英语原文共 29 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

1. 项目简介

在过去的几年里，人们对工业应用中的无线通信的兴趣急剧增加。 这的部分原因是目前使用的有线网络在安装和维护方面相当昂贵和复 杂。无线解决方案提供了更多的灵活性；有时没有许多公里的电线可以 大大减少建立工业网络所需的时间。此外，对于无线网络，临时访问机 器进行诊断、维护或测试的任务是大大简化了。然而，要被工业采用， 无线系统必须至少提供与当前有线网络相同的性能。因为通信故障或延 迟可能会导致 e.g.昂贵设备的损坏，只有无线系统在保证足够的可靠性和及时性时， 才可以在工业网络中使用。不幸的是，无线信道引入了多路径衰落、阴 影和路径丢失，以及更高的位和包错误，这意味着满足这些要求的重大 挑战。这在含有大量金属杂波和多种移动和振动物体的工业环境中尤为 明显。为了满足在工业系统中至关重要的对及时性和可靠性的要求，无 线解决方案必须应对这些时变的错误模式。因此，广泛的研究工作都集 中在开发能够解决这些问题的错误控制方案，同时仍然通过使用现成的 标准来保持合理的复杂性。

存在几种不同的工具和技术，可以用来提高无线网络的网络可靠 性。然而，其中大多数要么意味着复杂性过高，要么导致增加和经常随 机的延迟，从而降低了及时性。然而，信息论中的一些技术，如合作通 信、网络和喷泉编码，有可能在保持及时性的同时提高工业无线系统的 可靠性。合作沟通，在中继方面，也是一个比较好的问题低复杂度的技术，有潜力提高可靠性与保持延迟。中继方法基于网络中 的不同节点具有不同的信道质量，这也可能会随时间而变化。放置在不 同的地理位置，一些节点可能会无意听到其他节点传输的包，并在预期 接收器没有接收它们的情况下，通过将听到的包中继到最终目的地进行 合作。卢比编码是喷泉代码的一个例子，它可以通过提供更有效的对丢 失的数据包的重新传输来提供帮助。Luby编码是错误控制代码的一种形 式，但在包级别而不是位级别。创建冗余数据包以重新构建丢失或损坏 的数据包。如果通过不同的链接发送不同的冗余数据包，从而获得空间 的多样性，那么可靠性甚至可以进一步提高。

1.1本论文的适用范围

本文研究了如何设计工业无线网络中的中继策略，以提高具有一定 最大延迟的数据可靠性。评估几种不同参数的影响，例如中继节点的位 置、中继节点和目的地未正确接收的包的数量以及截止日期前的可用时 隙的数量，以确定特定节点何时最好成为中继节点。此外，如果特定的 中继节点有机会帮助多个源节点，那么如果中继节点组合多个包并在一 个时隙中发送它们，则性能可以进一步提高。本文提出了卢比编码和包 聚合作为将数据包的两种有效方法。Luby编码的构造方式是，给定k个 源包，可以创建任意数量的Luby编码包。然而，为了正确地解码k个源 数据包，目标可以使用任何一套k个数据包，无论是来自中继节点的 Luby数据包还是原始源数据包。因此，在应用卢比代码时，中继节点可以在需要重传时发送不同的卢比编码包，而不是简单地重复源数据。这 意味着，只要接收到至少k个正确的数据包，丢失的哪一个源数据包并 不重要。本文提出的另一种方法是在中继节点上进行数据包聚合，即。中继节点将来自多个源的数据合并为一个数据包，然后将此数据包发送 到目的地。与Luby编码相反，从中继节点接收到的聚合分组可以单独解 码，无论之前已经正确接收到多少其他分组，即正确接收一个聚合的数据包意味着在目的地可以正确地接收到所有包含的源数据 包。聚合的缺点是，较长的包意味着更高的包错误的风险。然而，本文 的结果表明，与增益相比，这一缺点往往可以忽略不计。

为了选择最佳的中继策略，并估计本文提出的不同算法对中继策略 的真实可靠性改进，建立一个正确的无线信道模型是至关重要的。研究 社区已经进行了几项测量活动，目的是建立一个表征室内无线环境的模 型。然而，在编写本文中，没有多少人关注具有其特殊性的工业环境， 因此还没有得出关于最适合无线工业网络的信道模型的最终结论。因 此，针对一组表示在无线工业信道中遇到的一些典型现象的信道模型， 提出了建议的中继策略。因此，本文所完成的第二个任务是开发一套适 合于描述工业环境的测量指南，以找到一个合适的无线信道的数学模 型。特别关注那些已被证明会显著影响中继策略选择的因素。

1.2 论文大纲

论文包括综合总结论文和一套附加研究论文两部分。构成第一部分 的摘要的提醒结构如下：第2章讨论了工业应用的无线通信的细节，第3 章介绍了能够提高工业环境中无线通信性能的误差控制策略。接下来， 第4章包含了问题的表述和本文工作的主要贡献。此后，第5章描述了在 整个工作中使用的方法和假设，而第6章介绍了所包含的论文的概述。 最后，在第7章中介绍了未来工作的结论和可能性。论文的第二部分包 括附加论文，即第8章到第11章包含本论文中包含的部分研究出版物。

1. 工业应用中的无线通信

2.1. 工业应用领域

IWSN部署的两个重要领域是过程自动化和离散制造。在过程自动化 中，产品是连续生产。石油、钢和纸张都是在连续流动中生产的产品的 例子。另一方面，在离散制造中，产品按离散步骤生产和组装。离散制 造的典型例子是汽车、医疗和食品工业。这些行业严重依赖机器人技术 和带式输送机，因此，可靠性、延迟和实时要求非常严格。工业自动化 中依赖通信的应用可以分为三个子类别[1]：监控和监控，许多传感器 节点将其读数发送到控制节点；闭环控制，传感器和执行器连接起来控 制过程；最后联锁和控制，负责启动或停止机器。根据应用程序，工业 系统可能对时间限制和截止日期缺失非常敏感。例如，数据包丢失和抖 动对于监控系统并不是那么重要，因为这些信息用于监视和状态监测， 但对于闭环控制至关重要，其中一个过程应该根据实际的传感器读数进 行控制。联锁和控制是一个对延迟非常敏感的区域，即机器必须根据接 收到的数据来启动、停止或安全联锁。在工业网络中传输的典型数据包 是从几个传感器节点发送到公共控制器或网关的传感器读数，或者，执 行器命令一般为基于接收到的传感器数据，并从控制器发送。要在联锁和控制系统ms中 传递的传感器读数的时间在10-250ms的范围内，而例如。监控和监督系 统的最低更新频率约为1-5秒[1]。

2.1.1. 工业网络

典型的工业无线传感器网络(IWSN)，图中。2.1、包括传感器节点 (S)、测量温度、压力、湿度等。 并通过一个或多个接入点(AP)发送其 读数，这些接入点作为网络有线和无线部分之间的无线电接口，到一个 或多个网关；网关(GW)，在一个总线上收集传感器数据，并将这些传感 器读数传输到另一种类型的总线，例如，一个或多个控制节点(PLC)连 接到的PROFIBUS。控制节点执行控制应用程序并为执行器设置输出值； 执行器(A)从控制节点接收信息，负责例如。在紧急情况下将机器转换 为安全模式。此外，还有一个网络管理器(NM)，它配置网络、调度设备 之间的通信、管理消息路由和监视网络运行状况；以及安全管理器 (SM)，管理和分发安全加密密钥，并持有被授权加入网络的设备列表。 通常，网络和安全管理器以及接入点都是网关的一部分，因此，图中所 示的最右边的总线也可以是内部的。

图中示。2.1.一个IWSN结构的示例

目前使用的大多数工业网络都是有线的，其中节点是根据某些拓扑 相互连接的。因此，当无线网络被引入工业系统时，通常优选相同类型 的拓扑。三种常见的拓扑结构是恒星、网格和簇状树，图。2.2.星形网 络拓扑适合点对点通信系统，其中所有的设备都被放置在一个跳跃远离 一个中心协调器，网关或接入点。协调员负责启动和维护通信，从传感 器节点收集数据，并通过有线或无线链路向执行器发送控制信息。终端 设备不能直接通信，只能通过协调器通信。在有线网络中，这种特性可 以通过没有电线来确保，而在无线网络中，则可以通过允许与设备通信 的固定地址表来确保。另一方面，网格网络配置使用设备之间的多跳连 接，并允许使用树形或表驱动的路由算法[2]从任何源设备到任何目标 设备形成路径。与星形网络相比，网格拓扑扩展了网络范围，但以增加 复杂性为代价。设备之间的通信范围可以从几米到几百米，取决于应用 [3]，例如。在过程自动化领域中，无线传感器网络的所需范围为 100m[1]。集群树拓扑是一种混合拓扑，其中星形拓扑中的无线设备聚 集在协调器周围，能够相互通信，并在网格拓扑中连接到网关。这结合 了几种拓扑的优点：根据星形拓扑排列的网络中潜在的低功耗，以及根 据网格拓扑排列的簇树部分的扩展范围和容错能力。

由于工业网络的周期性性质，经常使用时分多址接入(TDMA)，例 如。在无线HART[4]中，以提供可预测的通道访问延迟。通常，定期发 送传感器读数，每个数据包应在下一次数据更新时间之前发送给控制 器。因此，每个数据包的截止日期通常等于它的周期。根据所使用的网 络拓扑结构，在包截止日期前可用的时隙通常被分为直接传输、重新传 输和通过使用中间节点的替代路由进行包转发。存在不同的路由算法和 包转发技术，必须使用特定的调度方案来确保端到端的延迟来分配重新 传输和转发[5]的时隙。在一个超帧中，星形和网格拓扑的时隙分配的 一个例子如图所示。2.3.在星形方案中，只能使用源重传来提高系统的 可靠性。如果控制器上的数据包丢失或损坏，相应的传感器将重复其传 输。由数据包重传引入的时间多样性，可能会导致重新发送的数据包的正确接收，即使它是从相同的源和通过 相同的物理通道发送的。一些重传，例如。如图所示，通常允许在截止 日期前使用两个数据包。这些重传输时隙可以连续地定位为每个源或隔 行的源，以便所有的重传输时隙发生在原始传输之后，这取决于所选择 的调度策略[6]。如果不需要包重传，则分配的时间隙将保持空，因为 发送方-接收方对每个时间隙是预先固定的。另一方面，网格方案同时 利用了时间和空间的多样性。如果初始传输和重传都失败，则选择通过 一个或多个中间节点的替代路由，并通过此路由进行以下重传，图。 2.3点，就像中继一样。集群树网络的时隙分配方案取决于所使用的时 间表。一个时间周期通常由分配给不同集群内的通信的超帧组成。当不 允许同时传输时，集群超帧只可以通过时分方案分离，或者，可以使用 频率和时间分离，允许并行传输，并导致可调度集群[7]数量的增加。

图中示。2.3.星形（上部）和网格（下部）网络的时隙分配示例

2.2. 无线技术

用无线解决方案取代有线网络可以显著降低成本，并提高通信系统 的灵活性和可用性。没有许多米的电线，使网络更容易安装、测试和维 护；使用无线系统，就可以通过收集以前经济上不可行的信息来控制许 多次要过程。无线通信系统可以方便和快速地部署，用于临时测量或紧 急情况。此外，无线工业网络可以提供内置的冗余和故障恢复[8]的功能。

然而，为了便于在工业环境中进行部署，无线系统必须满足它们所 使用的应用程序所规定的所有要求。此外，保持当前使用的网络拓扑结 构通常很重要。回顾一下，工业通信系统的两个主要要求是可靠性和及 时性。此外，为了降低成本，最好使用低复杂度、电池供电和商用的芯 片组用于工厂通信。简而言之，为了具有竞争力和成本效益，工业无线 网络必须满足当今使用有线现场总线所满足的所有要求。此外，需要注意的是，上述要求可区别于工业通信系统和大多数其他无线系统。对于消费行业来说，速度和范围比可靠性和及时性更重要，而对于工业通信 则相反。因此，需要专门针对工业需求而制定的标准。

存在各种各样的标准，目前使用或计划用于工业无线通信系统，例 如。WISA、蓝牙、WLANIEEE802.11、WirelessHART、ISA100.11A和WIA- PA。它们都在2.4GHz的无证ISM频段中运行。WISA[9]是为工厂通信系统 开发的一种新型无线标准，同时提供无线通信和无线电源。蓝牙的优点 是高吞吐量和安全性，但却以高复杂性为代价。然而，蓝牙网络可以支 持的节点数通常相当低。无线局域网在工业系统中一直很有趣，因为它 们通常可以经过测试。然而，它们已被证明不能满足工业实时要求，因 此仅适用于小区级通信[10]。单元级位于场级之上；在单元级上通信的 节点通常是控制器，负责一组传感器节点根据它们属于的公共应用程序 进行分组，e。 g. 一个机器人。 此外，如工业通信系统还需要完整的设备互操作性（也就是说，应该可以在网络 中替换来自另一个供应商的类似的设备，系统仍然可以完美地工作）， 行业很难使用现有的蓝牙和无线局域网标准。由于同样的原因，ZigBee 的使用是有限的，因为它不能满足对健壮性和安全性[11,12]的工业要 求。目前，ZigBee主要用于家庭自动化应用程序。

许多工业标准都是基于IEEE802.15.4标准的。无线网络HART[13]， ISA100.11a[14]，和WIA-PA[15]。基于IEEE802.15.4的标准的主要原因 是它的能耗相对较低，而且还有一些不同的供应商提供的低成本的芯片 组。无线HART是HART协议[16]的一个扩展，被设计用于过程自动化和控 制系统。因此，有线网域网主要专注于可靠、自组织、时间同步和安全 的网状网络。2008-2009年公布了两个新标准；WIA-PA和ISA100.11a。 WIA-PA是由中国工业无线联盟开发的一个IWSN标准。与WirelessHART和 ISA10

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[606513]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word