工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)功率控制策略研究.pdf

1、隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展和日益成熟,無線技術(shù)走入了工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域,并成為了工業(yè)控制系統(tǒng)研究的熱點;工業(yè)無線技術(shù)擁有低成本、低功耗、部署簡單等眾多優(yōu)點,擁有著廣泛應(yīng)用的前景。多個國家和企業(yè)紛紛加入到工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究和開發(fā)當(dāng)中,并且研究出了國際認(rèn)可的多個協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),其中WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)作為擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的審批通過,表明了我國在工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究領(lǐng)域當(dāng)中,已經(jīng)處于技術(shù)領(lǐng)先的領(lǐng)先行業(yè)。
　　 工

2、業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA-PA作為一種新興的技術(shù),擁有高實時性、高可靠性、低功耗與低成本的特點,在各個方面研究不斷走向成熟的同時,也依然存在傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)所面臨的技術(shù)難題,如網(wǎng)絡(luò)能耗問題。在WIA-PA技術(shù)協(xié)議棧層次結(jié)構(gòu)中,物理層和MAC層兼容IEEES02.15.4協(xié)議,采用了TDMA等一系列節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能耗的設(shè)計,然而,對于采用自身攜帶電池供電、且更換電池不方便的WIA-PA網(wǎng)絡(luò)節(jié)點來說,節(jié)點能量相當(dāng)有限,需要盡可能節(jié)省可以節(jié)省的能量、盡可能去除

3、不必要的能量消耗。
　　 本文作者在參與WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的研發(fā)工作中,對WIA-PA網(wǎng)絡(luò)能量消耗問題進(jìn)行深入研究,發(fā)現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點采用恒定的功率發(fā)送消息會對傳感器節(jié)點能量造成不必要地浪費,這會影響網(wǎng)絡(luò)的生存周期。結(jié)合WIA-PA工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的特點和網(wǎng)絡(luò)能耗需求,及不影響網(wǎng)絡(luò)其他性能的前提下,在PCSMAC功率控制協(xié)議的基礎(chǔ)上,提出了一種基于RSSI和SIR的非對稱鏈路功率控制算法PCWIA(PowerControlProtoc

4、olforWlA-PAbased0nRSSIandSIR),該算法考慮了信道中存在的干擾和無線鏈路的非對稱性對功率控制的影響,根據(jù)節(jié)點間距離和無線鏈路質(zhì)量動態(tài)地調(diào)整發(fā)送功率,盡量減少節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包所需的發(fā)送功率,進(jìn)而減少節(jié)點的能量消耗,最終延長網(wǎng)絡(luò)生存周期和提高網(wǎng)絡(luò)的能量效率;并且由于減少了每個源節(jié)點在發(fā)送信號時的范圍,因此通信節(jié)點間的相互干擾降低,從而也提高了網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量,最終提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。
　　 本文首先從網(wǎng)絡(luò)級功率控

5、制、鄰居節(jié)點級功率控制和獨立節(jié)點級功率控制的角度分析了當(dāng)前已有功率控制算法,并指出了這些協(xié)議或策略應(yīng)用于WI-PA所存在的不足。經(jīng)研究分析發(fā)現(xiàn)只有PCSMAC協(xié)議計算最小發(fā)送功率的思想最接近于WIA-PA的網(wǎng)絡(luò)特點。因此,作者在PCSMAC的基礎(chǔ)上,基于WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的無線鏈路特點及對功率控制協(xié)議的要求,提出了一種基于RSSI、SIR和非對稱鏈路的功率控制策略PCWIA。針對PCSMAC在計算最小發(fā)送功率時采用的鏈路衡量指標(biāo)單一,計算

6、出的最小發(fā)送功率準(zhǔn)確度不夠且對鏈路質(zhì)量變化不敏感;并且基于無線鏈路的對稱特性的假設(shè)前提不成立等問題,結(jié)合WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的特點,PCWIA的最優(yōu)發(fā)送功率是基于綜合的鏈路衡量指標(biāo),使得其準(zhǔn)確度更好且對網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量的變化及時應(yīng)對,增強了功率控制策略的有效性和魯棒性;并且考慮無線鏈路的非對稱特性,防止了網(wǎng)絡(luò)采用功率控制后無線鏈路不對稱造成數(shù)據(jù)包的丟失,進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)性能及網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能效果。最后,在本文利用NS2仿真軟件所配置的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,理論上采