WIA-PA工業(yè)無線網(wǎng)絡多信道MAC機制研究.pdf

1、目前，在信息技術的推動下，工業(yè)現(xiàn)場設備得到升級，已經(jīng)逐漸實現(xiàn)系統(tǒng)化、智能化和網(wǎng)絡化。在控制系統(tǒng)中，由這些現(xiàn)場設備組成的控制網(wǎng)絡是核心，而控制網(wǎng)絡在網(wǎng)絡技術的帶動下，逐漸向工業(yè)無線網(wǎng)絡發(fā)展，并取得了較多的成果，如SP100、Wireless Hart等無線網(wǎng)絡。工業(yè)無線網(wǎng)絡在傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡上得到繼承和發(fā)展，它不僅繼承了無線傳感器網(wǎng)絡的低成本、泛在感知、低功耗和易維護等特性，還在此基礎上增加了網(wǎng)絡的實時通信和抗干擾特點，它在工業(yè)過程自動

2、化的實時監(jiān)測和流程控制等領域得到廣泛應用。
　　 WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation)主要由中科院沈陽自動化研究所、重慶郵電大學、西南大學等10余家單位，在國家863重點課題支持下共同研究開發(fā)的。WIA-PA是應用于過程自動化的工業(yè)無線網(wǎng)絡協(xié)議標準。它把無線通信技術引入工業(yè)過程控制領域，其網(wǎng)絡通信具有實時通信、高可靠、低能耗等

3、特性。WIA-PA網(wǎng)絡采用了網(wǎng)狀和星型雙層網(wǎng)絡體系結構，其網(wǎng)絡資源采取了集中式和分布式相結合的管理方式，具有良好的性能。
　　 MAC協(xié)議處于傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的底層部分，對網(wǎng)絡的性能有較大的影響，是保證無線傳感器網(wǎng)絡高效通信的關鍵網(wǎng)絡協(xié)議之一。MAC協(xié)議決定了各通信鏈路如何使用無線信道，它為傳感器節(jié)點之間數(shù)據(jù)傳輸分配有限的通信資源。傳統(tǒng)的單信道MAC協(xié)議在進行數(shù)據(jù)傳輸時存在較大的數(shù)據(jù)沖突，多信道MAC協(xié)議在充分利用信道資源的基礎上

4、，能夠增大網(wǎng)絡吞吐量，減小時延。目前并沒有針對WIA-PA網(wǎng)絡提出有效的多信道MAC機制，而現(xiàn)有的多信道MAC機制不能直接應用于WIA-PA網(wǎng)絡。本文在參與WIA-PA網(wǎng)絡的研究工作基礎上，針對該網(wǎng)絡的特性和工業(yè)控制的要求，結合現(xiàn)有的媒質訪問控制機制，提出了一種適合WIA-PA網(wǎng)絡的多信道MAC機制。
　　 本文在分析工業(yè)無線網(wǎng)絡發(fā)展背景和課題研究意義的基礎上，首先對WIA-PA工業(yè)無線網(wǎng)絡的網(wǎng)絡體系結構、技術特點、資源管理、關

5、鍵技術等方面進行了概述。其次，本文還對并對媒質訪問控制原理進行闡述，分析了典型的單信道的MAC協(xié)議以及現(xiàn)有的多信道MAC協(xié)議特點，指出其應用在WIA-PA網(wǎng)絡中存在的問題。最后，根據(jù)WIA-PA網(wǎng)絡特點，本文提出了一種高性能的多信道MAC機制，該機制主要包括多信道MAC機制信道分配算法設計和多信道MAC通信設計。在信道分配上，本文采用了動態(tài)、靜態(tài)相結合的信道分配算法，提高信道分配效率，減少由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中的干擾給網(wǎng)絡性能帶來的影響。在

6、簇間通信設計中采用虛擬鏈路，并結合Multi-Radio機制，有效地降低了SINK節(jié)點高數(shù)據(jù)傳輸造成的沖突;在簇內通信階段，采用基于輪詢的通信機制，有效降低簇首信道切換頻率，減小網(wǎng)絡開銷和時延。
　　 最后，通過NS2網(wǎng)絡仿真平臺，對本文提出的多信道MAC協(xié)議從網(wǎng)絡吞吐量、接包速率和時延上與傳統(tǒng)的單信道MAC協(xié)議進行比較，仿真結果表明，本文提出的多信道MAC機制在提高網(wǎng)絡的吞吐量、減低時延、增強網(wǎng)絡可靠性和實時性等方面有著較好的