基于链路质量度量的工业无线网络路由策略研究

摘要

网络技术的快速发展,使得传统的工业控制领域也有了天翻地覆的变化。无线热潮也渗透到了工业领域中,在其引领之下,工业无线通信技术得到了快速发展。工业无线通信技术是一种面向设备间信息交互的无线通信技术,是对现有工业通信技术在工业应用方向上的功能扩展和提升。工业无线网络WIA-PA模型(Wireless Networks for Industrial Automation-ProcessAutomation)是我国一项具有自主知识产权的无线网络技术。它是在国家863项目的支持下由中科院沈阳所、西南大学等10余家单位共同研究开发的。WIA-PA是基于IEE802.15.4标准的用于工业过程测量、监视与控制的无线网络系统,是一项近距离、低复杂度、低功耗、低成本的双向无线通信技术。在工业控制领域中具有深厚的发展潜力和广阔的市场前景。
　　 WIA-PA技术采用Mesh+Start双层拓扑结构,Mesh层主要是由网关和路由设备构成,start层主要是由路由设备和现场设备构成。现场设备的网络层不具备路由功能,因此在WIA-PA网络中所有的路由节点几乎都处于同等地位,这一特点也同Ad Hoc网络具有极大的相似性。WIA-PA技术是一项新兴的技术,目前对其路由技术方面研究较少。而Ad Hoc网络经过多年的研究应用则有较多典型的路由研究。鉴于WIA-PA和Ad Hoc网络的相似性,本文从Ad Hoc网络的路由协议入手,对其传统的路由协议进行分析比较。在此基础上结合WIA-PA网络自身的特点,对其应用在WIA-PA中的不足之处进行改进,提出适合WIA-PA的路由算法。
　　 本文首先介绍了论文工作的背景、意义以及所做工作,同时对工业无线网络WIA-PA的结构和特征给出了详细描述。WIA-PA主要应用在工业控制领域,对网络的可靠性和实时性都有较高要求。而实际的工业环境都十分恶劣,干扰因素复杂多样,对网络的链路质量会造成一定影响。链路质量对网络通信的效率和可靠性又具有十分重要的意义。因此在设计路由协议的过程中,将链路质量作为考虑因素能对网络通信的可靠性提供保障。目前对无线网络的链路质量度量方法主要有ETX、RSSI、LQI、WMEWMA等。本文对链路质量度量方法和设计WIA-PA路由协议的要求进行了分析,并且在此工作的基础上从基于链路质量度量的路由协议的角度出发,对与WIA-PA网络结构相似的Ad-Hoc网络的路由协议进行研究。在深入分析Ad-Hoc网络典型的路由协议在WIA-PA中的应用之后本文选择AODV路由算法作为研究对象,并针对AODV协议仅以最小跳数为依据进行路由,不能满足WIA-PA网络可靠性的要求在AODV的基础上引入了链路质量度量并改进了AODV原有的路由更新策略,提出了一种新的LQBA路由算法。最后,利用NS2仿真平台对该路由算法和AODV路由算法在吞吐量、丢包率和网络平均剩余能量方面进行分析对比。仿真结果表明,本文提出的LQBA路由算法在提高网络吞吐量、降低网络的丢包率等方面取得了较好的效果,并能很好的应用到WIA-PA网络中去,最终有效地保障了网络通信的可靠性。