工业无线网络节能路由算法研究

【摘要】： 随着信息技术的快速发展,工业控制系统已进入了网络化、智能化时代。无线网络技术逐渐发展成熟并开始进入工业自动化领域,使得工业控制系统的投资成本和使用成本降低。在这种背景下,无线通信技术应用于工业现场控制成为工业控制网络的发展趋势。 WIA-PA (Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation)是中科院、西南大学、重庆邮电大学等国内10余家单位在国家863重点课题的支持下,共同研究开发的一种具有我国自主知识产权的高可靠、超低功耗的智能多跳工业无线测控网络,主要面向流程工业监控。WIA-PA提供一种自组织、自治愈的智能Mesh网络路由机制,能够适应条件和环境的动态变化,保持网络性能的可靠性和稳定性。通过工业无线网络WIA-PA,用户可以以较低的投资和使用成本实现对工业生产全流程的监控,获取由于成本和安装场地限制等原因无法在线监测的工业过程参数,并以此为基础实施优化控制,来达到提高产品质量和节能降耗的目的。WIA-PA除应用于工业自动化以外,还可应用于楼宇自动化、能源管理、环境监测、资产管理等领域。WIA-PA网络一般适用于环境比较恶劣的工业现场,WIA-PA网络节点只能通过电池供电,而基于目前的技术,大幅度提高电池容量较为困难,因而WIA-PA网络的节能问题研究就显得具有非常重要的意义。路由技术是WIA-PA网络的关键技术,也是影响网络整体性能最重要的因素之一。目前现有的路由算法,如AODV, DSR等不能完全适用于WIA-PA网络的要求,必须设计满足WIA-PA网络需求的路由算法。本文作者在参与WIA-PA项目的研究开发中,深入分析了现有无线路由策略,针对WIA-PA网络特点及需求,提出了一种基于AODV的WIA-PA节能路由算法。本文首先介绍了WIA-PA网络的特点、应用领域、技术难点,以及研究意义和所做的工作。接着分析了几种典型的Ad Hoc网络路由策略,总结了目前已提出的一些节能路由策略,并深入分析了它们各自的优缺点。针对AODV在网络能量利用不均衡等方面的不足,不完全适用于WIA-PA工业无线网络,本文基于能量分级策略和基于路由请求延时的思想,提出了保护低能量节点的节能路由策略-ES-AODV (Energy-Saving AODV for WIA-PA)算法。该算法根据节点的剩余能量进行分级,然后通过节点的剩余能量与网络平均能量构建延迟模型,对能量处于不同等级的节点采用不同的延时转发机制,保护能量低的节点,延长生存周期,进而延长WIA-PA工业无线网络服务时间。另外还延长了HELLO消息发送的周期,减少了HELLO消息的发送次数,也降低了节点能耗。最后,通过NS2网络仿真平台,对ES-AODV和AODV算法从端到端平均时延、网络生存时间、数据分组投递率等方面进行了比较。 仿真实验结果表明,本文提出的ES-AODV算法在保护低能量节点方面取得了较好的效果,有效地平衡了WIA-PA网络的能量消耗,推迟了WIA-PA网络分裂的时间。在静止的网络环境下,ES-AODV策略能够延长WIA-PA工业无线网络5%左右的生存时间。 【关键词】：WIA-PA ES-AODV 能量分级 延时模型 NS2仿真
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TN929.5
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 第1章 绪论9-20
• 1.1 课题背景9-10
• 1.2 工业无线网络10-18
• 1.2.1 工业无线网络标准11-12
• 1.2.2 WIA-PA工业无线网络12-15
• 1.2.3 WlA-PA的应用前景15-16
• 1.2.4 WIA-PA面临的挑战16-18
• 1.3 论文目的和意义18
• 1.4 论文主要工作18-19
• 1.5 论文组织结构19-20
• 第2章 AdHoc网络的路由策略研究20-35
• 2.1 WlA-PA路由选择的特点20-21
• 2.2 AdHoc网络路由协议分类21-29
• 2.2.1 表驱动路由策略21-23
• 2.2.2 按需路由策略23-28
• 2.2.3 混合路由策略28
• 2.2.4 几种路由策略性能比较28-29
• 2.3 AdHoc网络节能路由策略29-33
• 2.3.1 最小化报文传输能量的节能路由策略30-31
• 2.3.2 最大化网络生存时间的节能路由策略31-33
• 2.4 WIA-PA网络路由策略要求33-35
• 第3章 基于AODV的WIA-PA节能路由策略35-44
• 3.1 AODV在WIA-PA网络中的局限性35-36
• 3.2 ES-AODV基本思想36-38
• 3.3 ES-AODV描述38-40
• 3.4 ES-AODV的实现40-42
• 3.5 ES-AODV分组格式42-43
• 3.6 ES-AODV性能分析与评估43-44
• 第4章 基于NS2的仿真与分析44-53
• 4.1 NS2仿真工具44-47
• 4.1.1 NS2的特点44-45
• 4.1.2 NS2仿真步骤45
• 4.1.3 能量模型45-46
• 4.1.4 NS2添加新协议46-47
• 4.2 性能评价参数47-48
• 4.3 仿真分析与结论48-53
• 4.3.1 实验场景设置48-49
• 4.3.2 实验结果与分析49-53
• 第5章 总结与展望53-55
• 5.1 总结53
• 5.2 展望53-55
• 参考文献55-58
• 致谢58-59
• 攻读硕士期间发表的论文与参加的项目59

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