基于ieee802.11物理层的工业无线通信协议栈设计与实现

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1、分类号学号M201272221学校代码10487密级硕士学位论文基于IEEE802.11物理层的工业无线通信协议栈设计与实现学位申请人：程英杰学科专业：控制理论与控制工程指导教师：秦元庆讲师副指导教师：周纯杰教授答辩日期：2015年5月25日AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftherequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringDesignandImplementationofIndustrialWirelessCommunica-tionProtocolStackBasedonIEE

2、E802.11PhysicalLayerCandidate:ChengYingjieMajor:ControlTheoryandControlEngineeringSupervisor:LecturerQinYuanqingCo-Supervisor:Prof.ZhouChunjieHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaMay,2015独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何

3、其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师

4、签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学硕士学位论文摘要无线技术已经广泛的运用于工业控制领域，特别在流程工业过程控制中，已经出现了成熟的国际标准，而且随着德国“工业4.0”概念的提出，中德“工业4.0推动联盟”的成立，无论是国内还是国际上，都已经将数字化工厂、智能制造等概念推进到炙手可热的地步。本文结合这个大背景、大环境，针对工厂自动化无线控制网络对高速、高实时性、高可靠性等性能的需求，基于IEEE802.11协议物理层，实现了一种面向高速无线通信网络，可应用于实际嵌入式平台的实时无线通信协议栈。本文首先对工厂自动化中无线通信网络的特点进行需求分析，确定了本文工业无

5、线通信协议栈结构，结构分为五层，从下到上依次是物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层。其中，物理层采用了IEEE802.11协议的物理层，以满足工业通信的高速性要求，数据链路层采用了TDMA（TimeDivisionMultipleAccess）信道接入技术，自动ACK（Acknowledgement）机制，以满足工业通信实时性、可靠性要求。然后对TDMA信道接入技术的特点进行分析，确定了工业无线通信协议栈在设计过程中需要解决的三大关键技术：MAC（MediaAccessControl）时延控制，高精度时间同步算法，TDMA调度算法。在MAC时延控制部分，为了保证

6、通信时延的确定性，禁用了linux内核底层影响MAC时延的各项机制，包括物理载波侦听机制、虚拟载波侦听机制、退避机制、自适应速率机制等。在高精度时间同步算法方面，设计了一种基于线性回归的单向时间同步算法，实际测试结果表明，该算法同步精度可控制在25us之内。在TDMA调度算法部分，提出了一种基于动态时隙分配的TDMA调度算法，且在linux内核中实现了该算法。本文将工业无线通信协议栈移植到wifi无线路由开发板中，并搭建单跳星型网络拓扑结构的测试平台，对协议栈的功能、性能分别进行了测试，测试结果表明，该协议栈各项性能表现较好。关键词：IEEE802.11；工业无线网络

7、；TDMA；LinuxI华中科技大学硕士学位论文AbstractInrecentyears,wirelesstechnologyhasbeenwidelyusedinindustrialfield.Especiallyinindustrialprocesscontrolfield,therehavebeenmatureinternationalstandards.Atthesametime,withtheintroductionoftheGerman"Industry4.0"concept,andtheformationoftheChinaandGe