| 题名 | 工业无线传感器网络的实时可靠传输调度方法研究 |
| 作者 | 石华光 |
| 答辩日期 | 2021-05-20 |
| 授予单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 授予地点 | 沈阳 |
| 导师 | 梁炜 |
| 关键词 | 工业无线传感器网络 实时性 可靠性 传输调度 顺序约束 |
| 学位名称 | 博士 |
| 其他题名 | Real-Time and Reliable Transmission Scheduling in Industrial Wireless Sensor Networks |
| 学位专业 | 检测技术与自动化装置 |
| 英文摘要 | 面向IWSNs的传输调度是NP完全的多目标优化问题，需要综合考虑空间约束、子任务间顺序约束、数据截止期约束以及网络可靠性要求。此外，传输调度还面临诸多工业应用特有的新问题：（1）工业环境中充斥着噪声、干扰、多径效应和信号衰落等不利因素，导致每条链路的可用信道集合不一致，具有局部特征；（2）IWSNs常采用多天线增强并行收发能力，从而提高数据传输的实时性和可靠性，但当前传输调度方法不能充分发挥多天线的优势；（3）受设备、人员频繁移动和环境变化等影响，工业通信环境中无线信道通常具有高动态性；（4）智能制造中一些新兴工业应用对于节点间传输顺序性提出了要求。本文针对上述问题设计了相应的传输调度方法，主要贡献如下：（1）针对当前基于局部可用信道集的传输调度方法存在资源利用率低、传输实时性无法保证的问题，提出了基于局部可用信道集的最短时延汇聚传输调度（Local Available Channel Set based Convergecast Scheduling，LCS）算法。该算法定义了子树“有效剩余数据包”概念，通过把链路可用信道个数折算成子树剩余数据包个数作为调度的启发式规则，从而综合评估局部可用信道集和剩余数据包对于节点传输优先级的影响；并为每一个信道选择合适的节点，从而优化节点和信道匹配情况，最大化网络的并行传输能力，降低传输时延。（2）针对当前传输调度方法只考虑时隙、信道二维资源调度，忽略了天线个数影响从而导致传输实时性难以保证的问题，提出了基于剩余资源块的最小松弛度优先（Remaining Resource Blocks based Least Laxity First，RRBs-LLF）调度算法。该算法包括从三维到二维资源调度的降维过程和基于剩余资源块的优先级分配过程。首先根据时隙、信道和天线资源之间的制约关系求出每一个传输的总资源块个数。在此过程中，由于天线和信道必须被成对使用，因此总资源块计算时只需考虑信道数和天线数的较小值。通过这种定义资源块的方式完成调度问题的降维。然后，综合考虑节点间的传输冲突和共信道干扰，通过减去这两种因素造成的资源块损失，得到每一个传输的剩余资源块个数，并根据该值确定各传输的时间紧迫性（即松弛度），进而确定优先级。通过上述方法合理使用每一个资源块，充分发挥多天线在IWSNs中的效用，提高了网络的实时性。（3）针对当前传输调度方法主要面向静态信道，无法在信道条件频繁变化的工业环境中保证可靠传输的问题，研究了面向动态预留机制的实时可靠传输调度问题，提出了基于自动按需重传（Automatic On-Demand Retransmission，AODR）的传输调度方法。该方法采用多轮次的时隙动态预留机制，每轮的时隙预留完全基于前一轮丢包结果，从而避免了静态预留方法导致的时隙预留不足或者预留过多问题，在保证实时性的前提下，提高传输可靠性。此外，对AODR方法进行了详细的可靠性分析，并证明了传输可靠性与信道条件、现场设备数量、接入设备数量、有线通信开销和超帧长度五个关键因素之间的关系，用于指导工厂中网络配置。（4） 针对仓储物流AGV系统等工业应用对无线传输所提出的顺序性需求，研究了面向节点间传输顺序约束的实时可靠传输调度，并提出了基于动态期望丢包率的时隙分配（Dynamic Expected packet Loss rate-based Timeslot Allocation，DELTA）算法。该算法包括网络超帧结构优化和动态调整期望丢包率完成时隙分配两个方面。首先严格证明了当可用时隙总数一定时，按照先下行、后上行传输的顺序时隙分配方式能够比上、下行交织传输的时隙分配方式提供更高的可靠性，并基于该结论优化设计了超帧结构。然后，基于优化后的超帧，根据预设的工业无线网络期望丢包率为各AGV静态预留时隙；并根据剩余时隙个数动态调整各AGV的期望丢包率，从而调节它们所分得的时隙数。仿真结果表明，该算法在保证实时性和节点间传输顺序性的前提下，大幅度提高了传输可靠性。 |
| 语种 | 中文 |
| 产权排序 | 1 |
| 页码 | 140页 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.sia.cn/handle/173321/29015]  |
| 专题 | 沈阳自动化研究所_工业控制网络与系统研究室 |
| 作者单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 石华光. 工业无线传感器网络的实时可靠传输调度方法研究[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2021. |
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