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《大连理工大学》 2012年
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多信道优化算法及工业无线通信协议栈的研究与应用

高广恩  
【摘要】:随着无线通信技术及传感技术的不断发展,无线传感器网络的应用越来越广泛。无线通信以其特有的特点和优势正逐渐应用于工业领域。针对无线技术的工业应用,国内外都在进行相关的研究及推广,工业无线标准的制定工作也同步进行。而无线通信易受干扰的影响,因此抗干扰能力的提高对工业无线应用来说尤为重要。本文以工业无线通信为研究背景,针对工业无线通信中的具体问题进行了深入系统的研究,主要工作如下。 多信道跳频是一种很好的提高无线通信抗干扰能力的方法。提出了一种用于工业无线领域的多信道协议,此协议将IEEE802.15.4标准和多信道分配相结合,根据网络状态动态调整信道分配,并且考虑了能耗因素,延长了网络生存时间。该协议对IEEE802.15.4标准中的保留字段进行了重新定义,利用信标帧载荷传递信道分配、切换信息,增加了信道更改通知命令和信道状态上报命令。提出了GTS及信道资源分配算法,尽可能增加网络容量,同时减小节点间干扰。信道切换以丢包率和信道质量作为依据,当丢包率过大或信道质量太低时,启动信道切换。该协议在吞吐量和降低能耗上较已有标准有了很大提高,且兼容已有的IEEE802.15.4标准,有利于实现和应用。 除了基于IEEE802.15.4标准的多信道协议,还深入研究了一般性的多信道分配问题。多信道分配问题被证明属于NP难问题,利用常规算法求解困难。将离散粒子群算法引入到多信道分配问题的解决方案中,对算法中的要素进行了详细的定义和说明。在粒子群算法的搜索过程中引入变异因子,提高了算法的全局搜索能力。提出了一种发射功率调节算法,在保证网络连通度的前提下,使无线节点发射功率尽可能的小,大大的降低了节点能耗,同时降低了粒子群算法求解的复杂度。仿真研究结果表明提出的算法有效的降低了数据碰撞和同信道干扰,且降低了无线节点能耗,延长了网络生存周期。 为了推广WIA-PA标准,提出并实现了一种通用的WIA-PA开发平台。基于此平台进行了诸多实验,验证了平台的性能。在此平台上开发了符合WIA-PA标准的协议栈,设计实现了协议的物理层、数据链路层和网络层,组建了一个小型的星形网络,对协议栈的基本功能进行了实验验证。这为WIA-PA标准的实用化及以后的进一步研究打下了基础。 在WIA-PA开发平台的基础上,进一步研究了IEEE802.15.4的MAC层,它是多个国际标准的基础,如ZigBee、WIA-PA和Wireless HART。研究如何提高、改善其MAC层的性能有着重要意义。针对MAC层的时间同步技术和CSMA/CA机制展开了深入的研究。提出了一种基于超帧机制的低开销、高精度、低能耗的时间同步算法。此算法将时间戳信息放在信标帧的有效载荷中,以软件计算补偿的方法消除了传输延时对时间同步的影响,同步过程中所需的信息交换少,同步精度可达到1Ous。在CSMA/CA机制中,BE的初始值为2,当多个节点同时需要传输数据时,它们选择的退避时问有很大的重合概率。为了解决此问题,提出了一种基于时隙分组的改进算法,有效降低了退避时间重合概率,提高了网络吞吐量。 在现有工业现场,绝大部分通信还是采用有线方式,有线和无线的共存与互连便成为一个重要问题。提出了一种工业无线网关的设计原型,给出了设计原理图,此网关可实现无线、以太网和现场总线的互连。通过高低温和电磁兼容实验验证了无线网关在工业环境下的可靠性和抗干扰能力。另外,针对射频电路的阻抗匹配,提出了一种实验方法以使射频电路达到良好的匹配效果。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TN929.5;TP212.9

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