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浙江工业大学硕士学位论文 无线网络控制系统的跨层设计研究 摘要 随着无线技术的飞速发展，无线网络控制系统( w i r e l e s sn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，简 称为w n c s ) 成为控制界的研究热点。由于无线网络结构变动及存在随机的时延和丢包特 点，使得针对有线网络控制系统提出的许多研究方法，对于无线网络控制系统不再适用。 本文针对其特点对w n c s 中控制器和网络进行了联合跨层设计，使得系统性能达到最优的 控制效果。 论文的主要内容可以概括如下： 1 、概述了无线网络控制系统的基本理论、及发展状况和跨层设计的基本思想、方法 及应用背景。 2 、基于无线网络模型对网络层次的参数进行分析，确定了跨层设计的层次；给出了 基于无线网络通信的控制系统模型。 3 、利用带有随机延时和丢包的最优状态反馈控制律，应用分离理论将最优状态反馈 跟最优状态估计相结合，得出最优的输出反馈控制器。接着提出了网络传输延时划分的方 法，进而根据数据包在网络中传输的延时特性将控制系统建模成m a r k o v 模型，并给出了系 统的性能指标。以系统性能指标最优来设计各层，从而给出系统跨层设计的方法。 4 、通过一个数学算例说明了跨层设计的实现过程，并用m a t l a b 计算仿真分析了设计效 果。 5 、对全文进行总结，并对进一步的研究提出一些展望。 关键词：无线网络控制系统，网络层次，延时，丢包，跨层设计，性能指标，m a r k o v 浙江工业大学硕士学位论文 c r o s s l a y e rd e s i g ns t u d yo f w i r e l e s sn e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m s a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s st e c h n o l o g i e s ，w i r e l e s sn e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m s ( w n c s ) h a sb e c o m ear e s e a r c hh o t s p o ti nt h ec o n t r o lf i e l d al o to fs t u d ym e t h o d s a p p l i e di nw i r en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sa r ei n a p p l i c a b l et ow n c sb e c a u s eo fv a r i a b l e n e t w o r ks t r u c t u r e ，r a n d o md e l a y sa n dp a c k e tl o s s e s b a s e do nt h ew i r e l e s sn e t w o r k e d c h a r a c t e r i s t i c s ，t h ec r o s s - l a y e rd e s i g no fc o n t r o l l e r sa n dn e t w o r ki nw n c sw a ss t u d i e di nt h i s d i s s e r t a t i o n ，w h i c hw o u l dm a k et h es y s t e m sc o n t r o lo p t i m i z a t i o n t h ep r i m a r yc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 t h eb a s i ct h e o r ya n dd e v e l o p m e n ts t a t u sa b o u tw n c sw a si n t r o d u c e d t h eb a s i ci d e a , m e t h o d sa n da p p l i c a t i o nb a c k g r o u n do f c r o s s - l a y e rd e s i g nw a sp r e s e n t e da sw e l l 2 t h el a y e r so fn e t w o r kw e r ec o n f i r m e da n dac o n t r o ls y s t e mm o d e lw a sp r o p o s e db a s e d o nt h ea n a l y s i so fn e t w o r k - l a y e rp a r a m e t e r su s i n gn e t w o r km o d e la n dt h ec o m m u n i c a t i o no f w i r e l e s sn e t w o r kr e s p e c t i v e l y 3 t h eo p t i m a ls t a t ef e e d b a c kc o n t r o ll a ww i t hr a n d o md e l a y sa n d p a c k e tl o s s e sw a su s e d a n dt h eo p t i m a lo u t p u tf e e d b a c kc o n t r o l l e rw a so b t a i n e dt h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no ft h eo p t i m a l s t a t ef e e d b a c kw i t ht h eo p t i m a ls t a t ee s t i m a t i o n ，w h i c hw a sa c h i e v e dt h r o u g hs e p a r a t i o n p r i n c i p l e s u b s e q u e n t l y , t h em e t h o do fd i v i d i n gn e t w o r kl a y sw a sp r o p o s e db a s e do nd a t a t r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s sn e t w o r k s ，t h e nb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd a t at r a n s m i s s i o n ，a m a r k o vm o d e lo fs y s t e m sw a sc o n s t r u c t e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c ei n d e xo fc o n t r o ls y s t e m sw a s g i v e n t h el a y e r so fn e t w o r kw e r ed e s i g n e dw i t ho p t i m a lp e r f o r m a n c ei n d e x ，w h i c hl e dt ot h e a c h i e v e m e n to fc r o s s - l a y e r sd e s i g no fc o n t r o ls y s t e m s 4 t h ep r o c e s so fc r o s s l a y e rd e s i g nw a si l l u s t r a t e db yam a t h e m a t i c a le x a m p l e ，a n dt h e d e s i g nr e s u l tw a sa n a l y z e dt h r o u g hm a t l a bc a l c u l a t i o ns i m u l a t i o n 浙江工业大学硕士学位论文 5 as u m m a r yf o rt h i sd i s s e r t a t i o nw a sg i v e na n da ne x p e c t a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c hw a s l i s to u t k e yw o r d s ：w i r e l e s sn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，n e t w o r kl a y e r s ，t i m ed e l a y , p a c k e t l o s s e s ，c r o s s l a y e rd e s i g n ，p e r f o r m a n c ei n d e x ，m a r k o v 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 土v 】辞 日期：川年夕月哆日 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，同意学校保留 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 人授权浙江工业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。 本学位论文属于 l 、保密0 ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密乱 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名： 导师签名： 纠屏 o f 彬p 、 目日 叼 月月 奎 r 年年 岬1 期期 浙江工业大学硕士学位论文 1 1引言 第1 章绪论 进入2l 世纪，自动化与工业控制技术需要更深层次的渗透通信与网络技术。一方面， 现代工厂与智能设备传感器、控制器、执行器分布在不同的空间，其间的通信需要数据通 讯网络来实现。另一方面，通信网络的管理与控制也要求更多的采用控制理论与策略。把 无线网络技术应用到集中式和集散式网络控制系统中从而进一步解决工业控制中的一些 传统问题。本文的主要内容是研究无线网络技术与控制系统中的应用，重点讨论了无线网 络跨层技术在控制系统中的实现。 1 2 无线网络控制系统的概述 1 2 1无线网络控制系统的基本理论及基本问题 随着计算、传感和网络的日益普及，利用通讯网络实现地域上分布的现场传感器、控 制器及执行器之间的信息相互交换，以达到被控对象的实时反馈控制，这样的一类控制系 统称之为网络控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，简称为n c s ) 。这个概念可以追溯至2 0 世 纪8 0 年代后期r a y 等人关于集成通讯控制系统( i n t e g r a t e dc o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o ls y s t e m s ， 简称为i c c s ) 的研究( h a l e v ia n dr a y ，1 9 8 8 t 1 i ；r a ya n dh a l e v i ，1 9 8 8 2 】) i c c s 可以看成是n c s 的 雏形。作为n c s 是最近几年新提出的概念( w a l s he ta 1 ，1 9 9 9 t 列) 。最基本结构形式如图1 1 。 但在图中的传输介质变为无线网络时，那么图1 1 所示结构系统就变成了一个简单的无 线网络控制系统( w i r e l e s sn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，简称w n c s ) 。因此，无线网络控制系 统实质上是有线网络控制系统的一种延伸【4 】。由于无线网络应用的方便性、组网和维护的 便利性以及良好的可拓宽性等特点，使无线网络的应用变得越来越广泛，在一个无线网络 控制系统中，被控对象、传感器、控制器和执行器可以分布在不同的物理位置，它们之间 的信息交换由一个公共无线网络完成。目前常用的无线网络环境有w l a n ( w i r e l e s sl o c a l 浙江工业大学硕士学位论文 舡e an e t w o r k ) w s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 和w m n ( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ) 等。 图1 1网络控制系统结构框图 由于采用无线网络进行通信可以免去大量的线路连接，节省系统的构建费用和维护成 本，还可以满足一些特殊场合的需求，并且可以大大增强系统组成的灵活性等等。但是由 于无线网络自身存在的局限性，因此在研究无线网络控制系统时需要考虑如下基本问题： ( 1 ) 随机时延及丢包。由于无线网络传输形式是刿啪( m u l t i h o p ) ，与有线网络相比， 无线网络中更容易发生数据包碰撞的现象，导致传播时延及丢包具有较大的随机性，使得 在无线网络系统中数据的丢包率较高。 ( 2 ) 动态链路特性。这是无线网络最重要的特性之一。由于网络节点的可移动性，因 此网络拓扑结构是动态的，加之丢包率又较高，使得通信出现间断性的连接，有时候甚至 会导致长时间的通信中断。 ( 3 ) 时变的信道增益和干扰。无线信道随时间和空间是变化的，因此存在时变信道增 益：在大气环境中发送和接收无线信号，其传输极易受到干扰及噪声的影响，各节点之间还 存在着干涉影响。 ( 4 ) 网络带宽有限。目前电缆或光缆通信还不能被无线通信彻底取代，其最主要的考 虑就是带宽问题，相比于有线网络，无线网络的带宽要小得多。另外，由于环境的影响或 无线网络自身状态的变化，无线信道的通信能力也会随着时间发生变化。 ( 5 ) 功率控制。在某些网络中，如码分多址( c d m a ) 蜂窝移动通信系统，理想的功率控 制策略能够克服远近效应问题，消除干扰，提高信道的空间复用度，最终提高系统的容量。 在一般无线网络中，功率控制技术是在不牺牲系统性能的前提下，尽可能地降低节点的发 射功率，从而降低节点的能耗，提高网络的生存时间和系统的能量效率。在摔制系统中引 入通信网络后，网络的性能和约束与控制器的性能和约束变得同样重要。对系统进行分析 浙江工业大学硕士学位论文 和控制时，必须考虑时延、丢包和干扰等基本问题。因此n c s 的性能特征主要取决于所采 用的网络媒介，不管是有线网络还是无线网络，都具有时延和丢包的特性，从而影响了整 个系统的控制性能 1 2 2 无线网络的优点及特点 在无线网络控制系统( w n c s ) 中，由于无线网络的接入，它相对于有线的网络控制系 统有如下优点： ( 1 ) 无线链接方便，灵活，可移动性强。w n c s 中抛弃了传统n c s 中繁琐的布线过 程，硬件的构架比较方便。节点可以在网络中漫游，通讯范围不受环境条件和布线的限制， 因此拓宽了网络的传输范围。 ( 2 ) w n c s 可存在于相当恶劣的环境中，或在一些人所不能及的场所进行操作。 ( 3 ) w n c s 易于维护和升级。既然无线信号的传输不需要固定的媒介，并且可以方便 地增加工作站，或重新配置工作站，因此，当系统需要升级或更换时，无线网络可以方便 的适应这种变化，能最大限度地降低系统的维护成本。 ( 4 ) 无线网络资源是一种廉价的环保资源。在一定规范下的无线网络资源是一种环保 的资源，随着技术的进步，无线电通讯的成本也变得相当便宜。 无线网络通讯具有其自身的特点，同有线网络相比至少包含如下的网络通讯特点： ( 1 ) 无线网络处理的是移动节点之间的通讯问题，其网络应该具有空间结构。 ( 2 ) 由于无线信道的大尺度衰落及小尺度衰落，信道参数随时间动态变化。因此，在 同样的数据速率要求下，处于不同位置或不同移动速度的用户要求不同的接入时间。系统 可以通过实时了解无线信道的信息来提高性能。 ( 3 ) 无线网络频谱资源有限，移动控制系统中的节点之间存在着竞争带宽的问题。 ( 4 ) 无线网络及无线信道受环境的影响较大，有一定的随机性和不稳定性；而且无线信 道共享的媒介，有效的资源分配机制不仅取决于用户的接入控制协议，而且取决于物理 层采用的编码与调制机制。 ( 5 ) 无线网络的部分节点存在功率控制问题，这是一个涉及网络结构中多个层次的问 题。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 3 无线网络控制系统的研究现状 在无线网络控制系统w n c s 中，由于无线网络结构的引入，给控制系统得稳定性分 析和网络( q u a l i t yo f s e r v e r ) q o s 的评估带来了困难，但无线网络的迅速发展和它的巨大优 势以及网络控制系统理论的日趋完善，为无线网络控制系统w n c s 研究奠定了一定的基 础。当前，关于w n c s 的研究也越来越受到研究者们的关注。 目前，在无线网络控制系统的分析和设计过程中主要考虑和研究以下几方面： ( 1 ) 从控制的角度来说研究，研究的重点在于如何设计出较好的控制器和对系统性能 进行分析，即如何充分考虑通信信道的特性，从而改进现有的控制体系，使其对包含随机 时延、丢包以及干扰在内的通信错误具有鲁棒性。 g 0 k t a s ( 2 0 0 0 ) t 5 】采用鲁棒控制理论在频域设计了一种网络化控制器。文中把分布式的 控制器网络延时和传感器网络延时同时建模成乘性摄动，并假定了控制器延时和传感器延 时都有界且能近似成流体流动模型。m c d r e w 6 】无线网络控制系统进行了分析和研究， 在传感器、控制器和执行器之间通过无线局域网( 8 0 2 1l b ) 进行信息交换。基于网络环境， 提出一种最优l q g 控制器，并通过实验比较传统l q g 控制器和最优l q g 控制器的性能，得 出在考虑时延和丢包的情况下，最优l q g 控制优于传统l q g 控制。- 于之i j i l ( 2 0 0 1 ) t 7 】等也采 用综合方法设计了鲁棒控制器，该控制器能使系统在一定的延时范围内保持稳定彭丽萍 ( 2 0 0 7 ) 1 8 】等应用模糊控制的方法设计了f u z 巧一p i d 控制器，并对相应的控制策略进行了仿真 验证。 p a u la k a w k a 等x ( 2 0 0 1 ) f 9 】通过一个随机两态的m a r k o v 网络模型分析了无线网络系统 中丢包对系统性能的影响。s e l i e r p ( 2 0 0 6 ) t 1 0 l 等人利用离散随机跳变系统理论方法，研究了 一类无线网络控制系统的镇定控制问题，其中考虑了数据丢失对系统控制性能的影响。 ( 2 ) 从通信的角度来说研究的内容主要集中于如何克服无线网络自身的局限性，减小 延时和丢包对控制性能的影响。即如何设计网络调度机制和协议，从而提供可靠的通信信 道，使得控制器的工作状态最优。 l i ua n dg o l d s m i t h ( 2 0 0 3 ) j 在研究时首先只考虑从传感器到控制器之间的信息通过无 线网络交换的控制系统。假设在控制器与执行器之间通过有线网络来传送命令，且不考虑 两者的通信问题，针对传感器与控制器之间的无线网络，研究数据率、延时和丢包三者对 控制性能的联合影响，并确定这些通信参数的最优选择。随后l i ua n dg o l d s m i t h f l 2 】又扩展 了上述结构，从控制器到执行器之间也采用无线链路，使得所有的信息交换都通过无线网 一浙江工业大学硕士学位论文 络来实现。并指出，为了优化系统的性能必须合理地选择通讯参数。随机丢包是系统性能 下降的主要原因，因此有必要设计对丢包鲁棒的控制算法。文中讨论了两种通讯链路：软译 码( s o f t - d e c o d i n g ) 通讯链路和硬译( h a r d - d e c o d i n g ) 通讯链路。这两种链路的区别在于软译码 链路不存在丢包，而硬译码链路存在丢包。对于低增益通道，基于软译码通讯链路的控制 系统性能要优于具有最优数据率和采样周期的基于硬译码通讯链路的控制系统性能。l i u a n dg o l d s m i t h ( 2 0 0 4 ) 1 1 。3 1 进一步研究了多个n c s 共享无线通讯链路时的控制性能，不同的传 感器放在不同的位置，其测量数据通过不同的无线链路传输到控制器。多个闭环控制系统 并存且共享信道，可能会导致同时传输，尤其是比较了采用不同无线网络m a c 协 议：t d m a 、轮询、无确认随机访问、确认随机访问和c s m a c a 时n c s 的性能。 s u n i lk u m a r ( 2 0 0 4 ) t 1 4 】中针对用于无线网络的m a c 协议做了详细的分析和综述。 l i n g ( 2 0 0 3 ) 1 5 1 等人针对数据丢包问题进行了研究，采用估计量和预估器对丢包进行补偿的 方法。g e o r g i e v ( 2 0 0 4 ) 0 6 1 等人考虑在每次传输过程中，打包更多的控制信息，从而充分利 用网络有限的带宽。 ( 3 ) 控制和通信的联合设计也引起了越来越多的关注。在分布式的控制系统中，网络 设计的目的就是要能够优化控制性能。也就是说，在通信和控制器性能之间有一个平衡点。 从控制角度看，控制器了解系统的信息越多，控制的性能就越好。这个要求可以通过增加 传感器的数目或者增加发送传感器测量信息的频率( 即采样周期越来越小) 来达到。然而， 这样又会增加网络中的通信负担，甚至可能导致网络阻塞。网络阻塞会导致更大的延时和 更多的丢包，结果反而降低了控制性能。因此，联合设计控制和通信时，需要考虑两个方 面：控制器的设计应当具有鲁棒性，并能适应通信失误，如随机延时和丢包等，而网络的 设计应当能够满足控制性能的目标要求。 l i u a n dg o l d s m i t h ( 2 0 0 4 ) t 1 7 1 提出了一种无线网络跨层设计方案，联合设计控制和通信。 c o l a n d a i r a j ( 2 0 0 6 ) t l s l 等人提出通过提高信道帧的失真度与自适应采样率联合设计策略来提 高系统控制性能。 ( 4 ) 无线网络控制系统的仿真。由于无线网络控制系统的复杂化，在分析和设计的过 程中，提出了联合仿真也是研究的内容之一。m a r t i na n d e r s s o n ( 2 0 0 5 ) 1 1 9 i 等人提出一种基于 m a t l a b 的实时仿真境，利用t r u e t i m e t 具箱中的仿真模块，使得计算机节点、通信网络与实 际的连续时间对象之间的交互仿真更加简单方便。 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 跨层设计的概述 1 3 1 跨层设计的基本思想 随着无线技术的飞速发展，加上因特网融合的实现，无线通讯业务发展成了多种业务 相结合的综合性业务。针对这一业务的发展要求，人们对无线接入技术、传输技术及网络 结构等方面已做了大量的研究，并提出了多种有效的方案，其中跨层设计的方法就是其中 的一种。 跨层设计的思想最初主要用于系统设计和软件设计p o l ，l e u e ( 1 9 9 4 ) 2 1 1 等人将跨层设计 应用到通信网络协议的设计过程中，g o l d s m i t h 等人较早地将跨层设计的思想应用于自适 应等问题【2 2 1 。目前，跨层设计在无线网络设计中的应用主要集中于提高无线网络视频传 输，语音服务和文件传输等服务质量【1 7 ，2 3 1 以及解决无线网络中的功率控制问题口4 1 。 跨层设计要求打破传统的o s i 参考模型中严格分层的束缚，使网络各层共享与其他 层次相关的信息，针对各层相关模块或协议的不同状态和要求，在整体框架内，利用层与 层之间的相互依赖和影响，对网络协议进行综合设计，以提高网络性能和服务质量。针对 不同的网络协议和系统性能要求，人们提出了多种跨层设计的解决方案【2 5 。2 6 1 。因此根据需 要达到的不同网络性能或不同的应用问题，跨层设计的实现方法也不相同，但跨层设计的 基本思想是一致的。跨层设计的理论结构如图1 2 所示，其主要的思想包括以下几个方面： 图1 2 跨层设计的基本理论结构示意 ( 1 ) 网络的每一层把会对其他层的工作产生影响的信息直接或间接地传递给相应的各 浙江工业大学硕士学位论文 层；比如物理层、m a c 层关于信道环境的信息、应用层关于特定应用的q o s 要求等。 ( 2 ) 网络中的每一层分析其他层次中传递过来的信息，并对本层通信的方式和策略作 相应的调整。通常要结合各个层次的自适应功能，使网络足够灵活，能够随时进行自适应 调节来满足特定应用的要求。m a c 层根据应用层的q o s 要求、物理层提供的信道干扰信 息及网络层的时延约束和分组优先级来进行自适应调节，选择最佳的接入方式，以实现最 小的接入延迟及最大的吞吐量。网络层根据网络和业务量状况及链路层提供的链路状况信 息实施自适应路由协议，以实现最小的分组延时、阻塞概率及最大的吞吐量。应用层可 以根据低层提供的网络状况来为应用提供尽可能高的q o s 。 ( 3 ) 对于影响多个层次的参数，要结合应用性能的要求对各层进行综合考虑。对相关 的性能参数进行折衷。信号的发射功率就是一个这样的参数，它影响到物理层、链路层、 网络层、传输层等层的性能以及系统的功耗。它的大小决定了接收端的信号质量，也就影 响到了物理层的性能参数；它的大小也决定了信号的传输距离，也就影响到了网络层的路 由选择：同时它的大小决定了它对其它接收机的干扰大小及网络的拥塞情况，也就影响了 m a c 层的接入控制及传输层的传输控制。因此进行功率控制时要充分考虑对其它层性能的 影响，要在系统功耗、应用的吞吐量、误码率( b e r ) 、报文延迟等方面进行折衷考虑。 在无线网络控制系统中，系统性能的保证对数据传输的实时性有较高的要求，因此通 过优化各层参数，保证数据传输的实时性，减少延时以及数据的破坏率，对保证w n c s 具有重要的意义。 1 3 2 跨层设计的方法 跨层设计的方法基本上是对网络的通信体制进行改进或优化。f l o y d ( 1 9 9 4 ) t 2 7 1 等提出 了显示拥塞( e c n ) 机制，即在报头增加一个e c n 标志位。发生报文丢失时，网络检测到 拥塞就置位。目的端收到该报文后，反馈关于网络拥塞的信息源端，信息源端便可以判断 报文丢失是由拥塞还是信道出错造成的，并进行相应处理，从而提高了网络的吞吐量。因 此，要在无线网络中实现最优的性能，就要用综合的方法来适应网络的动态性，每层应对 本层的变化和其他层反馈的信息做出合理反应。 跨层设计就是网络各层共享与其它层相关的信息，对无线网络进行整体设计。它并 不是完全否定了传统无线网络的五层模式，而是模糊严格的层间界限，将分散在网络各个 子层的特性参数协调融合。因此，所有层之间可以交互信息，使得协议栈能够以全局的方 式适应特定应用所需的q o s , 币 1 网络状况的变化并根据系统的约束条件和网络特征来进行综 7 斯江工业大学硕士学位论文 合优化，实现对网络资源的有效分配，提高网络的综合性能。 而在无线网络控制系统中跨层设计不是以考虑网络服务质量的提高为目的，而是以控 制系统的性能指标作为最终的标准。也就是说，在无线网络控制系统跨层设计的过程中不 仅要考虑网络服务质量的改善，而且更重要的是同时要兼顾控制系统的综合性能。因此， 跨层设计的方法是在各层次共享信息的基础上，优化各层相应的参数，使系统的整体性能 达到最优，其具体设计步骤如下： ( 1 ) 在分析各层参数的基础上，确定跨层设计的层次为，链路层，m a c 子层，和应 用层 ( 2 ) 优化链路层的参数，链路层的控制参数有调制方式，帧长和纠错编码类型： ( 3 ) 对于子层m a c ，确定其媒介访问的方式，一般采用a c k 的r a ，需要优化的参 数为信道接入概率； ( 4 ) 应用层的优化参数为控制系统的采样周期； ( 5 ) 确定参数后，依据参数分层计算系统的性能指标，并选取最小的一组作为最优设 计，依照所确定层的次序进行在上一层的基础上进行逐层优化。 1 3 3 跨层设计需要考虑的问题 传统无线网络设计应考虑网络跨层间的相互作用，无线网络设计的o s l 分层模型中最 高和最低层次有不同方法解决固定基站无限制接入位置问题。以网络层自适应策略为例， 利用物理层和m a c 层信息，资源和连接点信息可在指定瞬间优化系统的性能。在新代多 媒体网络优化设计时，不仅需要静态优化跨层设计，还应考虑动态优化跨层自适应。传统 的网络设计也包含一些自适应能力，如利用自适应信号处理、调整信道参数、更新路由表、 改变流量负载等，但这些调整更新与网络层次是孤立的。这里的跨层自适应允许网络同时 在功能和自适应之间通过信息交换，满足网络负载、信道环境和q o s o - - i 变的要求。 当媒体在信道中传输时需要激活链路层自适应q o s 。媒体信息在发送时，应用层的自 适应q o s 对其产生影响，如采用错误检测机制a r q ( a u t o m a t i cr e q u e s tf o rr e p e t i t i o n ) 和 f e c ( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 。a r q 让接收端请求重传丢失或损坏的数据包；f e c 传输原 始数据有一些冗余，允许接收端重建丢失或损坏的数据包。在跨层设计的传输结构中，无 线网络层的资源控制与链路控制层的媒体接入控制( m a c ) 和物理层协商决定合适的模式。 每种业务对应一个独立的传输信道，对即将出现的业务请求，相应的配置需要根据业 务的特性进行处理。物理层上合适的交织长度和数据链路层上合适的重传计数能根据延迟 r 浙江工业大学硕士学位论文 计算得出，而在物理层可以根据容错需求选择合适的编码模式。另外，通过在每个逻辑链 路选择正确的比特率、传输功耗、传输调度使流量最大化( 最大流量定义为整个激活的链路 上的平均数据率的和) 。 另一方面，考虑到有限的带宽和无线链路的易出错环境，采用错误控制机制是很有必 要的。要保持理想的保护级别，好的错误控制机制应该考虑媒体编码特性和可变的信道环 境。根据各种媒体的重要性和单个媒体发生错误后对整个媒体质量产生的影响来确定其冗 余度。 再有，动态资源分配对支持应用层控制的分布式多媒体系统很有必要。通常，不同类 型的媒体对整个媒体有不同的影响，在媒体处理中的功耗也不同。无线网络中资源分配的 目的是决定怎样分配资源来满足业务需求的质量并且整个媒体流失真最小或功耗最低。 1 3 4 跨层设计的应用背景 在现有跨层设计的研究成果中，大多是以视频、音频、w e b 浏览或e m a i l 为应用目标 的。当前存在许多在无线网络中应用跨层设计的例子。k o z a t ( 2 0 0 4 ) 2 8 】等提出了在保i 正q o s 的前提下，无线多跳网络跨层设计中的联合功率控制和调度问题。根据可接受的信号干 扰及噪声l 卜, ( s i n r ) 和最低速率来减少在链路中的信号的传输，从而减少系统功耗。g h a r a v i ( 2 0 0 4 ) 2 9 】等提出的针对a dh o c 网络上视频业务而进行的动态调整分组控制方案也是一个简 单的跨层设计方案。网络的路由信息由按需距离矢量路由协议( a o d v ) 获得，并对应用层 共享。用户在发送报文前先检查路由信息。如果路由在跳数上发生改变，系统将调整码率 以适应链路条件。y ch u ( 2 0 0 4 ) 3 0 】等提出在多跳的无m a dh o c 网络中，网络不同层( 比如： 网络层、传输层及更高层) 利用网络移动节点的拥塞信息，并依此进行不同的处理。在网络 层，对先应式路由协议，拥塞信息作为选择路由的度量标准，同时节点依此改变转发路由 信息的时间间隔：对后应式路由协议，利用拥塞信息改变路由发现过程：如果与节点相连 的链路处于忙的状态，它将不转发路由请求信息。传输层采用e c n 机制提高系统吞吐量。 对于应用层，如果它了解路由的一些链路忙等信息，它将在发送前对数据进行压缩。 最近，标准的制定也充分考虑了跨层设计的思想。3 g 标准中，在c d m a 2 0 0 0h d r 技 术中，网络的每个用户周期地检查其与基站问的信道质量并反馈给基站，基站优先给信 道质量好的用户发送数据，以提高网络的吞吐量为了实现提高上行链路和下行链路吞吐量 及减少延迟的目标，i e e e 的移动宽带无线接入研究小组( m b w a ) 也考虑了跨层设计思想。 这些应用系统的特点是，对数据传输的可靠性有较高的要求，而对数据传输的实时性 9 浙江工业大学硕士学位论文 并没有严格的规定。不同于上述应用系统，在w n c s 中，系统性能的保证对数据传输的 实时性有较高的要求，因此如何优化各层参数，保证数据传输的实时性，减少传输延时以 及数据的破坏率，对保证w n c s 的性能优化需求具有重要意义。因此，一般跨层设计的 方法不能照搬到控制系统的设计过程中，应为控制系统中的通讯存在其特殊性。比如平均 延时是衡量无线网络服务质量的一个重要指标，但对于实时控制系统而言，其意义不大。 1 4 本文的主要工作 无线网络控制系统是自动化领域一个崭新的研究方向，其理论还很不完善，值得研究 的方向很多，尤其是利用跨层设计对无线网络控制系统性能进行网络与控制的交互联合设 计。由于无线网络的复杂性以及在进行联合设计过程中，需要在网络的通讯和控制器的设 计之间寻求一个折中，使得系统能够得到最优的控制效果，针对这种情况，本文主要在无 线网络环境下对实现网络跨层设计在控制系统中的应用方法进行了研究。 首先，概述了无线网络控制系统的基本理论、及发展状况和跨层设计的基本思想和方 法及应用背景。其次，对无线网络通信模型的层次结构及参数进行分析研究，选择与确定 可以进行跨层设计的层和相关参数。再次，设计了带有延时和丢包的状态反馈控制器，通 过分离原理对控制系统进行最优状态估计，并给出了网络延时划分的方法以及带网络参数 的系统性能指标，以此为目的，优化网络各层次的参数，分析网络参数对系统性能的影响， 从而提出跨层设计算法，最终实现跨层设计。最后通过一个实例对跨层设计的方法和推导 进行验证，给出了跨层设计的效果，而且在最后一章中对所做的研究进行了总结和展望。 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章网络层次设计的参数及性能研究 网络层次直接影响到网络服务质量的好坏，而网络服务质量( q o s ) 又对控制系统的整 体性能有着至关重要的影响。因此，跨层设计首先需要对网络层次及其参数着手进行研究， 那么在无线网络控制系统的跨层设计中首先需要确定网络的各个层次，而且需要对各个层 次的参数进行分析。本章具体就网络结构层次及其性能、参数进行论述，提出跨层设计的 相关层次，并给出了无线网络通信的控制系统模型。 2 2 跨层设计网络层次的确定及参数分析 为了实现网络通信中网络协议的国际标准化进程，国际标准化组织( i s o ) 就网络通信 给出了一个概念上和功能上的标准框架模型，该模型被称为开放系统互连( o s i ) 参考模型， 如图2 1 所示。它是将异构系统互连的一种标准分层结构，是一种抽象的结构，而非具体 的描述，模型本身不是一组有形的协议集合，既不包含任何具体的协议定义，也不包括强 制的实现一致性，网络体系结构与实现无关。 应用层 表示层 会话层 传输层 。 网络层 。 数据链路层 物理屏 图2 i o s i 参考模型总体结构图 一1 1 浙江工业大学硕士学位论文 互联网的发展推动了协议分层的实际应用，形成了只有五层的t c p d p 模型，如图2 2 所示，而对于无线网络通信，尽管无线网络的路由与互联网有很大的不同，其网络层的路 由多不用i p 协议，而且功率控制跨越了协议栈中的多个层，同时位于物理层和接入层上， 它也是网络层资源分配的一部分p 1 1 。但它仍是基于五层的t c p i p 模型进行划分网络层次。 为了实现网络控制系统跨层设计的目的，对无线网络的相关协议层及其参数做相应的分析 2 2 i 物理层的设计参数 l应用层 l 压缩、差错纠正和隐藏 ： i徽 | 端到端的差错恢复、重传和流控制 l i曩络层 i 邻居发现、路由和资源分配 l l 接 层 l 信道接入、功率控制和重俸输 l l 物理层 陶制、编码、功率控制和碱少衰落 图2 2 网络协议设计的五层模型 物理层主要涉及点对点无线链路上的比特传输，因此也叫链路层( 1 i n kl a y e r ) 它包括调 制、编码、分集、扩频等。在物理层中，链路的分组差错率( p a c k e te r r o rr a t e ，p e r ) 直接 影响着接入层的重传请求，通过降低信道中的比特差错率( b i te r r o rr a t e ，b e r ) 提高链路的 数据速率，从而能减少拥塞和时延。首先对数据的调制方式对数据传输做具体分析。 ( 1 ) 数字调制 数字调制的目的是通过信道传送比特形式的信息。其中比特的取值为0 或l 的二进制 数字。数字调制主要分为两类：幅度相位调制和频率调制。频率调制用非线性方法产生， 主要的调制技术包括频移键控( f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ，f s k ) ，最小移频键控( m i n i m u m s h i f t 浙江工业大学硕士学位论文 k e y i n g ，m s k ) 等。幅度相位调制和频率调制也称为线性调制，它具有比非线性调制更好 的频普特性。主要的调制技术包括二元相移键控( b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ，b p s k ) 、 脉幅调制( p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ，p a m ) 、正交幅度调$ 1 j ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d e m o d u l a t i o n ，q a m ) 。在无线网络通信的设计中，因为相移键控是以数据通过载波信号的 相位偏移来表示的，因此得到广泛应用。下面将介绍两种最主要的相移键控调制技术并说 明其特性：二元相移键控b p s k ，正交相移键控( q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g ，q p s k ) 。 因为线性带通调制的基函数由正弦和余弦函数组成，所以在一个比特周期内经 b p s k 调制技术传输的信号可以表示如下： 删= 偬器训篓 弘t ， 其中，j ( f ) 为传输信号，a 为载波的能量，z 为载波频率。 从式( 2 一1 ) 可以看出，其相位移为万。如果每个传输的信号元素所表示的比特数不止一个， 则可以更有效的利用带宽，即可以使用相位移詈的倍数，称为正交相移键控( q p s k ) ，而 不像在相移键控中只允许存在的相位偏移。 s ( ，) = a c o s ( 2 斫+ 1 1 砌s ( 2 咖等) 0 l ( 2 1 2 ) 彳c 。s ( 2 万肛一百3 n ) 0 0 a c o s ( 2 , r z f 一百7 ) 1 0 其中，j ( r ) 为传输信号，彳为载波的能量，丘为载波频率。 通常有： 。= 兰= 丽r ( 2 - 3 ) 三 l 0 9 2m 式中d 表示调制速率，单位为：波特：尺表示数据率，单位为：b s ；l 表示每个信 号元素中所含的比特数；肘表示不同信号元素的个数= 2 l 。 从( 2 3 ) 式可以看出：对于被调制方式b p s k 调制的比特流，调制后的数据率保持不变， 而对于经q p s k 调制的比特流，调制后的数据率是原来数据率的2 倍。而其发生误码的 概率也大大的高于b p s k 。 浙江工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 无线信道编码 通过编码，无线信道中的比特差错可以通过接收端的译码器检测或者纠正，从而降低 了比特或者数据帧的错误概率。在a w g n 信道中，常见编码类别有分组码( b l o c kc o d e ) 和 卷积码( c o n v o l u t i o n a lc o d e ) ， 而分组码又可以分为线性分组码和非 线性分组码，最常见的线性分组码有汉明码、戈雷码和b c h ( b o s e - c h a d h u r i h o e q u e n g h e n ) 码。编码的设计还包括了一些基本的参数，如最小距离，编码增益，带宽扩展，分集阶数 等。这些参数影响到了编码的纠错能力。在跨层设计过程中，以二元b c h 码作为无线信 道的纠错码。下面先介绍下二元b c h 码的编码方式。 首先引入预备知识：二进制线性分组码。 ( r l , k ) 二进制分组码是由k 个信息比特生成刀个编码比特，编码比特也称为码字符号。 对应所有r 1 个比特的各种组合，个编码比特有2 ”个可能的取值。从中选出2 个作为码字， 将每个k 比特的信息组同这2 上个码字一一对应，就形成了二进制分组码。该码的编码率是 足= k n ，表示每码字所携带的信息比特数。若码字符号以每秒皿个符号的速率传输， 那么( 玎，七) 分组码的信息速率如下： 咒三k lrb i f f s ( 2 - 4 ) = (刀) 皿 、7 从( 2 4 ) 式可见分组码是数据速率降低为无编码时的足倍。 b c h 码是一种二进制码，也