学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

工业无线网络可靠性研究及实验平台设计

作　者: 李云欢
导　师: 陈彩莲
学　校: 上海交通大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 工业无线网络可靠性无线HART 认知无线电技术协作传输技术
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 59次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

随着无线传感器网络技术的发展,工业无线技术成为工业控制领域一个新的研究热点,受到了学术界和工业界的广泛关注。工业无线技术可以将工业控制网络延伸到实际条件或者经济原因无法到达的领域,比如轧钢工业过程存在的许多测控“盲点”,采用无线技术可以使得高温、高湿环境和快速移动设备的布线难题不再是获取信息的障碍。然而,要想将无线技术成功应用于工业控制领域,首先需要确保传输的高可靠性。工业现场无线链路的可靠性要比有线信道差很多,影响因素主要来源于两方面:一方面,由于噪声干扰复杂多变,现场使用WiFi和蓝牙等电子设备对工业无线网络造成严重的同频干扰;另一方面,由于工业现场高湿环境和金属设备反射造成无线信号随机衰落相当严重。因此工业无线网络的可靠性问题是其应用所需关注的焦点。本论文针对一种典型的工业无线网络标准━━无线HART,分析其可靠性技术特点和突出问题,提出改善工业无线网络抗干扰和抗衰落能力的方法,提高可靠性。无线HART主要采用采用直接序列扩频/盲跳频机制和加大功率两种方法来提高无线传输的可靠性。前一种方法的关键是为网络提供最可靠的跳频信道集合,如果连续跳到受干扰的信道仍然会引起链路的传输中断。后一种方法只对克服水雾吸收、绕射衰落等导致的信号衰落比较有效,但是抵抗多径传输导致的信号衰落并不是很明显,而且会造成网络内部干扰严重,且功耗很大。针对以上问题,本文开展了如下内容的研究工作:1、针对无线HART的直接序列扩频/盲跳频这一机制的不足,提出了利用认知无线电技术来优化跳频信道集合,来优化工业无线网络的抗干扰能力。我们采用基于快速傅里叶变换的频谱感知方法,建立了基于认知无线电的跳频信道集合优化模型,并提出了一种基于层次遍历的最优算法来求解该优化问题。所提出方法的优势在于:(1)最大化扩频增益,即达到跳频信道集合中信道容量的和最大化;(2)最大化跳频增益,即跳频信道集合中的信道数目最大化。因此,可以达到最大化工业无线网络抗干扰能力的目的。2、针对无线HART增大发送功率来抗衰落容易造成网络内部干扰这一不足,提出了利用协作传输获取空间和时间分集增益来克服多径衰落。该方法的原理是链路上每个无线电设备侦听链路上前几跳无线电设备的信号,采用最大比值合并后再解调的方式实现。本文首先给出了链路的可靠性与参与协作的节点数目m、路径损耗系数之间的关系,仿真表明m=2时能获得明显的可靠性增益,随着m的增加,带来的可靠性增益会趋于饱和。本文利用非正交的协作传输方式来弥补链路吞吐量的下降,并仿真分析了协作节点的数目m、最大符号偏差和路径损耗系数对非正交协作分集增益的影响。3、现有的无线测试节点存在物理层重配受限、重配时间长和不容易实现同步配置等缺点,难以对认知无线电和协作传输技术进行半实物仿真。为了实现工业无线网络抗干扰和抗衰落能力的测试,论文基于现有的软件无线电架构,利用可编程射频前端、可编程中频处理芯片、DSP基带处理器来设计可重配的物理层。为了实现物理层参数的同步重配,本文开发了基于GPS时钟源和AD9548芯片的高精度同步时钟源。为了减少重配时延,利用单片机对可编程芯片的内部寄存器进行配置,理论计算表明,配置的时延可以控制在100 s左右,可以达到工业无线的跳频需求。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-21
  1.1 工业无线网络概述  12-14
    1.1.1 工业无线网络应用案例分析  12-14
  1.2 工业无线网络的可靠性问题  14-19
    1.2.1 工业无线网络可靠性的主要影响因素  14-15
    1.2.2 国内外研究现状  15-19
  1.3 论文的主要内容和研究成果  19-21
第二章无线HART 标准的网络可靠性分析和提升思路  21-31
  2.1 无线HART 标准的可靠性分析  21-27
    2.1.1 无线HART 的抗干扰机制分析  21-25
    2.1.2 无线HART 的抗衰落机制分析  25-27
  2.2 本文提升可靠性的思路  27-30
    2.2.1 抗干扰的设计思路  27
    2.2.2 抗衰落的设计思路  27-30
  2.3 本章小结  30-31
第三章基于认知无线电技术的工业无线网络抗干扰方法  31-38
  3.1 基于能量检测的频谱感知  31
  3.2 直接序列扩频的信道容量  31-32
  3.3 跳频信道集合的优化模型  32-36
    3.3.1 数学模型描述  32-33
    3.3.2 优化问题构造  33-35
    3.3.3 基于层次遍历的最优求解算法  35-36
  3.4 仿真分析  36-37
  3.5 本章小结  37-38
第四章基于协作传输技术的工业无线网络抗衰落方法  38-51
  4.1 协作传输模型  38-44
    4.1.1 模型的数学描述  38-39
    4.1.2 C(m)协作模型的链路可靠性推导  39-41
    4.1.3 链路误码率的近似计算  41-44
  4.2 C(m)协作模型可靠性增益的仿真分析  44-46
  4.3 非正交的协作传输  46-50
    4.3.1 非正交协作传输的可靠性增益仿真分析  48-50
  4.4 本章小结  50-51
第五章工业无线协议测试节点的硬件设计与实现  51-64
  5.1 目前主流的无线协议测试节点介绍  51-52
  5.2 工业无线协议测试节点的性能需求分析  52-54
  5.3 基于软件无线电的工业无线协议测试节点硬件设计方法  54-61
    5.3.1 参数可重配的物理层设计方法  55-58
    5.3.2 物理层参数同步快速配置的实现方法  58-61
  5.4 所设计的工业无线协议测试节点的优点  61-62
  5.5 本章小结  62-64
第六章结论与展望  64-66
参考文献  66-70
附录1  70-74
附录2  74-80
致谢  80-81
作者攻读硕士学位期间参加科研与完成的论文情况  81

工业无线网络可靠性研究及实验平台设计

内容摘要

全文目录

相似论文