面向數(shù)字制造的無線網(wǎng)絡(luò)接入公平及服務(wù)質(zhì)量優(yōu)化研究.pdf

1、IEEE802.11無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為一種面向數(shù)字制造的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，具有低成本、高可靠、易維護、高靈活、易部署等優(yōu)勢，成為二十一世紀(jì)各國科技研究和發(fā)展的重點領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)接入位于數(shù)字制造架構(gòu)體系的最底層，為數(shù)字制造系統(tǒng)有效獲取制造資源信息，實現(xiàn)數(shù)字制造資源管理和服務(wù)調(diào)用的基礎(chǔ)，也是數(shù)字制造活動中資源信息交互的前提。因此，網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)優(yōu)化對提升數(shù)字制造系統(tǒng)的性能具有重要意義。本文對面向數(shù)字制造的無線網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)相關(guān)理論和關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，在

2、深入分析IEEE802.11協(xié)議性能的基礎(chǔ)上，針對上下行流不平衡、信道接入不公平問題和缺乏區(qū)分服務(wù)功能等問題，進行深入研究，一一提出解決方案，從而為基于無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字制造系統(tǒng)整體性能提升奠定了理論基礎(chǔ)。本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　(1)基于數(shù)字制造系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)存在的問題，提出優(yōu)化目標(biāo)和解決途徑。
　　公平和網(wǎng)絡(luò)利用率之間的制約關(guān)系普遍存在于各種資源分配問題中，通過分析來尋求這兩種優(yōu)化目標(biāo)的異同之處是解決上述矛盾的關(guān)鍵

3、所在。本文利用這種制約關(guān)系來研究在資源優(yōu)化公平配置條件下，提高網(wǎng)絡(luò)利用率。在時間公平和流量均衡等約束條件下，以網(wǎng)絡(luò)利用率、服務(wù)質(zhì)量和吞吐量等性能為協(xié)同優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計出能夠依賴應(yīng)用要求自適應(yīng)調(diào)節(jié)的優(yōu)化機制及其實現(xiàn)算法，適合無線傳感網(wǎng)絡(luò)自組織、可靠性高、抗干擾性強、高移動性、保密性好等特性，并通過嚴(yán)格理論分析和實驗的手段評價和比較所設(shè)計機制與算法的性能。
　　(2)數(shù)字制造系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)接入存在的上下行流不平衡問題優(yōu)化研究
　　IE

4、EE802.11 MAC協(xié)議工作在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模式下，當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)中分別存在m條下行流和n條上行流，則任何一條上行流的吞吐量是任意一條下行流的m倍，故網(wǎng)絡(luò)中存在嚴(yán)重的不公平性問題。對該問題展開深入的分析和研究，提出了基于吞吐量均衡的上下行帶寬公平分配算法(FBAUD)，該算法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況，通過動態(tài)優(yōu)化相關(guān)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，使任一條下行流的吞吐量與上行流吞吐量相同，實現(xiàn)無線信道的公平合理分配。通過理論分析和實驗顯示，該算法能夠有效解決上下行流不平衡產(chǎn)生

5、的不公平性問題，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)公平，且提高了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)吞吐量性能。該算法在實際網(wǎng)絡(luò)中使用時，僅需在中心節(jié)點實施，省去了對諸多客戶端一一配置的工作，節(jié)省了工作量。
　　(3)數(shù)字制造系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)接入存在的信道公平性問題優(yōu)化研究
　　由于IEEE802.11 CSMA/CA工作機制，當(dāng)某一節(jié)點正在發(fā)送數(shù)據(jù)時，其鄰近節(jié)點在該節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中不能發(fā)送數(shù)據(jù)，產(chǎn)生隱藏節(jié)點問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)碰撞增加，網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降，嚴(yán)重降低了網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。針對

6、該問題，對多速率IEEE8020.11MAC層公平性問題進行深入分析和研究，并提出了基于信道接入概率公平優(yōu)化算法(FOPCA)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況，通過動態(tài)優(yōu)化時隙，使各節(jié)點的吞吐量相同，實現(xiàn)信道資源的公平合理分配。理論分析和實驗顯示，F(xiàn)OPCA能夠有效地解決隱藏節(jié)點產(chǎn)生的不公平性問題，極大地改善了網(wǎng)絡(luò)公平性能，同時提高了系統(tǒng)吞吐量。
　　(4)數(shù)字制造中網(wǎng)絡(luò)接入的服務(wù)質(zhì)量研究
　　服務(wù)質(zhì)量(QoS)是面向數(shù)字制造系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)接入的

7、一個關(guān)鍵問題。而 IEEE802.11 MAC層缺乏QoS保障，而目前IEEE802.11的區(qū)分服務(wù)研究大都基于單速率，極少考慮多速率情況，針對該情況，首先，建立了多速率下的IEEE802.11協(xié)議模型；其次，提出了實時自適應(yīng)優(yōu)化控制的QoS區(qū)分服務(wù)策略(QRAOC)，根據(jù)節(jié)點的優(yōu)先級情況，該策略通過偵聽網(wǎng)絡(luò)信息，實時自適應(yīng)優(yōu)化相關(guān)協(xié)議參數(shù)，實現(xiàn)吞吐量區(qū)分的效果。通過理論分析與多場景實驗表明，該策略能夠有效地實現(xiàn)多速率情況下吞吐量的區(qū)分

8、功能，解決了不同優(yōu)先級用戶對QoS的不同需求，達到了系統(tǒng)的公平性最優(yōu)，提高了系統(tǒng)吞吐量。
　　(5)本文取得的成果應(yīng)用研究
　　分析了某工廠整車生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)接入狀況，將本文提出的無線網(wǎng)絡(luò)接入性能優(yōu)化研究成果在該工廠進行了應(yīng)用研究，顯示本文的研究成果能夠有效解決數(shù)字制造網(wǎng)絡(luò)接入中存在的影響生產(chǎn)效率的問題：汽車生產(chǎn)車間網(wǎng)絡(luò)接入上下行流不平衡問題、信道公平問題和QoS問題，與優(yōu)化之前相比較，顯著改善網(wǎng)絡(luò)性能，保障了生產(chǎn)的順利展開和提