工业有线--无线传感器网络透明传输技术的研究及应用

摘要

由于其独特的特性，无线网络目前变得越来越具有吸引力，而且更多地被使用在工业自动化和制造应用领域。然而，至少在中短期时间内，它们还不能完全替代在这样的环境中更为传统的有线网络。这就意味着对于目前的情况，为了达到增强整体网络系统的灵活性、效率和性能的目的，将它们与现有的工业有线连接通信方式进行整合的解决方案是值得关注的。针对无线传感器刚络的特点，研究工业有线-无线传感器网络透明传输的理论和应用技术具有非常重要的意义。 基于低功率无线个人区域网的IPv6网络(6LoWPAN)是一个简单的低成本的通信协议，允许在功率有限的应用中实现无线连接。6LoWPAN采用了IPv6协议栈，以实现在基于IEEE802.15.4的网络和基于IPv6的基础设施之间的无缝连接。 本文结合工业自动化对无线传感器网络的应用需求，专注6LoWPAN在工业环境中监测和控制的应用中如何保证在节点间交换消息的实时性的理论与技术展开了深入研究。 本文取得的理论研究成果和创新点如下: 1.本文提出了一种基于mesh under的新的路由方案，称之为controlled meshunder。考虑到无线传感器网络中转发网帧的主要问题，本文研究了不同的路由解决方案（route over，mesh under和enhanced route over），关注它们如何转发报文分片。本文评价了当传输IP分段的数据包时，它们在延迟和能量消耗方面的性能。所有的测试均已经在一个真正的6LoWPAN实现中完成。 2.在本文中提出了LoWMob，这是一个适合移动6LoWPAN节点的，基于网络层的移动性方案，6LoWPAN节点的移动性在网络层处理。LoWMob确保在6LoWPAN中静态节点的帮助下实现网关和移动节点之间的多跳通信。为了减少支持移动节点而产生的静态节点信令开销，在LoWMob中提出了一种在6LoWPAN适配层支持移动性的包格式。本文中也提出了一个分布式版本的LoWMob，命名为DLoWMob（或分布式的LoWMob），它采用移动性支持节点(MSP)来分配集中在网关的通信量，并且优化了在6LoWPAN中源和目的节点之间的多跳路由路径。此外，本文中还讨论了所提出的移动性方案在安全性方面的考虑，并且从移动信令消耗、端到端延迟和包传送成功率等方面评价了所提出的方案。 3.本文提出了一个适合6LoWPAN中命名为6LoMSN的移动传感器节点的协议，此方案基于代理移动IPv6标准(PMIPv6)。传统的PMIPv6标准只支持单跳网络，并不能应用于多跳的6LoWPAN网络。它既不支持6LoMSN的移动性也不支持称为6LoGW的6LoWPAN网关，而且还不能检测出PAN中6LoMSN的连接。因此，本文提出了一个6LoMSN移动通知协议，以支持其在多跳的6LoWPAN环境中的移动性。6LoMSN的连接通过使用路由器征集(RS)消息和路由器广播(RA)消息降低了无线链路的信令开销。性能评估结果表明，所提出的协议可以减少总的信令成本以及跨区域切换延迟。 此外，本文基于PMIPv6标准来评估该方案在工业自动化系统中的设计和实现。根据实验结果，在所提出的基于PMIPv6的6LoWPAN中，预期6LoMSN能使用更长的电池寿命。本文还确认了即使6LoMSN没有移动性协议栈而且能自由地在PAN之间移动，它也可以保持连接。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 工业有线-无线传感器网络概述

1．1．1 基本概念和特点

1．1．2 主要应用领域

1．1．3 关键研究方向

1．1．4 国内外研究现状

1．2 论文的研究意义

1．2．1 研究面临的挑战

1．2．2 现有研究的不足

1．2．3 论文研究的意义

1．3 论文的主要内容

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 论文组织结构

1．4 小结

第2章 基于网络层的异构有线-无线网络融合

2．1 工业有线-无线传感器网络的发展趋势

2．1．1 异构工业有线-无线传感器网络融合的特征

2．1．2 异构工业有线-无线传感器网络应用场景

2．2 异构工业有线-无线传感器网络融合的技术

2．2．1 WSN与IPv6网络互连的可能性

2．2．2 WSN与IPv6网络互连的方式

2．3 WSN与IPv6网络互连需要解决的问题

2．4 小结

第3章 工业有线-无线传感器网络IP分片转发

3．1 引言

3．2 相关工作

3．3 6LoWPAN转发策略优化

3．3．1 Route Over

3．3．2 Enhanced Route Over

3．3．3 Mesh Under

3．3．4 Controlled Mesh Under

3．4 实验结果与性能分析

3．4．1 往返延迟时间评估

3．4．2 端到端延迟时间评估

3．4．3 电流消耗

3．5 小结

第4章 工业有线-无线传感器网络区域内切换

4．1 引言

4．2 相关工作

4．3 6LoWPAN中可能的移动性场景

4．4 系统建模和假设

4．5 LoWMob移动性支持方案

4．5．1 新的MN加入PAN

4．5．2 切换支持

4．5．3 消息格式

4．6 分布式LoWMob(DLoWMob)移动性支持方案

4．6．1 在DLoWMob中的切换过程

4．6．2 在方案DLoWMob中的PAN内通信路由优化

4．7 关于所提出的移动性方案中安全方面的考虑

4．7．1 LU身份验证

4．7．2 在MN被允许加入到PAN中之前的身份验证

4．7．3 相互认证的MN及其未来的SN

4．7．4 确保MN的数据包安全

4．7．5 修改MSP中MN的路由入口条目消息的身份验证

4．8 性能评估

4．8．1 端到端延迟和数据包成功率

4．8．2 切换开销

4．9 小结

第5章 工业有线-无线传感器网络跨区域切换

5．1 引言

5．2 相关工作

5．2．1 6LoWPAN中基于主机的移动性

5．2．2 基于网络层的6LoWPAN移动性

5．3 设计方案

5．3．1 移动检测和关联

5．3．2 家乡网络注册

5．3．3 路由器征集消息格式

5．3．4 路由器广播消息格式

5．4 性能评估

5．4．1 网络和移动模型

5．4．2 分析模型

5．4．3 仿真结果

5．5 小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介