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基于自适应Quorum系统的工业无线网络节能算法的研究

作　者: 任超
导　师: 刘枫
学　校: 西南大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: Quorum 自适应 IEEE 802.11 节能
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着无线网络的进一步发展,在自动化领域,人们越来越热衷于对工业无线技术的研究。与此同时国内外也正同步研究、开发应用于工业生产现场的相关网络技术和与其配套的通信协议标准。其中以美国、德国企业为代表的相关机构已经投入巨大精力和资源开展相关的技术研究。现在就有的通信协议标准就有美国无线仪表系统与自动化协会ISA推出的SP100.11a标准,以及HART基金会所推出的Wireless HART标准。国内,由中科院沈阳自动化研究所、西南大学等10余家单位为代表的中国工业无线网络联盟经过数年的努力,最终推出适用于过程自动化的工业无线网络WIA通信协议,并于2008年10月31日获得IEC的认可,被列入国际标准制定项目。工业无线网络WIA-PA作为一种新兴的技术,拥有高实时性、高可靠性、低功耗与低成本的特点,它采用星型和网状(Mesh)结合的双层网络拓扑结构,在WIA-PA技术协议栈层次结构中,采用了TDMA等一系列节约网络能耗的设计,然而,在WIA网络中一般网络节点是由电池进行供电,每一个节点都靠最初的能量储备来维持,因此,这样一种网络同时也意味着对于每一个节点来说,哪怕是其中一两个节点的能量耗尽也势必影响整个网络的性能(如路由选择),而一般情况下,网络节点的能量不能从外界进行补充,因此,在不影响正常通信的前提下,节点能量的节省是非常必要的。本文作者在参与WIA-PA网络的研发工作中,对WIA-PA网络能量消耗问题进行深入研究,发现一般节能模式中所采用的全局的时间调度机制会对网络节点能量造成明显浪费,从而影响整个网络的生命周期。结合WIA-PA工业无线网络的特点和网络能耗需求,在IEEE 802.11的节能模式的基础下,提出一种网络节点分布式睡眠唤醒机制,即网络节点的激活时隙成一种特定分布,保证互相之间时隙有交叠,且激活时隙占总时间的比例尽量小,这样就可以再不影响网络节点之间的正常通信的前提下,减少节点的能量消耗,最终延长网络生存周期和提高网络的能量效率。本文首先分析了当前研究的IEEE802.11的节能机制相关特点,并结合WIA网络的自身特点,指出IEEE802.11中的睡眠唤醒机制所存在的不足：它是一种全局的时间调度,不管节点是否处于活跃状态,都要通过发送信标帧来申请发送数据和监听是否有要接收的数据,从节点能量消耗分配来看,发送信号所耗能量是最大的。针对这不足之处,作者在网络节点的睡眠唤醒机制中采用一种基于Quorum时隙分布的QB算法,节点只有在处于激活状态下才发送信标帧,这样通过减少信标帧的发送来减少网络节点能量的消耗；然后在此的基础上提出一种通过自适应调节Quorum的阶数的自适应QB算法的来均衡网络能量消耗,进一步提高网络能量消耗,从而延长整个网络的生命周期；最后为验证本文提出的自适应QB算法的性能,依据本文的仿真环境,与QB算法进行性能对比,并对结果进行分析,通过仿真结果显示了采用了自适应QB算法后的WIA-PA网络比采用QB算法的WIA-PA网络的生命周期延长了25%左右,而且网络平均时延和网络吞吐量没有明显下降。理论分析与实验结果均表明,相对于采用QB算法的休眠机制而言,自适应QB算法的休眠机制更加节约了网络能耗、更好的可扩展性,从而验证了自适应QB算法适用于WIA-PA的有效性。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
第1章绪论  9-15
  1.1 工业无线网络的产生和发展  9-10
  1.2 课题研究的目的及意义  10-11
  1.3 国内外研究现状  11-12
  1.4 论文研究内容及结构  12-15
    1.4.1 研究内容  12-13
    1.4.2 论文结构  13-15
第2章 WIA-PA技术概述  15-22
  2.1 WIA-PA标准  15-17
    2.1.1 网络拓扑结构  15-17
    2.1.2 协议体系  17
  2.2 WIA-PA技术特征  17-20
  2.3 WIA-PA网络性能分析及能耗要求  20-22
第3章无线Ad Hoc网络能耗管理方法研究现状分析  22-32
  3.1 Ad Hoc网络节点的节能  22-23
  3.2 Ad Hoc网络节点的节能  23-26
    3.2.1 功率控制(Power ControI)机制  23-25
    3.2.2 能量感知路由  25-26
    3.2.3 空闲时间能量保护  26
  3.3 移动Ad Hoc网络MAC层节能协议  26-32
    3.3.1 IEEE 802.11  26-28
    3.3.2 NPSM协议  28-29
    3.3.3 DAI协议  29-30
    3.3.4 PFAI协议  30-32
第4章 WIA-PA能耗管理策略  32-39
  4.1 WIA网络能耗  32
  4.2 QB算法  32-35
    4.2.1 Quorum系统  33
    4.2.2 QB算法的简述  33-35
    4.2.3 QB算法应用在WIA中的局限  35
  4.3 自适应QB算法  35-39
    4.3.1 WIA-PA网络中的能耗模型  35-36
    4.3.2 自适应QB算法实现  36-37
    4.3.3 自适应QB算法的性能指标  37-39
第5章仿真实验  39-46
  5.1 各种仿真平台  39-41
    5.1.1 NS2  39
    5.1.2 MATLAB  39-40
    5.1.3 OPNET  40-41
    5.1.4 其他仿真平台  41
  5.2 WIA-PA节能算法仿真及验证  41-46
    5.2.1 自适应QB算法仿真实现  41-43
    5.2.2 自适应QB算法性能分析  43-46
第6章总结与展望  46-47
  6.1 总结  46
  6.2 展望  46-47
参考文献  47-51
致谢  51-53
攻读硕士期间发表论文与参加项目  53

基于自适应Quorum系统的工业无线网络节能算法的研究

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