工业无线网络中冗余机制qos的研究

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1、摘要工业无线网络中冗余机制的QoS研究计算机应用技术专业硕士研究生曾磊指导教师刘枫教授摘要随着信息技术的快速发展，工业无线网络技术成为继现场总线之后自动化领域新的研究热点。工业无线网络技术以其灵活性强、扩展性强、成本低和能耗低等特点，能有效降低工业测控系统的投资成本和使用成本，大大扩展了工业测控系统的应用范围。在863重点项目支持下，由中科院、浙江大学、西南大学等国内lO余家单位共同研发的面向工业过程自动化的工业无线网络标准技术——wIA．PA(WirelessNetworksforIndustri

2、alAutomation．ProcessAutomation)已经成为国际标准文件之一。由于工业应用环境的恶劣性和苛刻性，面向工业实时测控的Wn．PA网络需要解决无线通信中的强实时性和高可靠性问题，使得网络的可靠性研究十分必要，因此如何提高W从．PA网络的可靠性是W认．PA研究开发中的一个重要课题。w认．PA网络采用星型和网状网络结合的双层网络拓扑结构，网络中路由和簇首等关键节点承担着网络中数据转发、数据聚合、通信资源分配和设备管理等重要工作，关键节点一旦失效，将导致关键数据的丢失，甚至导致局部网络

3、或者整个网络的瘫痪。由此可见，节点连续服务的能力至关重要，对W从．PA关键节点冗余机制的研究有着十分重要的意义。本文作者在参与国家863课题w认．PA的研究过程中，深入分析了工业测控现场对W认一PA冗余机制服务质量(QualityofService，QoS)的要求，提出了冗余机制的QoS体系，并在此基础上制定了满足冗余机帛lJQoS需求的心跳算法。该算法针对工业无线网络中的网络延迟和数据丢包问题，提出了动态网络状态估算和基于新鲜点序列的怀疑机制，保证了wn—PA冗余机制的在无扰服务切换允许时间内的有

4、很高的检测准确率，解决了W队．PA原有冗余机制中存在的误检率高、可靠性低的问题。本文首先介绍了w认．PA冗余机制的原理和架构，分析了其中存在的问题并指出了自适应心跳算法(AdaptiveHeartbeatProtocol，AHB)的不足，这些不足导致AHB无法满足工业测控现场的应用。因此，作者研究了wn．PA冗余机制的QoS机制，给出了QoS参数框架和度量参数，并构建W队．PA冗余机制的QoS需求。由于心跳算法是冗余机制的核心，本文基于概率网络模型和随机过程理论研究了满足w认．PA冗余机$IJQoS

5、的心跳算法，提出了动态心跳算法(DynamicHeartbeatAlgorithm，DHB)。DHB提出了根据最近n条心跳信息来动态反应当前网络状态的方法来解决网络延迟的问题，提出了基于新鲜点序列的怀疑机制来解决数据的丢包问题，经过理论分析，DHB算法较好的满足了冗余机制的QoS需求。本文最后进行了仿真实验，一致性仿真实验结果表UYJDHB算法实验结果是与OoS理论分析保持一致的，进一步验证了DHB算法能够满足冗余机制的QoS需求；通过1'i值的仿真实验是耍探索n的取值对冗余机带fJQoS最大检测时

6、间的影响，并选取适合于DHB算法的n的取值范围；对比性仿真实验是对DHB和AHB在满足相同检测速度的限制下进行的关于检测精度的实验，结果表明了DHB在检测精度方面相对于AHB有很大的提升，验证TDHB算法能够给w认一PA冗余机制提供很好的QoS，大大提高了W队．PA网络的可靠性。关键词：冗余服务质量心跳可靠性AbstractQualityofserviceofredundantmechanism●1』■l●■』■inindUStrlaIWlreIeSSnerW0rKSMajor：ComputerAp

7、plicationAuthor：ZengLeiSupervisor：Prof．LiuFengWiththerapiddevelopmentofinformationtechnology，industrialwirelessnetworktechnologyhasbecomethenewhotspotinthefieldofautomationafterFieldbus．Becauseofitshi【ghdegreeofflexibility，scalability，low-cost，low—powe

8、randotherproperties，wirelessnetworkingtechnologymakestheinvestmentcostsandtheuseofcostofindustrialcontrolsystemreductioneffectively。expandstheapplicationscopeofindustrialcontrolsystemgreatly．W从-PA(WirelessNetworksforIndustrialAutomation