面向數(shù)字制造的無線網絡接入公平及服務質量優(yōu)化研究.pdf

1、IEEE802.11無線網絡技術作為一種面向數(shù)字制造的網絡接入技術，具有低成本、高可靠、易維護、高靈活、易部署等優(yōu)勢，成為二十一世紀各國科技研究和發(fā)展的重點領域。網絡接入位于數(shù)字制造架構體系的最底層，為數(shù)字制造系統(tǒng)有效獲取制造資源信息，實現(xiàn)數(shù)字制造資源管理和服務調用的基礎，也是數(shù)字制造活動中資源信息交互的前提。因此，網絡接入技術優(yōu)化對提升數(shù)字制造系統(tǒng)的性能具有重要意義。本文對面向數(shù)字制造的無線網絡接入技術相關理論和關鍵技術進行了研究，在

2、深入分析IEEE802.11協(xié)議性能的基礎上，針對上下行流不平衡、信道接入不公平問題和缺乏區(qū)分服務功能等問題，進行深入研究，一一提出解決方案，從而為基于無線網絡的數(shù)字制造系統(tǒng)整體性能提升奠定了理論基礎。本文的主要研究內容如下：
　　(1)基于數(shù)字制造系統(tǒng)中網絡接入技術存在的問題，提出優(yōu)化目標和解決途徑。
　　公平和網絡利用率之間的制約關系普遍存在于各種資源分配問題中，通過分析來尋求這兩種優(yōu)化目標的異同之處是解決上述矛盾的關鍵

3、所在。本文利用這種制約關系來研究在資源優(yōu)化公平配置條件下，提高網絡利用率。在時間公平和流量均衡等約束條件下，以網絡利用率、服務質量和吞吐量等性能為協(xié)同優(yōu)化目標，設計出能夠依賴應用要求自適應調節(jié)的優(yōu)化機制及其實現(xiàn)算法，適合無線傳感網絡自組織、可靠性高、抗干擾性強、高移動性、保密性好等特性，并通過嚴格理論分析和實驗的手段評價和比較所設計機制與算法的性能。
　　(2)數(shù)字制造系統(tǒng)中網絡接入存在的上下行流不平衡問題優(yōu)化研究
　　IE

4、EE802.11 MAC協(xié)議工作在基礎結構模式下，當無線網絡中分別存在m條下行流和n條上行流，則任何一條上行流的吞吐量是任意一條下行流的m倍，故網絡中存在嚴重的不公平性問題。對該問題展開深入的分析和研究，提出了基于吞吐量均衡的上下行帶寬公平分配算法(FBAUD)，該算法根據網絡狀況，通過動態(tài)優(yōu)化相關網絡參數(shù)，使任一條下行流的吞吐量與上行流吞吐量相同，實現(xiàn)無線信道的公平合理分配。通過理論分析和實驗顯示，該算法能夠有效解決上下行流不平衡產生

5、的不公平性問題，實現(xiàn)網絡系統(tǒng)公平，且提高了網絡系統(tǒng)吞吐量性能。該算法在實際網絡中使用時，僅需在中心節(jié)點實施，省去了對諸多客戶端一一配置的工作，節(jié)省了工作量。
　　(3)數(shù)字制造系統(tǒng)中網絡接入存在的信道公平性問題優(yōu)化研究
　　由于IEEE802.11 CSMA/CA工作機制，當某一節(jié)點正在發(fā)送數(shù)據時，其鄰近節(jié)點在該節(jié)點發(fā)送數(shù)據的過程中不能發(fā)送數(shù)據，產生隱藏節(jié)點問題，導致數(shù)據碰撞增加，網絡吞吐量下降，嚴重降低了網絡傳輸效率。針對

6、該問題，對多速率IEEE8020.11MAC層公平性問題進行深入分析和研究，并提出了基于信道接入概率公平優(yōu)化算法(FOPCA)，根據網絡狀況，通過動態(tài)優(yōu)化時隙，使各節(jié)點的吞吐量相同，實現(xiàn)信道資源的公平合理分配。理論分析和實驗顯示，F(xiàn)OPCA能夠有效地解決隱藏節(jié)點產生的不公平性問題，極大地改善了網絡公平性能，同時提高了系統(tǒng)吞吐量。
　　(4)數(shù)字制造中網絡接入的服務質量研究
　　服務質量(QoS)是面向數(shù)字制造系統(tǒng)中網絡接入的

7、一個關鍵問題。而 IEEE802.11 MAC層缺乏QoS保障，而目前IEEE802.11的區(qū)分服務研究大都基于單速率，極少考慮多速率情況，針對該情況，首先，建立了多速率下的IEEE802.11協(xié)議模型；其次，提出了實時自適應優(yōu)化控制的QoS區(qū)分服務策略(QRAOC)，根據節(jié)點的優(yōu)先級情況，該策略通過偵聽網絡信息，實時自適應優(yōu)化相關協(xié)議參數(shù)，實現(xiàn)吞吐量區(qū)分的效果。通過理論分析與多場景實驗表明，該策略能夠有效地實現(xiàn)多速率情況下吞吐量的區(qū)分

8、功能，解決了不同優(yōu)先級用戶對QoS的不同需求，達到了系統(tǒng)的公平性最優(yōu)，提高了系統(tǒng)吞吐量。
　　(5)本文取得的成果應用研究
　　分析了某工廠整車生產線網絡接入狀況，將本文提出的無線網絡接入性能優(yōu)化研究成果在該工廠進行了應用研究，顯示本文的研究成果能夠有效解決數(shù)字制造網絡接入中存在的影響生產效率的問題：汽車生產車間網絡接入上下行流不平衡問題、信道公平問題和QoS問題，與優(yōu)化之前相比較，顯著改善網絡性能，保障了生產的順利展開和提