基于DRNG的WIA-PA網絡拓撲控制研究.pdf

1、無線傳感器網絡作為21世紀具有重大影響力的技術之一，成為自動化技術研究領域的研究熱點。工業(yè)無線傳感器網絡是在傳統無線傳感器網絡基礎上發(fā)展而來的，除了具備無線傳感器網絡中低能耗、低成本、實時性等特點外，還對工業(yè)現場的可靠性提出了很高的要求，以保證在工業(yè)控制現場中設備的數據采集和控制能夠符合工業(yè)生產的需求，完成對工業(yè)流程的自動化監(jiān)控和操作。
　　 面向工業(yè)過程自動化的工業(yè)無線網絡標準技術--WIA-PA(Wireless Netwo

2、rks forIndustrial Automation-Process Automation)是由中科院沈陽自動化研究所牽頭研發(fā)的具有我國自主知識產權的工業(yè)無線標準，并于2008年正式成為國際工業(yè)無線通信標準之一。針對工業(yè)現場中復雜多變的環(huán)境，WIA-PA標準提出了工業(yè)無線網絡通信的高可靠性、實時性、超低能耗等一系列具有挑戰(zhàn)性的研究課題。而作為工業(yè)控制現場來說，保證工業(yè)現場安全、可靠的運作是生產過程中最基礎、重要的工作之一，所以在使用

3、工業(yè)無線網絡替代傳統工控設施的過程中，必須能夠保證無線網絡傳輸的高可靠性。WIA-PA協議采用網狀(Mesh)網絡和星型(Star)網絡傳輸控制結構，實現了對工業(yè)無線網絡路由節(jié)點的分布式管理和對工業(yè)現場設備的集中式控制。通過星型網絡集中式管理可以降低工業(yè)現場數據傳輸和控制的復雜度；通過網狀網絡的高密度節(jié)點的布置可以提高網絡的可靠傳輸。但是對于網狀網絡來說，節(jié)點的密度過大也會造成網絡的拓撲結構過于復雜，反而增加了節(jié)點通信的干擾，影響了數據

4、傳輸的質量，減低了網絡的可靠性，影響了網絡傳輸性能。本文的研究重點就是針對網狀網絡的結構特點，優(yōu)化網狀網絡的拓撲結構，降低節(jié)點間通信干擾，提高網絡傳輸的可靠性。
　　 本文首先介紹了三種主要工業(yè)無線標準、傳統拓撲控制意義和方法，結合WIA-PA的網絡特點，選擇了基于鄰近圖的DRNG算法作為研究的對象。針對DRNG算法應用于WIA-PA網絡中存在發(fā)送節(jié)點快速死亡、鄰居節(jié)點質量不高的問題，本文提出了基于節(jié)點度(Node Degree

5、)、鏈路質量指示(Link Quality Indicator)和剩余能量(Residual energy)的算法--LR-DRNG(LQI&Residual energy DRNG)。LR-DRNG算法的思想是利用節(jié)點度調整發(fā)送節(jié)點功率，改進DRNG算法以最大功率發(fā)射廣播消息造成發(fā)送節(jié)點快速死亡的問題，降低節(jié)點的發(fā)射能耗；使用鏈路質量指示作為鏈路權重，改進DRNG算法中單純的采用歐氏距離作為鄰居節(jié)點選擇權重的問題，以提高節(jié)點傳輸可靠性

6、；利用剩余能量策略延長鄰居節(jié)點在網時間，延長整個網絡的生存時間；利用節(jié)點休眠策略減少節(jié)點間通信干擾，提高網絡的可靠性，彌補節(jié)點失效。通過LR-DRNG算法對WIA-PA網絡的拓撲控制，達到延長網絡生存周期和提高網絡傳輸可靠性的目標。
　　 本文通過對常用仿真工具的對比，使用NS2仿真平臺對DRNG和LR-DRNG算法的網絡平均丟包率、網絡平均時延、網絡吞吐量和網絡生存周期進行了對比驗證。仿真實驗結果表明，本文提出的改進算法降低了