工业无线传感网络分布式协同频率管理技术

论文摘要

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特殊的无线传感器网络技术。无线通信进入工业控制领域的趋势无可置疑,而如何将无线传感器网络稳定可靠的应用在工业控制领域中,是目前重要的研究内容之一。主要针对工业现场复杂的射频环境对无线通信造成的干扰,与现有主流短程无线协议不同,给出了一种综合直接序列扩频、跳频扩频优势的混合扩频技术,并基于该技术构成分布式协同动态频率管理技术,以提高工业无线传感器网络自身及与其它无线网络共存时的抗干扰性,保证工业无线传感器网络的通信可靠性。首先,总结了现有工业应用中的短程无线网络技术中频率管理方法的工作原理、采用的关键技术和网络结构,给出一种分布式工业无线传感网络结构。一种有效的工业无线传感网络框架结构的提出可以更好地对网络的频率资源进行统一的分配、调度和管理。其次,详细分析了在工业现场使用无线通信来实现高可靠传输所面临的挑战,包括工厂设备对无线传输路径的影响以及来自其他无线设备的干扰两个方面。并针对上述工业无线传感网络中存在的噪声和干扰,指出针对分布式工业无线传感网络相关的物理层实现技术,通过扩展频谱方法来提高通信可靠性。简要阐述了扩频通信的基本原理,给出了直接序列扩频/跳频扩频混合扩频通信系统的模型,研究了直接序列扩频和慢速跳频等关键技术,探讨了表征上述两种关键技术抗干扰能力的重要参数,并基于该混合扩频通信系统构成了分布式协同动态频率管理系统。确定了有关性能参数,分析了该分布式协同动态频率管理系统应该具有的通信可靠性,设计了仿真系统的结构。最终基于不同的信道和噪声模型证实了分布式协同频率管理通信系统具有优于单独基于直接序列扩频技术的IEEE 802.15.4系统的通信可靠性。最后,针对分布式工业无线传感网络的频率管理框架,在直接序列扩频/跳频扩频混合扩频通信系统上引入自适应跳频算法,克服常规跳频系统的“盲跳频”弱点,该分布式协同自适应频率管理算法能在通信过程中自动避开被干扰的跳频频率点,从而在无干扰的信道上长时间保持优质的通信,最终实现了对传感器节点频率的最佳分配。并对自适应跳频技术的抗干扰性能进行了分析与对比。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 短程无线通信的工业应用现状
• 1.3 频率管理技术的研究现状
• 1.4 频率管理技术的发展方向
• 1.5 本文研究内容和结构
• 2 工业无线传感网络频率管理技术原理
• 2.1 工业无线传感网络通信可靠性研究
• 2.1.1 工业无线信号传播效应
• 2.1.2 工业无线通信中的信道噪声
• 2.1.3 工业无线网络共存性
• 2.1.4 总结
• 2.2 频率管理技术
• 2.2.1 频率管理技术分类
• 2.2.2 工业无线传感网络结构
• 2.3 工业无线传感网络物理层关键技术
• 2.3.1 概述
• 2.3.2 扩频通信的基本原理
• 2.3.3 扩频通信系统的性能指标
• 2.3.4 直接序列/跳频混合扩频系统
• 2.4 本章小结
• 3 工业无线传感网络分布式协同频率管理技术
• 3.1 分布式协同动态频率管理
• 3.1.1 分布式工业无线传感网络结构
• 3.1.2 物理层关键技术实现
• 3.1.3 总结
• 3.2 分布式协同动态频率管理性能
• 3.2.1 AWGN 信道下动态频率管理系统性能
• 3.2.2 工业衰落信道下动态频率管理系统的性能
• 3.2.3 工业部分带宽干扰下动态频率管理系统性能
• 3.3 分布式协同自适应频率管理技术
• 3.3.1 自适应跳频技术的基本原理
• 3.3.2 自适应跳频数学模型
• 3.3.3 自适应跳频通信过程
• 3.4 本章小结
• 4 分布式协同频率管理技术仿真与性能分析
• 4.1 系统及信道模型
• 4.2 分布式协同动态频率管理系统建模
• 4.2.1 技术指标分析
• 4.2.2 直接序列扩频模块
• 4.2.3 慢速跳频模块
• 4.3 分布式协同动态频率管理性能仿真
• 4.3.1 加性高斯白噪声下系统性能分析
• 4.3.2 工业信道下系统性能仿真
• 4.3.3 远近效应下系统性能仿真
• 4.3.4 无线网络共存性能
• 4.4 分布式协同动态频率管理系统性能研究
• 4.5 分布式协同自适应频率管理性能研究
• 4.5.1 仿真参数
• 4.5.2 数值仿真
• 4.5.3 仿真性能分析
• 4.6 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献