)引入工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域，其網(wǎng)絡(luò)通信具有實(shí)時(shí)通信、高可靠、低能耗等

3、特性。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)采用了網(wǎng)狀和星型雙層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)資源采取了集中式和分布式相結(jié)合的管理方式，具有良好的性能。
　　 MAC協(xié)議處于傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能有較大的影響，是保證無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。MAC協(xié)議決定了各通信鏈路如何使用無(wú)線信道，它為傳感器節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸分配有限的通信資源。傳統(tǒng)的單信道MAC協(xié)議在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)存在較大的數(shù)據(jù)沖突，多信道MAC協(xié)議在充分利用信道資源的基礎(chǔ)上

4、，能夠增大網(wǎng)絡(luò)吞吐量，減小時(shí)延。目前并沒(méi)有針對(duì)WIA-PA網(wǎng)絡(luò)提出有效的多信道MAC機(jī)制，而現(xiàn)有的多信道MAC機(jī)制不能直接應(yīng)用于WIA-PA網(wǎng)絡(luò)。本文在參與WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的研究工作基礎(chǔ)上，針對(duì)該網(wǎng)絡(luò)的特性和工業(yè)控制的要求，結(jié)合現(xiàn)有的媒質(zhì)訪問(wèn)控制機(jī)制，提出了一種適合WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的多信道MAC機(jī)制。
　　 本文在分析工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展背景和課題研究意義的基礎(chǔ)上，首先對(duì)WIA-PA工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、技術(shù)特點(diǎn)、資源管理、關(guān)

5、鍵技術(shù)等方面進(jìn)行了概述。其次，本文還對(duì)并對(duì)媒質(zhì)訪問(wèn)控制原理進(jìn)行闡述，分析了典型的單信道的MAC協(xié)議以及現(xiàn)有的多信道MAC協(xié)議特點(diǎn)，指出其應(yīng)用在WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中存在的問(wèn)題。最后，根據(jù)WIA-PA網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，本文提出了一種高性能的多信道MAC機(jī)制，該機(jī)制主要包括多信道MAC機(jī)制信道分配算法設(shè)計(jì)和多信道MAC通信設(shè)計(jì)。在信道分配上，本文采用了動(dòng)態(tài)、靜態(tài)相結(jié)合的信道分配算法，提高信道分配效率，減少由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的干擾給網(wǎng)絡(luò)性能帶來(lái)的影響。在

6、簇間通信設(shè)計(jì)中采用虛擬鏈路，并結(jié)合Multi-Radio機(jī)制，有效地降低了SINK節(jié)點(diǎn)高數(shù)據(jù)傳輸造成的沖突;在簇內(nèi)通信階段，采用基于輪詢的通信機(jī)制，有效降低簇首信道切換頻率，減小網(wǎng)絡(luò)開銷和時(shí)延。
　　 最后，通過(guò)NS2網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，對(duì)本文提出的多信道MAC協(xié)議從網(wǎng)絡(luò)吞吐量、接包速率和時(shí)延上與傳統(tǒng)的單信道MAC協(xié)議進(jìn)行比較，仿真結(jié)果表明，本文提出的多信道MAC機(jī)制在提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、減低時(shí)延、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)可靠性和實(shí)時(shí)性等方面有著較好的