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工业无线网络WIA-PA多径路由协议研究

作　者: 杜小杰
导　师: 刘枫
学　校: 西南大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: WIA-PA Ad hoc网络提前按需路由多径路由技术 WMR_DSR
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着信息技术的发展,工业现场设备已实现了数字化、网络化和智能化,而由这些智能化设备构成控制系统的神经中枢即为控制网。目前控制网络正在向工业无线网络发展,成为工业控制自动化领域新的研究热点,并已取得初步的成果,如国外的Wireless HART,SP100等无线网络。国内也推出了具有自主知识产权用于过程自动化的工业无线网络标准规范WIA-PA。工业无线网络技术的发展将为现代化工业带来深刻的变革。WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation)是一种具有白组织、自治愈智能Mesh网络路由机制的工业无线网络,能够适应网络的动态变化,保证网络的可靠性和实时性。WIA-PA主要由中科院、西南大学、重庆邮电大学等国内10余家单位在国家863重点项目的支持下共同研究开发。通过工业无线网络工业生产中的应用,在一定程度上降低成本,避免了有线布线的复杂度和危险度,为恶劣的工业环境提供了安全、可靠、便捷的工业生产方式进行监控。工业无线网络WIA-PA除应用到工业自动化控制系统外,还可以应用到楼宇自动化,环境、健康与安全监控,资产管理及能量管理等领域。工业无线网络WIA-PA节点设备采用电池供电,但电池能量供电有限,如何有效地降低网络通信能耗,提高网络的可靠性、实时性,延长网络的工作时间仍是WIA-PA研究的重点,这对于工业无线网络WIA-PA的研究能否成功具有决定性意义。对于Mesh网络通信来说,网络整体性能的好坏主要取决于路由技术。目前对于WIA-PA路由算法的研究还在进行,现有的比较成熟的无线网络算法主要是无线自组织网路由算法如DSDV、AODV、DSR等。本文通过参与WIA-PA项目的研究开发工作,针对WIA-PA网络特点及需求,结合现有无线路由算法的特点,基于多径、源路由、按需路由的思想,提出一种适合工业无线网络WIA-PA多径路由协议。本文首先简要分析了工业无线网络发展的背景及课题研究的意义,对工业无线网络WIA-PA的结构、关键技术、技术领域等进行概括性的概述。其次介绍了几种典型的单径路由协议以及多径技术的特点和优势,并对几种经典的DSR多径扩展算法进行了深入的分析。针对MSR协议应用到WIA-PA网络上存在的问题,如：WIA-PA网络通信可靠、实时及能耗等问题,本文基于多径、源路由、提前按需路由的思想,建立工业无线网络WIA-PA多径路由协议WMR_DSR网络模型,并针对路由发现和路由维护进行改进：在路由发现过程中,结合节点剩余能量和端到端的时延构建独立路径选择函数;路由发现过程中以节点能量分级、RTT值、备份路径剩余条数以及路由更新周期为权值,提出一种提前按需路由机制,形成WIA-PA网络的路由策略,以提高WIA-PA网络通信的可靠性及实时性,并在一定程度上降低能耗,延长了整个网络的生存时间。通过NS2仿真平台对本文提出的工业无线网络WIA-PA路由协议WMR-DSR从路由可靠性、数据分组投递率、端到端平均时延、网络生存时间等性能和MSR协议、DSR协议进行比较,仿真结果表明,本文提出的WMR-DSR路由协议算法在提高网络可靠性、实时性,降低功耗方面取得了较好的效果,并能很好的应用的WIA-PA网络中去,最终有效地延长了整个网络的生存时间。在静止的网络环境下,WMR_DSR路由协议算法够延长WIA-PA网络5%左右的生存时间。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
第1章绪论  9-16
  1.1 课题背景及意义  9-10
  1.2 工业无线网络  10-13
    1.2.1 工业无线网络技术  10-11
    1.2.2 工业无线网络技术标准  11-13
    1.2.3 工业技术应用挑战  13
  1.3 论文研究的目的及意义  13-14
  1.4 论文研究的内容  14-15
  1.5 论文组织结构  15-16
第2章工业无线网络WIA-PA标准概述  16-23
  2.1 工业无线网络标准提出背景  16
  2.2 WIA-PA体系结构  16-18
    2.2.1 WIA-PA网络拓扑结构  16-18
    2.2.2 WIA-PA协议体系结构  18
  2.3 WIA-PA关键技术特征及应用领域  18-20
    2.3.1 WIA-PA关键技术特征  18-20
    2.3.2 WIA-PA应用领域  20
  2.4 WIA-PA路由技术分析  20-22
    2.4.1 WIA-PA可靠性技术保障  20-21
    2.4.2 WIA-PA路由通信存在的问题  21
    2.4.3 WIA-PA路由策略要求  21-22
  2.5 本章小结  22-23
第3章自组织网络路由协议和多径路由技术  23-35
  3.1 Ad Hoc网络的体系结构  23
  3.2 自组织网络Ad Hoc单径路由技术  23-30
    3.2.1 自组织网络Ad Hoc单径路由协议分类  24-25
    3.2.2 几种典型的单径路由协议  25-29
    3.2.3 路由协议比较  29-30
  3.3 多径路由技术概述  30-31
    3.3.1 多径路由技术的定义及相关概念  30
    3.3.2 多径路由的独立性  30-31
    3.3.3 多径路由的使用模式  31
    3.3.4 多径路由的选择准则  31
    3.3.5 多径路由的优点  31
  3.4 几种典型DSR多径路由协议介绍  31-34
    3.4.1 SMR协议  31-32
    3.4.2 On-Demand Multi-path Routing协议  32
    3.4.3 MSR协议  32-34
  3.5 本章小结  34-35
第4章工业无线网络WIA-PA多径路由协议WMR_DSR研究  35-46
  4.1 MSR协议存在的问题  35-36
    4.1.1 路由应答开销大  35
    4.1.2 独立路径数量过多  35
    4.1.3 按需路由延迟大  35-36
    4.1.4 网络节点能量问题  36
  4.2 工业无线网络WIA-PA多径路由协议WMR_DSR研究  36-37
    4.2.1 WMR_DSR的基本思想  36
    4.2.2 WMR_DSR模型建立  36-37
  4.3 WMR_DSR协议优化策略  37-40
    4.3.1 中间节点的利用策略  37
    4.3.2 WIA-PA节能策略  37-39
    4.3.3 提前按需路由策略  39
    4.3.4 独立路径选择算法  39-40
  4.4 WMR_DSR协议实现  40-45
    4.4.1 路由发现  41-44
    4.4.2 路由维护  44-45
  4.5 本章小结  45-46
第5章 NS2实验仿真及性能分析  46-59
  5.1 仿真平台简介  46
  5.2 仿真具体步骤  46-47
  5.3 WMR_DSR协议添加  47-49
    5.3.1 WMR_DSR新协议的添加  47-49
  5.4 能量模型设计  49-50
  5.5 仿真实验以及性能分析  50-58
    5.5.1 性能参数评价  50-51
    5.5.2 性能分析及结论  51-58
  5.6 本章小结  58-59
第6章总结与展望  59-60
  6.1 总结  59
  6.2 展望  59-60
参考文献  60-64
致谢  64-65
攻读硕士期间发表的论文与参加的项目  65

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