面向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)收集的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)頻譜資源分配.pdf

1、隨著工業(yè)自動(dòng)化和信息化的融合發(fā)展，工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Industrial Wireless Sensor Networks：IWSNs）技術(shù)已經(jīng)引起了企業(yè)界的廣泛關(guān)注，并且在一些工業(yè)場(chǎng)景進(jìn)行初步應(yīng)用。相比傳統(tǒng)的有線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，IWSN具備靈活、經(jīng)濟(jì)布署的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)惡劣環(huán)境下的工業(yè)監(jiān)測(cè)；也適用于大規(guī)模布署，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的泛在感知。然而，IWSN在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用依然面臨不少問題，其中十分突出的就是工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集的實(shí)時(shí)性問題。由于IS

2、M（Industrial，Scientific，Medical）2.4GHz免執(zhí)照頻段只有85MHz可用帶寬，如何利用有限資源實(shí)現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，依然是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)。本文關(guān)注流程工業(yè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)問題，選取帶鋼熱軋過程作為應(yīng)用研究對(duì)象。基于軋制設(shè)備空間分布的獨(dú)立性和熱軋工藝的級(jí)聯(lián)特性，本文提出了一種子網(wǎng)級(jí)聯(lián)的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，命名為工業(yè)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（Industrial Cascaded FieldNets），其中Field

3、Net是一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)子網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)一道工藝過程的監(jiān)測(cè)。接著，本文開展了工業(yè)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中面向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)收集的網(wǎng)絡(luò)資源分配研究。
　　首先，論文考慮了工業(yè)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集的時(shí)延優(yōu)化問題?；谧泳W(wǎng)級(jí)聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文給出了一種子網(wǎng)間信道復(fù)用分配和各子網(wǎng)獨(dú)立超幀設(shè)計(jì)的資源分配機(jī)制，并將資源分配建模成以端到端平均傳輸時(shí)延最小化為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化問題。所建問題為非線性混合整數(shù)規(guī)劃問題，而且是凸的。為了求解該問題，本文通過提出一種兩級(jí)資源分配策略，并證明子

4、網(wǎng)內(nèi)超幀時(shí)隙資源分配獨(dú)立于子網(wǎng)間的信道分配。接著，設(shè)計(jì)了一個(gè)離散最速下降法來實(shí)現(xiàn)干擾限制下的子網(wǎng)間信道復(fù)用分配。最后，證明了所得到的子網(wǎng)內(nèi)超幀時(shí)隙分配和子網(wǎng)間信道復(fù)用分配是原優(yōu)化問題的最優(yōu)解。相比現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，本文方法充分利用了頻譜資源多維度復(fù)用增益，從而降低了端到端傳輸時(shí)延。
　　其次，論文考慮了工業(yè)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中異構(gòu)數(shù)據(jù)收集的傳輸時(shí)延問題。工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中需要收集不同類型和不同時(shí)延需求的數(shù)據(jù)，本文提出了一種分離設(shè)計(jì)原則（SD

5、P），用于多優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度?；贗EEE802.15.4e標(biāo)準(zhǔn)，SDP首先為每一類相同優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)一個(gè)單獨(dú)的多信道超幀，每個(gè)超幀均利用所有信道資源。獨(dú)立超幀設(shè)計(jì)使得各信道上的每個(gè)時(shí)隙都重復(fù)分配給了不同優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)。對(duì)此，設(shè)計(jì)了一個(gè)多優(yōu)先級(jí)傳輸協(xié)調(diào)機(jī)制來保證各節(jié)點(diǎn)按照指定的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。理論和實(shí)驗(yàn)都表明SDP相比傳統(tǒng)TDMA調(diào)度機(jī)制可以讓不同優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)均達(dá)到更低的傳輸時(shí)延。
　　第三，論文考慮了工業(yè)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中快速頻譜

6、接入問題。觀察到在缺乏全局頻譜信息的情況下，存在頻譜資源使用的不均勻問題。為了剖析頻譜使用的均勻性對(duì)接入時(shí)延的影響，本文首先定義了‘均衡’的概念用于描述離散信道模型下頻譜使用的最佳均勻性。接著，給出了一組以局部均衡為導(dǎo)向的自主信道切換規(guī)則（LEQ-AutoCS）。LEQ-AutoCS可以使得已經(jīng)接入信道的節(jié)點(diǎn)通過自主感知和信道切換，實(shí)現(xiàn)局部觀測(cè)范圍內(nèi)被占用信道的均勻分布，而且不需要任何信息交互的開銷。進(jìn)一步，論文還證明了通過LEQ-Au