基于自適應(yīng)Quorum系統(tǒng)的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)能算法的研究

【摘要】：隨著無線網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展,在自動(dòng)化領(lǐng)域,人們?cè)絹碓綗嶂杂趯?duì)工業(yè)無線技術(shù)的研究。與此同時(shí)國內(nèi)外也正同步研究、開發(fā)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和與其配套的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。其中以美國、德國企業(yè)為代表的相關(guān)機(jī)構(gòu)已經(jīng)投入巨大精力和資源開展相關(guān)的技術(shù)研究。現(xiàn)在就有的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)就有美國無線儀表系統(tǒng)與自動(dòng)化協(xié)會(huì)ISA推出的SP100.11a標(biāo)準(zhǔn),以及HART基金會(huì)所推出的Wireless HART標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi),由中科院沈陽自動(dòng)化研究所、西南大學(xué)等10余家單位為代表的中國工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟經(jīng)過數(shù)年的努力,最終推出適用于過程自動(dòng)化的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA通信協(xié)議,并于2008年10月31日獲得IEC的認(rèn)可,被列入國際標(biāo)準(zhǔn)制定項(xiàng)目。 工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA-PA作為一種新興的技術(shù),擁有高實(shí)時(shí)性、高可靠性、低功耗與低成本的特點(diǎn),它采用星型和網(wǎng)狀(Mesh)結(jié)合的雙層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在WIA-PA技術(shù)協(xié)議棧層次結(jié)構(gòu)中,采用了TDMA等一系列節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能耗的設(shè)計(jì),然而,在WIA網(wǎng)絡(luò)中一般網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是由電池進(jìn)行供電,每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都靠最初的能量儲(chǔ)備來維持,因此,這樣一種網(wǎng)絡(luò)同時(shí)也意味著對(duì)于每一個(gè)節(jié)點(diǎn)來說,哪怕是其中一兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量耗盡也勢(shì)必影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能(如路由選擇),而一般情況下,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量不能從外界進(jìn)行補(bǔ)充,因此,在不影響正常通信的前提下,節(jié)點(diǎn)能量的節(jié)省是非常必要的。 本文作者在參與WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的研發(fā)工作中,對(duì)WIA-PA網(wǎng)絡(luò)能量消耗問題進(jìn)行深入研究,發(fā)現(xiàn)一般節(jié)能模式中所采用的全局的時(shí)間調(diào)度機(jī)制會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量造成明顯浪費(fèi),從而影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。結(jié)合WIA-PA工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)能耗需求,在IEEE802.11的節(jié)能模式的基礎(chǔ)下,提出一種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布式睡眠喚醒機(jī)制,即網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的激活時(shí)隙成一種特定分布,保證互相之間時(shí)隙有交疊,且激活時(shí)隙占總時(shí)間的比例盡量小,這樣就可以再不影響網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的正常通信的前提下,減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗,最終延長網(wǎng)絡(luò)生存周期和提高網(wǎng)絡(luò)的能量效率。 本文首先分析了當(dāng)前研究的IEEE802.11的節(jié)能機(jī)制相關(guān)特點(diǎn),并結(jié)合WIA網(wǎng)絡(luò)的自身特點(diǎn),指出IEEE802.11中的睡眠喚醒機(jī)制所存在的不足：它是一種全局的時(shí)間調(diào)度,不管節(jié)點(diǎn)是否處于活躍狀態(tài),都要通過發(fā)送信標(biāo)幀來申請(qǐng)發(fā)送數(shù)據(jù)和監(jiān)聽是否有要接收的數(shù)據(jù),從節(jié)點(diǎn)能量消耗分配來看,發(fā)送信號(hào)所耗能量是最大的。針對(duì)這不足之處,作者在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的睡眠喚醒機(jī)制中采用一種基于Quorum時(shí)隙分布的QB算法,節(jié)點(diǎn)只有在處于激活狀態(tài)下才發(fā)送信標(biāo)幀,這樣通過減少信標(biāo)幀的發(fā)送來減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量的消耗；然后在此的基礎(chǔ)上提出一種通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)Quorum的階數(shù)的自適應(yīng)QB算法的來均衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗,進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)能量消耗,從而延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期；最后為驗(yàn)證本文提出的自適應(yīng)QB算法的性能,依據(jù)本文的仿真環(huán)境,與QB算法進(jìn)行性能對(duì)比,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析,通過仿真結(jié)果顯示了采用了自適應(yīng)QB算法后的WIA-PA網(wǎng)絡(luò)比采用QB算法的WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的生命周期延長了25%左右,而且網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)吞吐量沒有明顯下降。理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明,相對(duì)于采用QB算法的休眠機(jī)制而言,自適應(yīng)QB算法的休眠機(jī)制更加節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)能耗、更好的可擴(kuò)展性,從而驗(yàn)證了自適應(yīng)QB算法適用于WIA-PA的有效性。 【關(guān)鍵詞】：Quorum 自適應(yīng) IEEE 802.11 節(jié)能
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TP273
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 第1章 緒論9-15
• 1.1 工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展9-10
• 1.2 課題研究的目的及意義10-11
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-12
• 1.4 論文研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)12-15
• 1.4.1 研究內(nèi)容12-13
• 1.4.2 論文結(jié)構(gòu)13-15
• 第2章 WIA-PA技術(shù)概述15-22
• 2.1 WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)15-17
• 2.1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)15-17
• 2.1.2 協(xié)議體系17
• 2.2 WIA-PA技術(shù)特征17-20
• 2.3 WIA-PA網(wǎng)絡(luò)性能分析及能耗要求20-22
• 第3章 無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)能耗管理方法研究現(xiàn)狀分析22-32
• 3.1 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的節(jié)能22-23
• 3.2 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的節(jié)能23-26
• 3.2.1 功率控制(Power ControI)機(jī)制23-25
• 3.2.2 能量感知路由25-26
• 3.2.3 空閑時(shí)間能量保護(hù)26
• 3.3 移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)MAC層節(jié)能協(xié)議26-32
• 3.3.1 IEEE 802.1126-28
• 3.3.2 NPSM協(xié)議28-29
• 3.3.3 DAI協(xié)議29-30
• 3.3.4 PFAI協(xié)議30-32
• 第4章 WIA-PA能耗管理策略32-39
• 4.1 WIA網(wǎng)絡(luò)能耗32
• 4.2 QB算法32-35
• 4.2.1 Quorum系統(tǒng)33
• 4.2.2 QB算法的簡述33-35
• 4.2.3 QB算法應(yīng)用在WIA中的局限35
• 4.3 自適應(yīng)QB算法35-39
• 4.3.1 WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中的能耗模型35-36
• 4.3.2 自適應(yīng)QB算法實(shí)現(xiàn)36-37
• 4.3.3 自適應(yīng)QB算法的性能指標(biāo)37-39
• 第5章 仿真實(shí)驗(yàn)39-46
• 5.1 各種仿真平臺(tái)39-41
• 5.1.1 NS239
• 5.1.2 MATLAB39-40
• 5.1.3 OPNET40-41
• 5.1.4 其他仿真平臺(tái)41
• 5.2 WIA-PA節(jié)能算法仿真及驗(yàn)證41-46
• 5.2.1 自適應(yīng)QB算法仿真實(shí)現(xiàn)41-43
• 5.2.2 自適應(yīng)QB算法性能分析43-46
• 第6章 總結(jié)與展望46-47
• 6.1 總結(jié)46
• 6.2 展望46-47
• 參考文獻(xiàn)47-51
• 致謝51-53
• 攻讀碩士期間發(fā)表論文與參加項(xiàng)目53

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