工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中冗余機(jī)制的QoS研究.pdf

1、隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為繼現(xiàn)場(chǎng)總線之后自動(dòng)化領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以其靈活性強(qiáng)、擴(kuò)展性強(qiáng)、成本低和能耗低等特點(diǎn)，能有效降低工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)的投資成本和使用成本，大大擴(kuò)展了工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。在863重點(diǎn)項(xiàng)目支持下，由中科院、浙江大學(xué)、西南大學(xué)等國(guó)內(nèi)10余家單位共同研發(fā)的面向工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)--WIA-PA(Wireless Networks for IndustrialAutomati

2、on-Process Automation)已經(jīng)成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)文件之一。
　　 由于工業(yè)應(yīng)用環(huán)境的惡劣性和苛刻性，面向工業(yè)實(shí)時(shí)測(cè)控的WIA-PA網(wǎng)絡(luò)需要解決無(wú)線通信中的強(qiáng)實(shí)時(shí)性和高可靠性問(wèn)題，使得網(wǎng)絡(luò)的可靠性研究十分必要，因此如何提高WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的可靠性是WIA-PA研究開發(fā)中的一個(gè)重要課題。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)采用星型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的雙層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中路由和簇首等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承擔(dān)著網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)聚合、通信資源分配和設(shè)備管

3、理等重要工作，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)一旦失效，將導(dǎo)致關(guān)鍵數(shù)據(jù)的丟失，甚至導(dǎo)致局部網(wǎng)絡(luò)或者整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。由此可見，節(jié)點(diǎn)連續(xù)服務(wù)的能力至關(guān)重要，對(duì)WIA-PA關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)冗余機(jī)制的研究有著十分重要的意義。
　　 本文作者在參與國(guó)家863課題WIA-PA的研究過(guò)程中，深入分析了工業(yè)測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)對(duì)WIA-PA冗余機(jī)制服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)的要求，提出了冗余機(jī)制的QoS體系，并在此基礎(chǔ)上制定了滿足冗余機(jī)制Qos需求的心跳算法

4、。該算法針對(duì)工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)延遲和數(shù)據(jù)丟包問(wèn)題，提出了動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)估算和基于新鮮點(diǎn)序列的懷疑機(jī)制，保證了WIA-PA冗余機(jī)制的在無(wú)擾服務(wù)切換允許時(shí)間內(nèi)的有很高的檢測(cè)準(zhǔn)確率，解決了WIA-PA原有冗余機(jī)制中存在的誤檢率高、可靠性低的問(wèn)題。
　　 本文首先介紹了WIA-PA冗余機(jī)制的原理和架構(gòu)，分析了其中存在的問(wèn)題并指出了自適應(yīng)心跳算法(Adaptive Heartbeat Protocol，AHB)的不足，這些不足導(dǎo)致AHB無(wú)

5、法滿足工業(yè)測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。因此，作者研究了WIA-PA冗余機(jī)制的QoS機(jī)制，給出了QoS參數(shù)框架和度量參數(shù)，并構(gòu)建WIA-PA冗余機(jī)制的Qos需求。由于心跳算法是冗余機(jī)制的核心，本文基于概率網(wǎng)絡(luò)模型和隨機(jī)過(guò)程理論研究了滿足WIA-PA冗余機(jī)制QOS的心跳算法，提出了動(dòng)態(tài)心跳算法(Dynamic Heartbeat Algorithm，DHB)。DHB提出了根據(jù)最近n條心跳信息來(lái)動(dòng)態(tài)反應(yīng)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的方法來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)延遲的問(wèn)題，提出了基于新

6、鮮點(diǎn)序列的懷疑機(jī)制來(lái)解決數(shù)據(jù)的丟包問(wèn)題，經(jīng)過(guò)理論分析，DHB算法較好的滿足了冗余機(jī)制的QoS需求。
　　 本文最后進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，一致性仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明DHB算法實(shí)驗(yàn)結(jié)果是與QoS理論分析保持一致的，進(jìn)一步驗(yàn)證了DHB算法能夠滿足冗余機(jī)制的QoS需求；通過(guò)n值的仿真實(shí)驗(yàn)是要探索n的取值對(duì)冗余機(jī)制QoS最大檢測(cè)時(shí)間的影響，并選取適合于DHB算法的n的取值范圍；對(duì)比性仿真實(shí)驗(yàn)是對(duì)DHB和AHB在滿足相同檢測(cè)速度的限制下進(jìn)行的關(guān)于檢測(cè)