基于DRNG的WIA-PA网络拓扑控制研究

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无线传感器网络作为21世纪具有重大影响力的技术之一,成为自动化技术研究领域的研究热点。工业无线传感器网络是在传统无线传感器网络基础上发展而来的,除了具备无线传感器网络中低能耗、低成本、实时性等特点外,还对工业现场的可靠性提出了很高的要求,以保证在工业控制现场中设备的数据采集和控制能够符合工业生产的需求,完成对工业流程的自动化监控和操作。面向工业过程自动化的工业无线网络标准技术——WIA-PA (Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation)是由中科院沈阳自动化研究所牵头研发的具有我国自主知识产权的工业无线标准,并于2008年正式成为国际工业无线通信标准之一。针对工业现场中复杂多变的环境,WIA-PA标准提出了工业无线网络通信的高可靠性、实时性、超低能耗等一系列具有挑战性的研究课题。而作为工业控制现场来说,保证工业现场安全、可靠的运作是生产过程中最基础、重要的工作之一,所以在使用工业无线网络替代传统工控设施的过程中,必须能够保证无线网络传输的高可靠性。WIA-PA协议采用网状(Mesh)网络和星型(Star)网络传输控制结构,实现了对工业无线网络路由节点的分布式管理和对工业现场设备的集中式控制。通过星型网络集中式管理可以降低工业现场数据传输和控制的复杂度;通过网状网络的高密度节点的布置可以提高网络的可靠传输。但是对于网状网络来说,节点的密度过大也会造成网络的拓扑结构过于复杂,反而增加了节点通信的干扰,影响了数据传输的质量,减低了网络的可靠性,影响了网络传输性能。本文的研究重点就是针对网状网络的结构特点,优化网状网络的拓扑结构,降低节点间通信干扰,提高网络传输的可靠性。本文首先介绍了三种主要工业无线标准、传统拓扑控制意义和方法,结合WIA-PA的网络特点,选择了基于邻近图的DRNG算法作为研究的对象。针对DRNG算法应用于WIA-PA网络中存在发送节点快速死亡、邻居节点质量不高的问题,本文提出了基于节点度(Node Degree)、链路质量指示(Link Quality Indicator)和剩余能量(Residual energy)的算法——LR-DRNG(LQI&Residual energy DRNG)。LR-DRNG算法的思想是利用节点度调整发送节点功率,改进DRNG算法以最大功率发射广播消息造成发送节点快速死亡的问题,降低节点的发射能耗;使用链路质量指示作为链路权重,改进DRNG算法中单纯的采用欧氏距离作为邻居节点选择权重的问题,以提高节点传输可靠性;利用剩余能量策略延长邻居节点在网时间,延长整个网络的生存时间;利用节点休眠策略减少节点间通信干扰,提高网络的可靠性,弥补节点失效。通过LR-DRNG算法对WIA-PA网络的拓扑控制,达到延长网络生存周期和提高网络传输可靠性的目标。本文通过对常用仿真工具的对比,使用NS2仿真平台对DRNG和LR-DRNG算法的网络平均丢包率、网络平均时延、网络吞吐量和网络生存周期进行了对比验证。仿真实验结果表明,本文提出的改进算法降低了网络丢包率和网络时延;提高了网络吞吐量;延长了网络生存周期,同时对于低剩余能量节点也起到一定的保护作用,对比DRNG算法取得了较好的结果。通过仿真实验验证,在相对平稳的网络环境中,LR-DRNG方法能够减低DRNG算法约12.5%的丢包率;网络平均时延相对稳定并明显低于DRNG算法,延长了WIA-PA工业无线网络19%的生存周期,验证了LR-DRNG算法适用于WIA-PA的有效性。
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