EPA Wireless工业实时网络系统的链路可靠性与通信调度研究

摘要

在工业无线应用中，保证通信的可靠性和实时性是其核心要求。本文从如何解决这一问题入手，首先设计了基于簇树形拓扑结构的EPA无线网络原型系统。之后提出了一种基于通信宏周期的EPA无线通信调度框架。在该框架中，规定了时间隙的使用和节点访问信道的基本方法。
　　 在EPA无线通信宏周期的框架下，本文针对单个报文传递的链路可靠性问题进行深入研究。基于对大量实验数据的分析，设计了一种链路质量评估方法。并将这种方法应用于网络拓扑组织以及路由过程中所需的链路质量评估中，满足了过程数据的可靠传输要求。
　　 针对EPA无线宏周期中，多个报文传输时面临的通信调度问题。首先提出了低负载的高精度时钟同步方法来避免宏周期内的报文发送冲突。该方法是一种基于单报文传递的时钟同步方法，解决了分层多跳的无线网络时钟同步问题。使得一跳之内，主从节点间达到高精度的时钟同步仅需要单个广播报文的传递，最大限度的节约了网络资源。
　　 其次，针对EPA无线宏周期的周期通信阶段，提出了周期时段的时间隙分配优化策略。增加了通信宏周期本身的灵活性，保证了工业网络实时性。在周期时段的时间隙分配方案中，涵盖了实际应用中经常涉及的三种网络工作状态，得到的最短通信帧可以保证实时的通信传输，而且实现了对于单个节点时间隙的连续分配，便于报文和时间隙的融合。时间隙的分配过程本身具有低负载、分布式特性。通过原型系统的验证表明，该方案同样可以达到良好的可靠性。在继承了TDMA通信可靠性的同时，这两种方法可以通过实现数量更少、分布更紧凑的宏周期内通信时间隙，进而降低网络的传输延时。

目录

文摘

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致谢

1绪 论

1.1 工业无线技术的意义和特点

1.2 工业无线通讯技术简介

1.3 工业无线的应用与研究

1.4 课题的主要研究内容

2 EPA Wireless通信系统总体设计方案

2.1 EPA Wireless系统总体结构

2.1.1系统整体结构

2.1.2无线节点设备

2.1.3网关模块

2.2 系统物理层实现

2.2.1物理层DSSS调制技术

2.2.2.DSSS调制技术的优点

2.2.3 CC2420物理层工作原理

2.3 EPA Wireless通信调度总体设计

2.3.1 EPA有线系统的通信特点

2.3.2 EPA Wireless通信调度与CSME的比较

2.3.3 EPA Wireless通讯宏周期

2.4 网络节点报文收发设计

2.4.1无线报文帧格式

2.4.2报文发送模块设计

2.4.3报文收取模块设计

2.5 本章小结

3 EPA Wireless链路质量估计及其应用

3.1 EPA Wireless链路质量估计器

3.1.1 PRR、RSSI以及LQI

3.1.2实验及数据分析

3.1.3局部链路质量评估

3.1.4全局链路质量评估

3.2 EPA Wireless网络组织方法

3.2.1新网络的建立

3.2.2设备加入网络

3.2.3地址分配

3.2.4网络通信链路的拆除

3.3 EPA Wireless路由机制及其优化

3.3.1树形网络的路由选择机制

3.3.2路由选择机制改进

3.4 本章小结

4 EPA Wireless时钟同步及宏周期通信调度优化

4.1 广播单报文实现时钟同步

4.1.1时钟同步基本原理

4.1.2传输延时(D)分析以时钟偏差(△)计算

4.1.3时钟同步实验及结果分析

4.2 周期通信调度的优化

4.2.1树形网络示意

4.2.2周期时段数据采集时间隙长度

4.2.3时间隙分配

4.2.4性能评估

4.3 本章小结

5总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的科研成果