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工业无线网络路由及通信调度的实现与优化

作　者: 何之栋
导　师: 黄文君
学　校: 浙江大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 工业无线网络 负载均衡路由 局部路由调整 时隙预留通信调度 联合优化
分类号: TN92
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 2次
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内容摘要


与有线工业通信网络相比,工业无线网络具有布线成本低、组网灵活、易于安装和维护的优点,因此在国内外工业自动化监测及控制领域得到了越来越多的重视和应用。本文以WirelessHART为主要研究对象,分析工业无线网络的应用需求,研究其中的关键技术,包括路由管理方法及通信调度方法,进而设计具体方案并进行相关仿真测试及实验分析。本文主要内容包括：针对工业无线网络的可靠性需求,设计了一种基于网络状态的多路径图路由方法。根据不同阶段的网络状态采用相应路由算法：在网络拓扑变化阶段采用一种网络局部调整的路由算法,只针对变更链路做出调整,不影响网络其他设备,从而避免全局网络频繁调整,加快网络收敛；在网络拓扑稳定时采用一种均衡路由算法,即根据网络及设备状态,针对实时性及负载均衡需求进行全局优化。仿真结果表明,基于网络状态的多路径图路由方法保证了网络路由可靠性并实现了负载均衡。针对工业无线网络通信调度的应用需求,设计了基于信道优先搜索的通信调度方法。其中,为了保证优先级较高任务的实时性,设计了预留时隙调度策略,对网络管理及控制任务能保障通信资源的优先分配,避免被连续多个时隙被优先级较低的数据上传任务所挤占而导致的调度延迟；其次为使定长超帧兼容不同数据刷新率,设计了超帧循环拼接策略,简化超帧管理,提高网络及设备兼容性。仿真分析表明,预留时隙策略可以保证重要管理任务调度的实时性。此外,本文在嵌入式平台实现了所设计的通信调度方法,对相关通信调度服务进行测试,结果验证了本文方法的可行性。研究了工业无线网络路由及调度联合优化方法,运用极值动力学方法优化网络路由及通信调度问题。以网络实时性及网络寿命为优化目标,建立符合工业无线网络特性和需求的整数规划问题模型。基于极值优化方法,设计优化算法步骤、选取适值函数并设计变异规则,并将其应用于求解无线网络通信调度问题。数值算例结果表明,使用本文算法能快速有效地达到优化目标,即延长网络寿命,降低数据延时；并通过仿真分析了两个优化目标的权衡关系,在工程应用中可根据具体需求灵活配置。

全文目录


致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-9
目录  9-11
图目录  11-13
表目录  13-14
第1章 绪论  14-22
  1.1 研究目的与意义  14
  1.2 工业无线网络应用及发展现状  14-16
  1.3 工业无线网络技术特点及通信调度性能指标  16-17
  1.4 工业无线网络研究现状及本文贡献  17-21
  1.5 论文主要内容及组织结构  21-22
第2章 工业无线网络体系及通信资源管理方案  22-28
  2.1 工业无线网络拓扑及基本设备  22-23
  2.2 工业无线网络通信协议栈  23-25
  2.3 网络通信资源管理方案架构设计  25-27
  2.4 本章小结  27-28
第3章 工业无线网络路由管理方法设计  28-49
  3.1 工业无线网络路由管理特性  28-30
  3.2 基于网络状态的多路径路由方法设计  30-42
    3.2.1 路由管理流程设计  30-31
    3.2.2 网络局部调整的路由算法  31-34
    3.2.3 网络全局优化的均衡路由算法  34-40
    3.2.4 基于网络状态的多路径路由方法  40-42
  3.3 路由方法特性分析与仿真测试  42-48
    3.3.1 网络通信可靠性分析  42-44
    3.3.2 路由调整效率仿真分析  44-46
    3.3.3 路由负载均衡仿真测试  46-48
  3.4 本章小结  48-49
第4章 工业无线网络通信调度方法设计  49-65
  4.1 网络通信调度管理特性  49-50
  4.2 基于信道优先搜索的网络链路调度方法  50-56
    4.2.1 预留时隙策略  51-52
    4.2.2 超帧循环拼接策略  52-53
    4.2.3 基于信道优先搜索的网络链路调度方法  53-56
  4.3 通信调度方法特性分析与功能验证  56-64
    4.3.1 调度方法实时性仿真与分析  56-58
    4.3.2 通信调度方法功能验证  58-64
  4.4 本章小结  64-65
第5章 工业无线网络通信调度联合优化研究  65-79
  5.1 无线网络跨层联合优化  65-66
  5.2 动力学极值优化方法及其应用  66-67
  5.3 系统模型及问题描述  67-71
    5.3.1 系统模型特点及基本定义  67-68
    5.3.2 问题描述及约束条件  68-71
  5.4 路由及调度联合问题极值优化方法  71-74
    5.4.1 适值函数  71-72
    5.4.2 变异操作  72-73
    5.4.3 极值优化算法流程  73-74
  5.5 优化性能仿真与分析  74-77
  5.6 本章小结  77-79
第6章 结论与展望  79-81
参考文献  81-86
作者简历  86

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线通信
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