1、西南大学硕士学位论文工业无线网络簇信道分配算法研究姓名：岳飞艳申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：刘枫20100401两南大学硕士学位论文通过仿真实验，与两个典型的图着色算法混合遗传算法、算法 进行分析比较，表明算法的执行效率明显超过了混合遗传算法，不管是不同 规模的稀疏图还是不同规模的稠密图，其算法的执行时间均不超过几十毫秒，而混合遗传算法少到几秒，多至几分钟几十分钟不等。算法相比算法，在中小规模的稀疏图上表现相当，但随着问题规模的扩大， 优势就越明显。当 顶点数增加到个时，算法相对算法的执行时间大约提高了，当顶点数增加到时，则大约提高了。同样，在稠密 图上，当 顶点数增加到个
2、时提高了约，增加到个顶点时约提高了，个顶点时约提高了。总体来说，算法在执行效率上远远超过混合遗传算法，相比算法，大体提高左右。在解的质量上低于混合遗传算法，略低于算法。最后，将算法应用到几个典型的网络拓扑结构的簇信道分配中，其实际情况不管是信道使用的数目还是算法的执行时间，均能满足的要求。关键词：信道分配簇信道图着色集合：，：，盱缸，诵，队，印，一，西南大学硕士学位论文，。，；，码疽 扭，；，；，；，；，咖咖，：；学位论文题目：独创性声明本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加了标注。学位论文作者：签字日期：年月日学位论
3、文版权使用授权书本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生部可以将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、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密，口保密期限至年月止）。学位论文作者签名：签字日期：年月日导师签名：签字日期：绪论曼曼曼曼鼍曼量皇曼曼量量曼鼍置皇曼舅曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼曼曼曼舅！曼曼曼皇量曼曼蔓蔓皇舅曼量曼皇曼笪曼曼曼鼍曼曼曼曼蔓皇曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼鼍曼毫曼曼曼曼曼曼第一章绪论研究背景在计
4、算机技术、通信技术和网络技术等主流技术的发展推动下，工业通信技术的发展经历几大阶段：世纪六七十年代的模拟仪表控制系统、世纪八九十年代的集散控制系统（）和世纪末的现场总线控制系统（）阶段，如今正逐步向智能化和网络化的方向推进。在工业测控系统规模不断扩大的趋势下，工 业通信技术当前发展的迫切要求是降低投资成本。根据当前市场研究统计，用在安装和使用上的成本大大超过了市场本身的份额，这成为阻碍工业通信技术发展的主要瓶颈。在此环境下，无线传感器网络的低成本、易用性、泛在感知等关键特征引起了人们广泛的关注。无线传感器网络是由大量的、无处不在的微小无线传感器节点密集部署在监控区域，节点具有少量的通信与计算能
5、力，并通过自组织形成整个网络系统。由于节点规模大，无 线传感器网络很难像传统的传感器系统那样，人工地 对网络进行精确的部署和管理，更多的是表现出一种任务自主完成的“智能”性】。有了无 线传感器网络的低成本、易用性和泛在感知等技术特征，人们可以以相对以前的高投资、高使用成本 转而到今天的低投资、低使用成本 实现对工业流程的全面监测和管理， 获取由于传统系统的高成本原因无法在线监测的重要工业过程参数，并在此基础上实施工业 流程的优化控制，来达到提高产品生产质量，降低工业生产过程中人工无法检测导致的跑冒滴漏，提高工业流程效率的目标。工业无线网络在无线传感器网络的基础上发展而来，且 继承了无线传感器网
6、络的自组织、大规模网络、多跳路由、以数据 为中心等特点，工业无线网络又和无线传感器网络有所不同，工业无线网络是满足工业应用高可靠、低能耗、硬 实时等特殊需求的一类无线传感器网络。在自动化领域，工业无线技术是在 现场总线高速发展之后又一个研究热点，它是降低工 业测控系统的成本、提高工业测控系 统应用范围的关键所在，也是工业自动化方面的产品在未来几年内新的卖点。工业无线技术是一种新兴的工业无线通信技术，面向设备间短程、低速率的数据交 换，适合应用在工业生产现场环境或人类不宜到达的高温、高压等区域，具有很强的抗干扰能力、超低能耗、实时通信等技术特征，是对现有工业通信技术在工 业应用方向上的功能扩展和
7、提升，也是对现有的现场总线控制网 络应用在工业通信上的重要完善和补充。目前，国内外正同步研究、开发应用于工业生产现场的工业无线网络技术及其通信协议标准。市场的争夺其实就是标准的争 夺， 谁掌握了标准，就意味着谁拿到了市场的王牌。国外以美国、德国企业为代表已经投入巨大 资源开展相关技术研究。典型的有美国仪表系统与自动化协会推出的 标准，以及基金会推出的标准。国内有中科院沈阳自动化研究所、西南大学、重庆邮电大学等余家单位为代表的中国工业无线网络联盟经过数年艰苦的自主研发和技术攻关，最 终推出适用于过程自动化的工业无线网络西南大学硕士学位论文认，其形成的规范于年月日获得的认可，被列入国际标准制定项目
8、。当今，这三种标准已发展成了鼎足之势。经过对工业无线网络特点的研究分析，得出它与传统的无线网络（典型的有和蜂窝移动电话网）在技术实现上有着不同的要求【】首先，两者有着不同的设计目标，传统的无线网络在高度移动的环境下以最大化网络带宽的利用率为目标，优化路由和资源管理策略，同时，为用户提供一定的质量保证。而工 业无线网络中的节点通常运行在人无法接近的工业生产环境甚至高度危险的远程环境，除一小部分节点需要移动外，大部分节点是静止不动的，节点能源无法更换，所以，工业无线网络的核心目标是设计有效的策略来延长网络的生命周期。其次，传统的无线 网络以传输数据为中心，在设计思想上服从端到端的边缘论思想，中间节
9、点只需负责对数据的转发，在网 络的端系统上对数据进行与功能相关的处理。然而，工业无线网络却以数据为中心，它的 设计目标并非像传统的无线网络那样以传输数据为中心，用户对所需数据的收集可能并不依靠节点的标号。所以，某些适用于传统的无线网络的协议和算法并不适合工业无线网络的特殊性和具体的应用需求【】。在工 业无线网络中，相邻节点之间的距离可能很短，设计具有低损耗的多跳通信方式能大大节约能量，同时，增加网络通信的隐蔽性，也避免了长距离无线通信容易遭受外界的噪声干扰；此外，在工业无线网络中，传输的数据大多是工业过程控制参数，以及一些少量的报警数据， 这些数据都要求实时、无误地传输。这些独特的要求和制约因
10、素为工业无线网络的研究提出了新的技术问题。通过对工业无线网络的综述，无线通信资源分配问题是工业无线网络研究的关键问题。它贯穿于工业无线网络研究的很多层面，直接影响网络的总体性能，包括系统的生存周期、运行性能等。对于资源受限的工业无线网络而言，其无 线通信资源分配问题研究意义重大。国内外研究现状在无线通信网络中，无线通信资源可被分割成一组互不干扰的信道（如：子信道、时隙和扩频码），所有这些信道在保证可接受的通信质量范围内，可以被共享使用。使用方式，无线通信资源是一帧中特定的所有时隙；使用方式，无线通信资源则是一个固定的频率带宽；对于方式，则是某一类特殊的编码。工 业无线网络使用全网同步的接入方式
11、，将时间划分成一个一个的时隙，物理层使用基于标准的物理层各种信道，无线通信资源就是信道和时隙。 对于的无 线通信资源分配问题需要综合考虑信道和时隙这二维的因素。（，媒体介质访问控制）协议处于工业无线网络协议的底层部分，主要用于在无线节点间公平有效地使用共享通信媒介，对工业无线网络的性能有较大影响，是保证：业无线网络有效通信的关键网络协议之一。在无线网络中，存在多个节点设备 可能同时使用同一信道， 导 致节点间相互冲突，使接收绪论量曼曼曼皇曼曼量曼曼曼曼蔓曼曼曼皇皇舅皇曼曼皇鼍曼曼曼皇皇曼曼曼曼曼曼鼍曼蔓曼曼曼蔓曼曼曼量曼曼皇曼曼量置曼皇曼量量曼曼曼量曼寡量曾曼皇曼皇量皇舅方无法正确识别出接收到
12、的数据，这样必会造成通信资源浪费，吞吐量下降等问题。 为了解决这些问题，就需要 层协议。协议所定义的就是通过一系列规则来更有效地和公平地使用共享通信媒介。无线传感器网络通过随机或者有规律的部署方式把节点大量部署在工业生产现场的内部和周围区域，通过自组织方式构成整个网 络，并完成工 业数据的采集和 传输。它的重要特点是节点数量多、网络规模大。然而，当网络规模逐渐扩大时，节点间的通信碰撞则大大降低了网络吞吐量、通信实时性等网络性能指标。层的相关 协议大致可以分为基于竞争以及基于时间表两类协议。其中，基于竞争的协议通过退避机制避免不同节点的通信冲突，但当网络载荷较高时，节点间的冲突概率将交得很大 【
13、】。文献】的成果表明：使用典型的（）协议时，网 络载荷从增加到，丢包率从左右快速增加到约左右。当网络载荷增加到之后，冲突概率则达到以上。基于时间表的协议（例如）通 过为每个 节点分配不同的通信时隙来避免冲突。然而在分簇的网络拓扑结构中， 为了保证全网通信的连通性，相 邻簇间必然会有一定的覆盖重叠。传统的基于时间表的协议可以确保簇内通信不碰撞。但是却无法保证簇间通信不冲突。工业无线网络的 层主要任务是保证网络设备间数据的可靠、安全、无误、实时地传输。 认数据链路层兼容的基于信标使能的超帧结构，并根据工业无线的需求对其进行了扩展。数据 链 路层支持基于时隙的跳频机制、重 传机制、和混合信道访问机制
14、，不但确保簇内通信不碰撞，同时也确保了簇间通信不冲突，保证了数据传输的可靠性和 实时性。现有的无线通信领域内，比较成熟的信道分配技术主要有移动蜂窝网中的信道分配技术，该技术主要有固定信道分配（，）、动态信道分配（，）以及混合信道分配（，），。固定信道分配技术事先按地理位置来划分每个小区，小区的形状则理想化为标准微蜂窝状，将信道分成几个组，每一 组固定的分配给为某一个小区，估 计干扰，反复调整【羽。固定信道分配技术的主要优点是简单，无需繁琐的信道选择，缺点则是频带利用率低，不能很好的适应随着通信网络中负载的变化来及时、动态地改变网络中的信道规划。在工业无线网络中，网络的分簇过程是自动完成的，每个
15、簇的频率事先无法人 为分配，显然固定信道分配技术是不适合应用到工业无线网络中的。为了克服存在的缺点，技术运用而生并得以广泛发展。 动态信道分配技术可大致分为两个实施阶段：第一个 阶段是把资源分配，区，即慢速；第二个阶段是把资 源分配给小区内的承载业务 ，即快速。慢速的主要任务是为各个小区分配通信资源，并根据小区内业务不对称性的 变化，在每个小区内分配和调整上下行链路的资源，使资源的上下行传输能力和业务的上下行负载的比例关系相匹配，以获得最佳的频谱效率。快西南大学硕士学位论文速为申请接入的用户分配满足其业务要求的无线资源，并根据系统的状态对已分配的资源进行调整。快速寻找质量较好并且能够提供稳定服
16、务的信道分配给用户。同时， 为了保证用户的服务质量，系统在用户接入网络以后对用户的通信质量进行在线检测，当用户的通信质量变得恶化时，系统从对用户的服务质量要求、干扰情况等方面综合考虑，做出判断，可能重新分配质量好的无线资源给用户，保证用户服务的稳定性【】。混合信道分配技术综合了固定信道分配和动态信道分配技术，为每个小区分配一组固定的信道，另一组信道则用于灵活的动态信道分配【】。以上这些信道分配技术控制过程复杂度高，对端节点设备要求较高，而工业无线网络节点运算能力、能量均有限，难以完成类似的复杂任务【。信道分配方案阻塞概率均匀负载情况下低非均匀业务时高被迫中断概率高方案复杂度低系统灵活性低适合控
17、制类型集中式适用范围单一对称业务，如，性能好，但在均匀负载高业务量时高低高高集中式或分布式不对称业务及多媒体业务，如及以后的性能较好，在均匀 负载情况下较低较低较高较高集中式或分布式对称和不对称业务，包括，和图三种信道分配技术的比较目前，学术界针对无线传感器网络的信道分配算法的研究几乎很少，目前只找到一篇文献。专门针对工业无线网络的无线信道分配算法的研究则更是没有。文酬】针对无线传感器网络的分簇拓扑结构中簇间节点通信碰撞问题，提出了一种适用于降低网络通信碰撞问题的频点分配算法，算法的基本思想是利用点着色理论， 为不同的分簇分配不同的通信频点，相邻分簇之间采用不同的频点进行簇内通信，避免簇内通信
18、的相互碰撞，同时又不增加节点额外的计算负担。在无线传感器网络中，网 络规模大，拓扑结构随着生存期会有一定的变化，每个节点无法事先知道全网结构，则采用了分布式控制方式，每个节点在不知道全网拓扑结构的情况下，完成频点分配 过程。存在的缺点是没有考虑到簇头节点之间的通信，没有为簇头之间的通信分配通信资源。分簇之间需要通信，就必定会有一定的覆盖重叠，这样，在进行簇间通信时就会发生通信碰撞。中的无线 通信资源的分配是采用集中式和分布式相结合的分配方式，对于每个簇的簇内通信所采用的簇信道，则是由网关设备集中分配，文献【 】中 针对分簇的簇内通信的 频点分配是属于分布式分配方式，无法应用到的簇信道分配中来。
19、论文研究内容绪论本文主要研究工业无线网络的无线通信资源簇信道的分配算法。分析了工业无线网络的特征， 发现现有的无线通信领域中的信道分配技 术并不适用于具有特定要求的工业无线网络认一。 针对特殊的工业无线网络，本文的主要工作有：详细介绍了工 业无线网络协议、特征及其关 键技术， 为的无线通信资源分配的研究提供了理论基础。介绍 了中的无线通信资源，分析了通信 资源分配的流程，给出了通信资源分配的策略，将队无线通信资源问题划分成簇信道分配、簇间通信资源分配以及簇内通信的时隙分配三个子问题。其中，簇信道分配可转化为图的点着色问题。针对基于图 着色问题的簇信道分配，介绍、分析现有的图着色算法并不适合工业
20、无线网络的特定要求。 经典算法计算复杂 性巨大，启 发式算法或其混合算法一样，复杂度高，运行时间长，不能 满足的实时性要求；算法执行效率快，却不能适应网络拓扑的变化。由此，提出了一种简洁高效的基于集合思想的，能够保留原先分配策略的图着色算法。将算法应用到簇信道分配中。通过实验仿真，与典型的图着色算法混合遗传算法、算法比较，分别从算法的执行效率和使用的颜色数目两个角度来分析算法的性能。最后，将算法应用到几个典型拓扑的网络的簇信道分配问题，从算法的执行时间以及使用的信道数目来说明其解决簇信道分配的可行性和有效性。本文结构论文的具体组织结构安排如下：第一章主要详细介绍了研究背景与当前无线网络的信道分
21、配算法的研究现状，并给出本论文的主要研究内容与章节安排。第二章 则详细介绍了工业无线网络与协议，以及网络的主要技术特征。第三章 详细介绍了的无线通信资源，通信资源的分配流程，以及中的资源分配策略。第四章详细描述了图着色理论，分析了现有的图着色方法在用到簇信道分配中的缺陷，以提高算法的执行效率以及保留原先的分配策略为目的，提出一种基于集合思想的图的着色算法。第五章将本文提出的算法应用到认的簇信道分配 问题。通过实验仿真，将算法与两个典型的图着色算法混合遗传算法、算法比 较，分析其性能。然后，将算法应用到几个典型拓扑的网络的簇信道分配问题，从算法的执行时间以及使用的信道数目来说明其解决簇信道分配的
22、可行性和有效性。最后第六章是本文的工作总结，并对未来的研究工作提出展望。西南大学硕士学位论文第二章工业无线网络概述无线传盛器网络概述近年来，随着通信技术日新月异不断 发展，无 线通信更是得到了迅猛 发展，出现了多种多样的无线通信技术阻及应用。无线通信跟有线通信比较不需要对网络通信的物理通道进行配置，应用时具有很大的灵活性，且节约了网络基础设施大量的建设成本。正是因 为无线通信具有灵活性这一特征不受具体物理位置的限制，采用无线传输方式将采集到的数据进行收集能够极大的扩大测控区域范围。这种将无线通信功能与采集数据的传盛器相结台的新的数据采集与传输方式，正受到人们的高度重视。它将无线通信功能与采集数
23、据的传感器两者结台起来构成了无线传感器节点，无数个无线传感器节点构成无线传感器网络，为数据的采集、传输与监控提供了新的数据采集与传输方式，成 为当前无线通信与计算机领域研究热点之一。无线传感器网络包括丁传感器技术、嵌入式技术咀及无线通信等技木，此外，具有数据采集、处理及通信功能。它是由部署在 监测区域内廉价的、集成的、多功能的大量微型传感嚣节点自组织构成网络，每个节点协作地实时感知、 监测各种环境或目标对象信息，通 过节点上的嵌入式系统对信息进行智能处理然后通过自组织无线通信网络以多跣、中继的方式将所感知的信息传送到终端用户。其结构如图所示。通过飞机等把无线传感器节点随机散布或人工布置在监测范
24、囝把监测到的所需信息以多跳中继方式忙蒙到节点，再由节点通过或直接通过卫星链路将数据传送到井面进行处理”。图无线传蒜器同络扩展体系结构无线传感器网络相比于其他语音和数据无线网络，存在几个方面的区别：首先，无线节点由电渔供电，由于环境限制，电池不可能更换，因此 节点具有有限的能量其次，无线传感器节点结构功能简单花费低因此其 设计的协议也应简单，易于宴 现，对节点要求低：第三，节点由飞机或人工撒布在监测 区域， 节点必顽白组织成一个通信网 络；第四由于，点是随机散布的，网络中的节点则 有些地方稀疏，有些地方密冀协议必须同时适应这两种情庐巯薤工业无线网络概述况：第五，经常被应用于军事、医疗、抢险救灾等
25、对实时性要求很高的领域，及时地检测、处理和传递信息是其不可缺少的要求，层应和其它层合作提供实时保证；最后，节点将感知信息汇集至节点，再由节点发送给用户【。因此传统的无线语音和数据网络层协议都不适合无线传感器网络。（）网络也是一种分布式自组织的无线网络，但无线传感器网络与网 络也有所不同，主要区别在于：节点数量大，分布密集，并且不一定具有全局唯一标识；大部分节点静止不动，没有或只有少量节点移动；节点的计算能力、存储能力和能量有限；节点死亡或故障的可能性大于网络：节点主要采用广播式通信，不同于网络的点对点通信。这些特性导致不能照搬 应用网 络的协议 ，给无线传感器网络协议的研究提出了挑战。工业无线
26、网络概述工业 无线技术概述工业无线技术从无线传感器网络技术中发展而来。无线传感器网络技术具有应用特异化的特点，针对军事、医疗、智能家居等不同 应用领域，其实现技术是不同的。工业无线技术是满足工业应用高可靠、低能耗、硬 实时等特殊需求的一类无线传感器网络技术。基于工业无线技术的测控系统，具有以下几大 优点】：、成本低：在有线测控系统中，布线成本是美元，米，在一些恶劣环境下，布线成本甚至可达到美元米。且在运行期间， 测控系统需不断检测系统状态， 发现问题，更换电缆。使用工业无线技术将使 测控系统的成本大幅降低，能够实现低成本测控系统。、高可靠、易维护 ：在有线测控系统中， 绝大部分系统故障是由电缆
27、的连接器件损坏引起的，维护复杂度及费用高。使用无线技术将彻底避免此类故障的 发生。、高灵活、易使用：使用基于工业无线技术的测控系统， 现场设备可摆脱有线电缆的缺陷，从而增加了现场仪表与被控 设备的可移动性，网 络结构的灵活性以及工程 应用的多样性，根据工业应用需求的变化，用户 可以快速、灵活、低成本地重构测控系统。目前，工业无线技术正处于一个高速 发展的阶段，市 场需求非常旺盛。国内外正同步研究、开发工业无线网络技术及其通信协议标准。国外典型的有美国仪表系统与自动化协会推出的标准，以及基金会推出的标准。国内有中科院沈阳自动化研究所、西南大学等余家单位推出的 队系列标准。当今，这三种标准已经发展
28、成了三国鼎立的局面。下面简要介绍这三种工业无线网络技术标准。标准协议是第一个开放式的，可互操作的工 业无线通信标准，是面向 过程测量、过程控制和资产管理全面应用的一种可靠的无线网状网通信协议，满足过程工业对于工业工西南大学硕士学位论文曼舅曼曼皇皇曼曼皇曼曼蔓量曼曼曼曼量量曼鼍皇皇皇皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼量曼曼曼曼曼量量曼曼曼曼曼皇曼曼鼍曼曼曼曼皇量曼曼皇曼葛厂应用中可靠、稳定和安全等的无线通信的关键需求。其设计目的是让用户在保持现有设备、工具和系统一致性的基础上，为协议增加无线功能。无线舢玎工作于的射频频段，具有安全、稳健的网状拓扑联网特点，它将所有信息打包在
29、一个数据包内。与兼容，通过直序扩频和跳频技术进 行数据传送。无线的协议架构按以下原则设计：易于使用、可靠，并与无线传感器网格型协议相兼容。无线强制规定所有设备都必须支持互操作性，这就是说，不同制造厂提供的无线仪表和设备无需进行系统操作就能实现互换，即连即用。同时，无线要向后兼容的核心技术，例如的命令结构和设备描述语言。所有设备都应该支持。无线有种主要的设备类 型：无线 现场设备，无线网关以及无线网络管理器。此外，还支持无线适配器，便于将现有的设备接入无线网络；也支持无 线手持设备，便于就近接入相邻的无线设备。有一点值得注意，即在无线网络中，网关 仅承担现场无线仪表与主应用系统之间的通信，它既支
30、持一个或多个接入点，同时又和其接入点都包括在无线网络中；另外也支持冗余网关结构。网络管理器负责对网络进行组态，对无线网络设备之间的通信进行调度，路径表的管理以及报告无线网络健康状态。这一特点与许多无线短程网有显著的不同，它们大多规定网关也承担网络的组态，较好地解决了工业控制系统要求以冗余机制获取可靠传输的要求【】。标准美国仪表系统和自动化学会于年月成立了工 业无线标准委 员会，启动了工业无线技术的标准化进程。的主要内容包括：规划适用于工业场合自动化设备的无线网络，设计工业场合的人员间通信系统，定 义人员与现场设备间的临时通信方法。标准着重于无线网络在工业环境的应用需求，即误操作非授权访问可导致工厂损失的关键场合，不考虑广域工业设施（如电力网络）中的应用情况，通过最终用户的需求，提出无线监控系统的解决方案、通信模式、工业无线通信系统的分级及的要求【。委员会于年月面向全球征集技术提案。全球余家企业和科研机构提交了技术提案，包括我国中科院沈阳自动化所、浙江大学和重庆邮电大学。同年，委 员会在技术提案的基础上，选择过程控制应用作为突破口，成立了新的
