工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)簇間鏈路調(diào)度策略研究.pdf

1、近年來(lái)，工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)成為工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是在傳統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，除繼承了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的泛在感知、低成本、易維護(hù)和低功耗特點(diǎn)之外，還具有抗干擾和實(shí)時(shí)通信等優(yōu)點(diǎn)，能廣泛運(yùn)用于工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化的流程控制與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
　　 WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation)是在國(guó)家863重點(diǎn)課題支持下

2、，由中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所牽頭，聯(lián)合西南大學(xué)、重慶郵電大學(xué)等10余家單位共同研究開(kāi)發(fā)的用于過(guò)程自動(dòng)化的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。WIA-PA將無(wú)線通信技術(shù)引入工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域，其主要解決無(wú)線通信中的高可靠、實(shí)時(shí)通信、低能耗等關(guān)鍵問(wèn)題。
　　 鏈路調(diào)度用于建立可靠的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信連接，實(shí)現(xiàn)高效公平的共享通信資源。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)采用星型(star)和網(wǎng)狀(mesh)相結(jié)合的兩層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)簇。在WIA-

3、PA通信協(xié)議中，使用超幀來(lái)組織通信資源，星型網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)于超幀周期的簇內(nèi)通信，mesh網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)于超幀周期中的簇間通信。WIA-PA mesh網(wǎng)絡(luò)通信在整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中起著至關(guān)重要的作用，進(jìn)行合理的簇間鏈路調(diào)度是保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可靠實(shí)時(shí)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。
　　 WIA-PA簇間通信采用基于TDMA的鏈路調(diào)度方式，將時(shí)間分割成周期性的幀，再將幀分割成小的時(shí)隙。Mesh網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通過(guò)相應(yīng)的鏈路調(diào)度機(jī)制，獲取屬于本節(jié)點(diǎn)的通信時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送或

4、者接收?；赥DMA機(jī)制的鏈路調(diào)度就是為mesh網(wǎng)絡(luò)中的通信鏈路分配傳輸時(shí)隙。作者在參與WIA-PA項(xiàng)目的研究開(kāi)發(fā)工作中，深入分析WIA-PA簇間鏈路調(diào)度的特點(diǎn)，提出了基于圖頂點(diǎn)著色的空間重用集中式TDMA簇間鏈路調(diào)度策略SCC-TDMA(Spatialruse and Centralized TDMA inter-cluster link scheduling strategy based On graph vertex Colori

5、ng)。
　　 本文主要研究WIA-PA mesh網(wǎng)絡(luò)的鏈路調(diào)度模型和算法。首先，分析了WIA-PA簇間鏈路調(diào)度需要解決的三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：如何避免無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中存在的兩類通信沖突問(wèn)題，“聚播”通信造成的流量不均衡問(wèn)題以及如何提高信道利用率問(wèn)題，并進(jìn)行了調(diào)度問(wèn)題的公式化描述，給出了調(diào)度問(wèn)題難解性證明。接著，針對(duì)上述問(wèn)題，提出了WIA-PA簇間鏈路調(diào)度模型，即尋找滿足通信沖突約束和鏈路時(shí)槽數(shù)目約束條件下的最短超幀周期調(diào)度。其次，利用鏈路沖

6、突圖將鏈路調(diào)度問(wèn)題轉(zhuǎn)化為圖的頂點(diǎn)最小著色問(wèn)題。針對(duì)圖著色為典型的NP-Hard問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了基于獨(dú)立集的圖頂點(diǎn)著色算法求取近似解。該算法復(fù)雜度低，執(zhí)行效率高，適用于WIA-PAmesh網(wǎng)絡(luò)鏈路調(diào)度。本文同時(shí)闡述了將SCC-TDMA調(diào)度算法運(yùn)用于WIA-PA簇間鏈路調(diào)度的實(shí)現(xiàn)方法。
　　 為驗(yàn)證SCC-TDMA調(diào)度算法的性能，本文選擇兩個(gè)典型的TDMA鏈路調(diào)度算法貪心算法以及混合智能算法作為對(duì)比算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并選取著色色數(shù)、

7、算法運(yùn)行時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)四個(gè)比較參數(shù)。仿真實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于著色色數(shù)與算法運(yùn)行時(shí)間兩個(gè)相互矛盾的性能參數(shù)，本文算法取得了一個(gè)較好的折中，在將其運(yùn)用于十個(gè)典型的WIA-PA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簇間鏈路調(diào)度實(shí)驗(yàn)中，無(wú)論是所需時(shí)隙數(shù)目還是算法運(yùn)行時(shí)間都能滿足WIA-PA協(xié)議需求。最后，本文模擬了WIA-PA網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)收集過(guò)程，結(jié)果表明，SCC-TDMA算法的網(wǎng)絡(luò)吞吐量和數(shù)據(jù)收集延時(shí)指標(biāo)均好于貪心算法以和混合智能算法，且隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加，這種優(yōu)