基于EDL-CHS算法的無線HART網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂蒲芯?pdf

1、工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)自從20世紀(jì)誕生以來便得到業(yè)界的廣泛重視。隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展,工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)越來越多的應(yīng)用在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域,并在人們生活工作中發(fā)揮著重要的作用。目前,工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn),環(huán)境監(jiān)測,以及軍用領(lǐng)域等。
　　 拓?fù)淇刂剖枪I(yè)無線網(wǎng)絡(luò)研究的重要部分。拓?fù)淇刂埔匝娱L網(wǎng)絡(luò)的生存周期為主要目標(biāo),同時,兼顧通信干擾,網(wǎng)絡(luò)延遲,均衡負(fù)載,傳輸可靠性等功能。工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用型網(wǎng)絡(luò),采用的電池供電模式,因此節(jié)點

2、能量相對有限。而工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)對節(jié)點的能耗要求較為嚴(yán)格,因此對工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓?fù)淇刂?有利于延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間,減少網(wǎng)絡(luò)通信延遲和丟包率,均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等。本文著重研究分析了以下內(nèi)容:
　　 1.介紹了工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)三大標(biāo)準(zhǔn):無線HART、SP100、WIA-PA。對它們的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),協(xié)議基礎(chǔ),以及通信模式進(jìn)行了分析和比較。SP100和WIA-PA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都采用的mesh+star的兩層結(jié)構(gòu),不利于對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓?fù)淇刂啤６鵁o線HART采

3、用的mesh單一結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有大規(guī)模,自組織的特點,因此,對無線HART網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓?fù)淇刂?能夠優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的能量,數(shù)據(jù)傳輸率,網(wǎng)絡(luò)生存周期。在工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,本文所指代的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)是無線HART網(wǎng)絡(luò)。
　　 2.本文第二章,介紹了拓?fù)淇刂频脑O(shè)計需求,分析了典型的拓?fù)淇刂扑惴?。拓?fù)淇刂浦饕繕?biāo)是保證網(wǎng)絡(luò)的連通性和覆蓋性,同時,延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期,保障節(jié)點的有效性。拓?fù)淇刂频臒o線網(wǎng)絡(luò)一般有平面型網(wǎng)絡(luò)、層次型網(wǎng)絡(luò)和混合型網(wǎng)絡(luò)三種。

4、普通情況下,我們采用的網(wǎng)絡(luò)都是平面型網(wǎng)絡(luò)。在平面網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,目前拓?fù)淇刂品譃槿齻€重要的研究方向:功率控制、層次型拓?fù)淇刂?、以及啟發(fā)機制算法。本章在介紹拓?fù)淇刂频幕纠碚撝R和典型算法的基礎(chǔ)上,重點介紹了LEACH算法的工作原理和算法流程。
　　 3.目前,針對工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂蒲芯恐饕性诠β士刂品矫?相應(yīng)的在層次型拓?fù)淇刂品矫娴难芯?則相對較少。本文分析了LEACH算法在工業(yè)應(yīng)用中存在的不足,并針對LEACH算法在無線

5、HART網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的不足進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn),提出了基于節(jié)點能量、密度和距離的EDL-CHS(Energy,Density and Length-Cluster Head Select)算法。EDL-CHS算法在LEACH的基礎(chǔ)上,考慮到工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量的有限性,以及網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的密度和節(jié)點距離基站的距離對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響,提出了算法的基本思想,并對算法的網(wǎng)絡(luò)模型,能量模型進(jìn)行了相關(guān)的分析了介紹。EDL-CHS算法在簇首選舉時,采用了簇

6、首計算公式T(i)對簇首當(dāng)選的概率進(jìn)行了計算,對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇,使得節(jié)點能量多的,周圍密度大的有更大的幾率當(dāng)選節(jié)點。簇的建立過程中對簇的規(guī)模大小進(jìn)行控制,使得簇的大小與基站的距離成正比。在簇的通信過程中,本文設(shè)計了輔助簇首進(jìn)行簇內(nèi)通信,降低了簇首的負(fù)載壓力,減少了簇首的能量消耗,使得簇首能夠生存更長時間,對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定具有重要作用。簇間通信中,本文采用了中轉(zhuǎn)簇首為簇首與基站進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。由于網(wǎng)絡(luò)中某些簇與基站的距離相對較遠(yuǎn),如果網(wǎng)絡(luò)

7、實現(xiàn)一跳通信的方式,那么在于基站的通信過程中,簇首將消耗大量的能量,可能導(dǎo)致簇首節(jié)點的死亡。簇首能量的急速消耗,不利于網(wǎng)絡(luò)能量的均衡。簇首的死亡,也不利于網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的要求。
　　 4.采用NS2仿真平臺對EDL-CHS算法進(jìn)行了NS仿真,并且進(jìn)行了實驗對比。實驗設(shè)定了網(wǎng)絡(luò)生存周期、節(jié)點能量和數(shù)據(jù)傳輸率三個實驗指標(biāo)進(jìn)行仿真。實驗結(jié)果表明,在節(jié)點生存時間上,改進(jìn)后的EDL-CHS算法比LEACH算法具有更加優(yōu)秀的生存能力,節(jié)點生存時

8、間提高了25%,從而使得網(wǎng)絡(luò)具有更長的生存周期。在網(wǎng)絡(luò)吞吐率上,EDL-CHS算法比LEACH算法提高了19.1%,使得網(wǎng)絡(luò)具有更好的通信效率,保證了網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量。能量是工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)生存的基礎(chǔ),LEACH算法的仿真實驗?zāi)芰肯倪_(dá)到0.51J/s,EDL-CHS算法則具有更低的能量消耗0.44J/s,相對于LEACH算法,性能提高了13%。仿真實驗表明,EDL-CHS算法具有更加優(yōu)越的實驗性能,達(dá)到了論文的預(yù)期目標(biāo)。
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