（通信与信息系统专业论文）工业无线网络实时路由协议研究与实现.pdf

中文摘要 工业无线网络技术是满足工业应用高可靠、低能耗、硬实时等特殊应用需 求的一类无线传感器网络技术。工业无线网络相比于传统的工业有线通信方式， 拥有低成本、高可靠、易维护和高度灵活性的特点。工业无线网络的广泛应用， 将会大大地节约生产成本从而极大地提高生产效率，它将带来工业控制领域翻 天覆地的变化。在保障系统高可靠性的同时，工业控制网络对于实时性要求很 高，过长的网络时延会对控制系统的性能产生影响，甚至可能破坏系统的稳定 性，所以如何降低网络时延是工业控制网络的研究重点之一。 本文以工业无线网络为研究背景，以网络的可靠性和实时性为研究目标， 针对无线自组织网络的典型路由协议进行了深入的对比研究，并通过n s 2 网络 仿真验证了相关的结论。在理论研究的基础上，设计了基于c c 2 4 3 0 的无线节 点硬件平台，提出了一个工业无线网络的框架模型，同时相应给出了网络协议 栈的软件设计模型，重点进行了d s d v 路由协议模块化设计。最后以工程应用 为背景设计了一个真实的工业测控系统，以工程实践的结果验证了该套设计方 案的可行性。 本文的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 从工业无线网络实时性的需求出发，结合无线自组织网络路由协议 当前的研究现状，对比研究了d s d v 和a o d v 这两种路由算法。 ( 2 ) 以实际工程为背景来建立无线网络模型，并利用n s 2 对其进行仿真 对比，以网络数据的分组投递率和端到端时延为评价标准，得出了表驱动路由 协议d s d v 比按需路由协议a o d v 更适合工业应用的结论。 ( 3 ) 以射频芯片c c 2 4 3 0 为核心设计了适用于工业无线网络的无线节点硬 件平台。 ( 4 ) 提出了一种工业无线网络的协议框架，给出了协议栈的软件设计模 型，以及d s d v 协议的模块化设计思路。 ( 5 ) 以c c 2 4 3 0 的硬件平台和提出的协议栈的设计模型为基本框架，结合 m s t p 等有线网络技术，构建了一个面向中小型监控应用的工业无线测控系统。 关键词：工业无线网络，实时路由协议，n s 一2 ，c c 2 4 3 0 ，d s d v a b s t r a c t i n d u s t r i a lw i r e l e s sn e t w o r ki sak i n do fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w h i c hn e e d s t oa c h i e v eh i g hr e l i a b i l i t y , l o wp o w e rc o n s u m p t i o n , h a r dr e a l - t i m ea p p l i c a t i o n sa n d o t h e rs p e c i a la p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t sf o ri n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s c o m p a r e d t o t r a d i t i o n a lw i r e dc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g i e s ，i n d u s t r i a lw i r e l e s sn e t w o r ki s l o w - c o s t ，h i g l lr e l i a b i l i t y , f l e x i b i l ea n de a s yt om a i n t a i n a si n d u s t r i a lw i r e l e s s n e t w o r kg r o wi nt h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o n ，i tw i l lg r e a t l yr e d u c et h ep r o d u c t i o n c o s t s ，a n dt h u sg r e a t l yi m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , s ow eb e l i e v ee a r t h s h a k i n g c h a n g e sw i l lt a k ep l a c ei ni n d u s t r i a lc o n t r o la p p l i c a t i o n s e n s u r eh i 曲r e l i a b i l i t yo f t h es y s t e m ，a tt h es a m et i m ei n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k sh a v eh i g hr e a l t i m e r e q u i r e m e n t s i ft h ed e l a yb e t w e e ne n dt oe n di s t o o l o n g ，i tw i l la f f e c t t h e p e r f o r m a n c eo fc o n t r o ls y s t e m s ，a n di tm a ye v e nu n d e r m i n et h es t a b i l i t yo ft h e s y s t e m ，t h e r e f o r e ，w es h o u l dp a ym o r ea t t e n t i o nt or e d u c ee n d - t o - e n dd e l a yo f i n d u s t r i a lw i r e l e s sn e t w o r k i nt h i sp a p e r , i tf o c u so nt h er e l i a b i l i t ya n dr e a l t i m ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e i n d u s t r i a lw i r e l e s sn e t w o r k , m a k ead e e pr e s e a r c ho nt y p i c a lr o u t i n gp r o t o c o l so f w i r e l e s sa d - h o en e t w o r k s ，a n dv e r i f yt h a tt h er e l e v a n tc o n c l u s i o n s 晰t l lt h en s - 2 s i m u l a t i o n a c c o r d i n g t ot h er e l a t i v e r e s e a r c h ，t h e a r t i c l e d e s i g n an e t w o r k s t r u c t u r ef o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o nb a s eo nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mw h o s ec h i pi s c c 2 4 3 0 ，i ta l s og i v e st h es o f t w a r ed e s i g nm o d e lo ft h ec o r r e s p o n d i n gn e t w o r k p r o t o c o ls t a c ka n df o c u so nt h em o d u l a rd e s i g no fr o u t i n gp r o t o c o l s - d s d v t h e a r t i c l eb u i l dar e a li n d u s t r i a lw i r e l e s sn e t w o r kf o rt h eb a c k g r o u n do fi n d u s t r i a l e n g i n e e r i n g ，t h er e s u l to f t h er e a lp r o j e c ts h o wt h a tt h en e t w o r kd e s i g ni sf e a s i b l e t h em a i nt a s k so ft h i sp a p e ri n c l u d et h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) f r o mt h er e a l t i m ed e m a n df o ri n d u s t r i a lw i r e l e s sn e t w o r k s ，a c c o r d i n gt ot h e c u r r e n tr e s e a r c hr e s u l t so fw i r e l e s sa d - h o cn e t w o r k s ，t h i sa r t i c l ef o c u s e so n c o m p a r a t i v es t u d yo f b o t hd s d va n dt h ea o d v m u t i n ga l g o r i t h m ( 2 ) t h i sa r t i c l eb u i l dt h ew i r e l e s sn e t w o r km o d e l ，t h e na ne x p e r i m e n ti sc a r r i e d o u to nn s - 2b yu s i n gas c e n ec o n f i g u r a t i o nt h a ta c c o r dt ot h er e a lc o n d i t i o na n dt w o m a i nf a c e t s ：p a c k e td e l i v e r yf r a c t i o n ，a v e r a g ee n d t o e n dd e l a yo fd a t ap a c k e t s ，a n d i i t h er e s u l tp r o v e st h a td s d v r o u t i n gp e r f o r m a n c eb e t t e ro na v e r a g ee n d - t o e n dd e l a y o fd a t ap a c k e t s ( 3 ) b a s e do nt h ec h i pc c 2 4 3 0 ，t h i sa r t i c l ed e s i g nt h eh a r d w a r eo f w i r e l e s sn o d e f o ri n d u s t r i a lw i r e l e s sn e t w o r k ( 4 ) p r o p o s e daf r a m e w o r ko fp r o t o c o ls t a c kf o ri n d u s t r i a lw i r e l e s sn e t w o r k ，i t a l s og i v e st h es o f t w a r ed e s i g nm o d e lo ft h ec o r r e s p o n d i n gn e t w o r kp r o t o c o ls t a c k a n df o c u so nt h em o d u l a rd e s i g no fd s d v ( 5 ) f i n a l l y ，c o m b i n e dw i 廿lt h ew i r e dt e c h n o l o g ys u c h 嬲m s t p , b u i l dar e a l i n d u s t r i a lw i r e l e s sn e t w o r kb a s e do nt h ea b o v ei d e a s k e yw o r d s ：i n d m t r i a lw i r e l e s sn e t w o r k , r e a l t i m er o u t i n gp r o t o c o l ，n s 一2 ， c c 2 4 3 0 ，d s d v i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名： 、 盏奉汔 日 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 黜雠，：翰细唯名感畅一刚伊 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及其意义 随着计算机和无线通信技术的不断发展，微型化、网络化、无线化和智能 化是传感器网络技术最新的方向发展。无线传感器网络技术是与特定应用背景 紧密相关的，针对工业、家电和军事等不同的应用领域，其实现技术各异。工 业无线技术主要是在无线传感器网络技术的基础上发展而来，需要满足工业应 用硬实时、高可靠等严格要求。如今，工业无线网络已经成为工业控制及自动 化领域新的研究热点，它的不断发展与应用将很大程度上降低工业监测系统的 高额的投入和维护成本，同时它也将极大地推动工业无线技术在工业现场的应 用，可以预见的是，它将是未来几年内工业控制产品中新的增长点。 h 1 2 2 0 0 2 年，美国能源部在“2 l 世纪的工业无线技术”1 3 】中首次提出了工业 无线技术的概念。此后，工业无线技术受到了广泛的关注，2 0 0 4 年美国能源部 发布了“未来工业计划”，在该计划中提n t 4 j 工业无线技术代表着工业控制技 术未来一段时间必然的前进方向，它将在产品品质保障以及工业生产中的节能 减排等方面发挥极为关键的作用。与此同时，在由美国相关政府部门制定的“面 向2 1 世纪的能源研究和发展规划”文件中给出了预计：在工业生产过程中，得 益于于无线技术的推广，其生产效率将提高1 0 ，同时可以将生产带来的污染 降低2 5 州5 1 。 相比较于传统的有线通信方式，无线通信网络技术有着巨大的技术优势和 发展潜力，对工业控制用户有着极大的吸引力，与此同时不容忽视的是，工业 现场的强干扰以及工业应用本身对系统极高可靠性的严格要求，也给工业无线 网络技术提出了很多新的问题和挑战。参考文献【6 】中论述了无线网络应用于工 业时遇到的挑战，例如：工业现场环境下无线信道的链路不及有线链路那么稳 定，还讨论了工业应用对无线通信网络的一般q o s 要求，即可靠性，自适应性， 网络规模可扩展性等，同时涉及到网络拓扑结构的讨论，强调网状的拓扑结构 能够较好的保障数据可靠性，但是遗憾的是文章中没有数据和分析模型等实证 手段。而这些问题之中，对于如何保证网络可靠性的前提下尽量地降低网络端 到端时延的问题，这是工业无线网络能否成功应用的关键，这也将是本文的出 发点与研究重点。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 相关领域国内外研究现状 1 2 1 工业无线网络的国内外研究现状 工业无线技术是从近几年最新的无线传感器网络技术中逐步发展而来的， 工业无线网络技术的发展大致可以划分为以下两个阶段： ( 1 ) 2 0 世纪7 0 到8 0 年代是第一个阶段，无线网络技术应用于工业，主 要以解决长距离数据传输为目的，主要技术特点是以点对点通信为主。 ( 2 ) 第二阶段则是在2 1 世纪初，以短距离工业无线网络技术为主导，以 解决低成本的信息获取为主要目的，主要特点是大规模和网络化。这一阶段的 工业无线网络技术的进步得益于新兴的短程无线传感器网络技术的飞速发展。 标准是一个产业的基础与核心，前几年工业无线网络的发展一直受到标准 缺失的困扰，针对这一问题，一些国际大公司和区域组织积极推进相关技术的 标准化进程，并取得了一些重要成果。到目前为止，业界已经有两个公认的工 业无线通信国际标准，分别是于2 0 0 8 年9 月1 9 日正式获得国际电工标准委员 会( i e c ) 的认可的w i r e l e s s h a r t 通讯规范( h a r t 7 1 ) ，以及我国提出的w i a p a 规范。w 队p a 规范于2 0 0 8 年1 0 月3 1 日经过国际电工委员会( i e c ) 全体成 员国的投票，以9 6 的得票率获得通过，作为公共可用规范i e c p a s6 2 6 0 1 标 准化文件正式发布1 7 1 。w i a p a 规范是我国工业无线国际标准制定工作中取得的 重大突破，将对于我国未来的工业无线产业发展带来深远的影响。 h a r t 通信基金会( h a r tc o m m u n i c a t i o nf o u n d a t i o n ，h c f ) 将无线h a r t 协议作为h a r t 协议第7 版的核心部分，并于2 0 0 4 年开始了相关协议的制定 工作。h c f 的无线工作组由业界最主要的工控设备制造商构成，其中包括西门 子、艾默生、尘埃网络等。2 0 0 7 年6 月，h a r t 通信基金会的无线工作组最终 通过了无线h a r t 的通信协议规范。 无线h a r t 8 1 1 9 1 1 叼是专为工业控制设计的无线网状通信规范。可靠性高、 使用简便以及要和无线传感器m e s h 网络协议兼容是无线h a r t 设计过程中最 主要的原则。该协议规范强制要求所有的设备必须按规范提供可互操作性，即 不管哪一家设备生产商生产的无线产品，只要符合无线h a r t 通信协议的标准， 就可以实现设备之间的相互操作和信息互换。 工业无线网络w n 标准是由中国工业无线联盟推出的具有自主知识产权的 技术体系。2 0 0 8 年1 0 月3 1 日，用于工业过程自动化的无线网络( w i a - p a ) 规范 武汉理工大学硕士学位论文 获得了国际电工委员会( i e c ) 全体成员国9 6 的投票，成为与w i r e l e s sh a r t 一样被同时承认的两个国际标准化文件之一。 中国工业无线联盟在制定w n 通信协议标准的过程中，一直坚持着这样的 目标：这个协议标准可以随着应用场景的不断变化，网络同时也可以保持较高 的可靠性和稳定性；协议可以实现于较廉价的芯片上；用户只需较低投入就能 得到使用简便的工业无线系统。i l l 】 1 2 2 工业无线网络面临的主要技术难题 由于无线通信网络技术的发展现状所限，当前的工业应用中，无线通信技 术仅仅在监测与管理数据的传送等方面的应用中相对成熟。工业现场情况复杂， 这给工业无线技术不可避免地带来了众多的难题，这些挑战大多来源于工业现 场的干扰以及工业控制中对于可靠性和安全性的要求。 工业生产现场中普遍存在的强干扰源以及现场的复杂性等恶劣环境，基于 这些考虑，无线网络应该具有很强的抗干扰性能，这样才能保证现场的无线设 备互不影响。同时也需要工业无线系统可以抵抗其他干扰源的影响，如现场的 电机、p l c 控制器和感应信号开关等现场设施都能产生干扰信号。工业无线网 络还需要提供足够的兼容性和可互操作性，只有拥有了较好的兼容性，才能真 正实现工业网络更低的成本与更大范围的应用。此外还由于工业应用涉及到安 全生产，监控系统还应该提供一定的保障机制来确保系统的稳定性和可靠性， 最好是系统发生故障的时候具有报警和自修复等功能。 无线技术要在工业现场大规模应用，那么高可靠性和低延迟是需要解决的 两大关键难题。1 1 2 j 无线信道差错率要比传统的有线通信方式高出很多，当然， 我们可以采取如差错重传等措施来保证数据正确传输，但是这样的话就会不可 避免地产生了网络延时。这些工业现场以及工业应用本身的特殊要求使得现有 的无线通信技术还无法完全胜任如今工业中的所有应用。一个简单的例子就是 工业控制系统中比较关键的传感器实时数据的采集，这种情况一般都需要在极 短时间内向控制器进行传输，不能按时传输的话，有可能出现严重的后果。按 照现阶段的无线网络通信技术和相关研究成果，客观地说，无线网络技术在端 到端时延和网络可靠性方面还不能完全胜任工业应用。 在众多嵌入式系统的应用场合，实时性是经常被提及的性能指标，而这一 点对于在工业应用显得尤为关键。不同的网络有其不同的应用背景，所以其网 武汉理工大学硕士学位论文 络的服务质量方面也会有不同的需求，对于普通民用网络而言，网络的吞吐率 是一个很重要的指标，而对于工业控制网络而言，可能网络的端到端时延就会 显得尤为重要，所以需要针对不同的网络应用场景，来合理地进行网络设计。 当然，需要特别注意的是，信号的稳定与可靠传输，是实时性的前提与基础， 没有可靠性作为前提，实时性也无从谈起。 工业无线网络中，无线网络节点之间的通信只能通过多跳接力的方式，这 样的话保证端到端通信成功率的问题上面会遇到诸多问题与挑战。 可靠性和实时性永远是工业无线网络无法回避的关键问题，可靠性是实时 性的前提，而实时性是工业控制系统的关键，两者相辅相成，缺一不可，关系 着工业无线网络的性能和应用前景。 ( 1 ) 保证可靠性的关键技术 而对于当前的无线网络研究，探讨可靠性的问题基本都集中网络协议上 面，特别是网络的拓扑结构对网络的可靠性具有决定性的意义，以当前的工业 无线网络标准国际标准来说，w i r e l e s sh a r t 和w 队p a 的网络拓扑结构各异， 却均有确保网络可靠性的相关技术。 w i r e l e s sh a r t 的网络拓扑是一种完全的m e s h 结构，网络中任何两点之间 拥有多条通道，这在很大程度上能够避免单一的通信链路失效带来的通信中断 的问题。在无线h a r t 的网络结构中，网络管理器主要负责路由表的更新与维 护、无线网络的组态、网络设备间的通信和网络通信链路状况的报告，而也正 是这个逻辑设备可以大大减轻网关承担的工作，而且该网络还支持冗余网关的 结构，这种网络结构设计思路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。1 1 3 j w i a p a 的网络拓扑结构与w i r e l e s sh a r t 不一样，w i a p a 的主干网络 采用与w i r e l e s sh a r t 一致的m e s h 结构，但是其各个子网采用星型网络结构。 与w i r e l e s sh a r t 一样，w 认p a 网络中也有网络管理器来负责配置网络、调 度路由设备问的通信、管理路由表、监测网络性能。此外，在w i a p a 的网络 拓扑结构中，作为子网簇首的网关有着至关重要的作用，如果这个网关出现故 障，则整个子网将会瘫痪，为了避免这种情况的发生，w i a p a 网络的逻辑设 备分别依此设计了冗余网关和冗余簇首。这种冗余机制可以极大地提高网络的 健壮性和可靠性。 可靠性是网络通信的前提，从以上对于两种不同国际通信协议标准的分析 4 武汉理工大学硕士学位论文 可知，m e s h 网络结构和冗余机制可以保证系统的可靠性，同时这也是当前保证 网络可靠性的关键技术。 ( 2 ) 确保实时性的关键技术 众所周知，在工业控制应用环境中，实时性一般都是系统一个重要的性能 评估指标。实时性主要强调的是一种确定性，并不是一味地强调时间短，它是 指信号的输入、运算和输出都要在确定而且满足应用要求的时间内完成。 而无线网络实时性的问题可以归结为两个方面来解决，一是如何更快地接 入信道进行数据的发送操作，这对应于网络协议的m a c 层通信协议；二是如 何以最短的路由路径获得最低的端到端时延，这对应于网络协议的网络层尤其 是路由协议的核心问题。 在当前的主要短距离无线自组织网络中，大多数都采用的i e e e8 0 2 1 5 4 【1 4 1 为底层协议，表1 1 是当前主要的几种典型无线个域网协议栈。 表1 1 几种典型的无线个域网协议栈 o s i 标准无线 w i r e l e s sh a r tw i a p a z i g b e e 应用层 应用层h a r th a r t 、w 1 a p i a z i g b e e 表示层表示层 会话层会话层 网络层 网络层 w i a p a z i g b e e 传输层 t s m 口 m a cm a c 8 0 2 1 5 4 ( 扩展)8 0 2 1 5 4 物理层物理层 8 0 2 1 5 48 0 2 1 5 48 0 2 1 5 4 在表1 1 中的三种协议中，z i g b e e t l 5 】【1 6 】最初并不是完全针对工业无线控制 应用领域的，所以它并不能很好地支持工业应用。而且关于z i g b e e 不适合工业 无线领域的问题，参考文献【1 7 】、【1 8 】和【1 9 】中进行了深入地探讨。w i r e l e s sh a r t 和w i a p a 都是当前公认的工业无线网络的国际标准，w i r e l e s sh a r t 网络协 议栈中的关键技术在于使用了t s m p 协议【2 0 j ，而t s m p 协议是一种专为低功耗、 低带宽、可靠联网而设计的介质存取层和网络层协议，t s m p 协议采用跨层优 化的设计方法，可以满足工业无线网络实时性性能要求。w i a p a 协议栈虽然 在介质存取层采用了i e e e8 0 2 1 5 4 ，但是却对其进行了适合于工业无线网络要 求的改进，同时其也相应地设计了网络层协议。 武汉理工大学硕士学位论文 由上述的探讨可知，在网络通信协议中，网络层协议( 核心是网络管理和 路由协议) 对于网络的可靠性和实时性具有决定性的作用，本文将以工业无线 网络为背景，重点在路由协议方面探讨工业无线网络的可靠性与实时性问题。 1 3 本文的研究工作及组织结构 本文从工业无线网络的发展及其面临的主要问题出发，以理论研究和网络 仿真为主要方法，重点研究了工业无线网络的相关关键技术，按照深入理论， 重在实践的思路，深入对比研究了d s d v 和a o d v 这两种典型的无线自组织网 络路由协议，并以理论为基础构建了真实的工业测控网络。 全文总共分为五章，结构安排如下： 第一章为本文的绪论部分，首先简要介绍了工业无线网络的发展、特点以 及当前主要的国际标准，之后阐明了工业无线网络的主要难题，并重点分析了 当前相关解决方案的关键技术，最后提出了本文研究的主要内容。 第二章先从工业无线网络的实时性问题出发，结合当前自组织网络的路由 协议研究现状，重点探讨了两种主流路由协议_ d s d v 和a o d v 是否适用于 工业无线网络实时性要求的问题。 第三章是本文的重点，这一章希望通过网络建模与仿真来验证上一章得出 的结论，首先通过实际的工程应用背景建立了网络模型，同时以n s 2 为网络仿 真平台，对主流的a dh o c 网络路由协议d s d v 和a o d v 进行了可靠性和实时 性的对比研究，并对仿真结果进行了深入地分析。 第四章先是以c c 2 4 3 0 为核心设计了工业无线网络的无线节点硬件，同时 以上一章的结论提出了工业无线网络的协议框架和软件实现模型，最后以此为 基础，结合m s t p 等有线网络技术，构建了一个面向中小型监控应用的工业无 线测控系统。 第五章为总结与展望，总结了本文所做的工作，确定了下一步的研究重点 和方向，并对今后的研究开发工作进行了规划。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章工业无线网络实时性与路由协议研究 2 1 工业无线网络的实时性研究 工业无线网络是一类以工业应用为背景的专用传感器网络。在工业控制应 用中需要实时地传输现场过程信息和操作指令。这里实时性指的是在确定的时 间段内，控制系统对于其内外事件都能及时地作出响应和处理，从而保证系统 的正常运行和安全操作。事实上，当前的传感器网络还无法完全满足工业控制 系统中对于数据通信实时性的需求。【2 l 】 为了将工业无线网络应用中的实时性进行标准化分类，就必须拥有相关的 无线通信系统的标准，而美国仪表系统和自动化学会的i s as p l 0 0 e 2 2 】标准委员 会负责制定这类标准。这个面向工业应用的无线通信系统的标准s p l 0 0 ，主要 从工业应用实际情况出发，重点关注各类应用的时间属性，将工业应用中的无 线应用划分为监控、控制和安全应用三大类，以此为前提同时细分成六小类， 具体应用划分情况见表2 1 。 表2 1 工业控制应用中的无线应用分类 安 0 类：紧急动作( 总是关键)信 全息 i 1 类：闭环调节控制( 一般都关键) 时 i l 控 2 类：闭环监督控制( 一般都不关键) 间 i 3 类：开环控制( 由人来控制) 性 制 的 注：批量控制的3 级( “单元”) 和4 级( “过程小单元”) 由其功 重 能决定可能是1 类、2 类，甚至为0 类 要 监4 类：标记产生短期操作结果 程 测( 例如：基于事件的维护) 度 监 5 类：记录和下载上载不产生直接的操作结果( 例如：历史数据 控采集、事件顺序记录s o e 、预防性维护) 下面将详细就表2 - 1 中划分的无线应用进行阐述。在这张表中，第5 类应 用是和监控相关的，是无关安全与紧急控制的应用，比如生产情况历史数据的 7 武汉理工大学硕士学位论文 备份，为系统维护而需要定时采集的数据等等。这类应用往往对于网络的服务 质量，特别是端到端时延并没有严格苛刻的要求，一般来说，是比较容易满足 和实现的。 第4 类应用也和监控相关，但是和上面的第5 类应用不同的是，这类应用 是指那些需要在短时间之内就返回操作结果的数据通信，比如说工业现场布置 的用于安全监测的烟雾传感器故障信号等。 开环控制是第3 类应用，它指的是在现场还有人起作用，比如现场工人手 动远程开启一个机电生产设备，或者是按照生产工艺手动调节设备的转速等。 闭环监督控制属于第2 类应用，一般与之相关的并非核心模块，比如优化 工业生产的参数值等。 闭环调节控制属于第1 类应用，通常来说，涉及到的都是异常重要线路， 例如现场操作器的操控等。 恒为关键的紧急行动是第o 类应用，这个应用涉及非常关键的安全控制， 主要包括安全消防保障系统等。 工业监测应用中，除了普通数据按照应用的重要程度进行了分类之外，相 关的报警信号也会按照其重要程度的不同来进行分类，一般分为0 类到5 类。 比方说：0 类报警是指那些具有非常重要安全意义的，并且需要有自动响应功 能的，常见的有烟火监测传感器信号；1 类报警一般需要自动响应那些对流程 带来极大影响的信号；2 类报警是指控制系统会自动响应的信号；3 类报警需要 人为进行参与操作的提示；4 类报警是有关设备工作出错的信号；5 类报警是有 关设备实时状态的反映。 针对工业控制应用中不同时间属性的无线应用进行划分之后，与之相对 应，就会对网络的服务质量有不同的要求。表2 2 是工业控制应用环境中无线 控制系统需要满足的q o s 分类【2 3 1 ，这张表中详细地将不同的工业无线应用对应 到不同的网络服务质量分类。 工业无线技术要想获得广泛的应用，实时性的问题必须解决，当然其前提 是保障系统可靠性。归根到底，工业无线网络技术也是由无线自组织网络技术 发展而来，工业无线网络的实时性问题也是无线自组织网络需要解决的问题， 我们力图探寻工业无线网络实时性问题的解决方法时，就不得不着手研究无线 自组织网络的实时性问题。 武汉理工大学硕士学位论文 表2 2 无线控制系统需要满足的q o s 分类 服务质量q o s 服务1 立即( 如紧急数据和高中断级报警) 质量2 按预定时间传递( 如周期性闭环控制部分) q o s 3 等待一定时间可得到( 如监控消息和低中断级报警) 分类 4 高吞吐量数据( 如组态数据和程序代码下载) 无线网络能否达到所需的实时性，网络的路由协议和m a c 协议均在端到 端延时中起到了决定性的作用。本文将重点研究实时路由协议，下面将重点分 析无线自组织网络的典型路由协议。 2 2 无线自组织网络的典型路由协议及其对比研究 当前，i e t f 2 4 1 已经公布了一系列的有关a dh o e 路由的草案：a o d v 、t o r a 、 d s r 、o l s r 、d d m 、m a o d v 、t b r p f 、f s r 等。根据路由的驱动方式可以把 路由选择协议分成表驱动路由协议( 又称先应式路由协议) 和源驱动按需路由 协议( 又称反应式路由协议) ，其中a o d v 是经典的源驱动路由算法，d s d v 是 经典的表驱动路由算法。 2 2 1d s d v 路由协议 d s d v l 2 5 】( d e s t i n a t i o n s e q u e n c e dd i s t a n c e v e c t o r ) 路由协议是表驱动路由协 议之一，它是从传统b e l l m a n f o r d 路由选择算法经逐步修改优化而来的，d s d v 路由协议的最大特点是利用目的节点序列号解决了 d b f 算法的路由环路和无穷 计数的问题。 d s d v 路由协议是a d h o c 路由协议发展过程中最早提出的几个协议之一，但 是它只适合于双向链路。按照d s d v 路由协议的设计可知，无线网络中的每一个 网络节点都保存有一张记录所有目的节点和到相应目的节点跳数的路由表。在 该路由表中，每一个条目都有一个由目的节点标明的序列号，就是这个序列号 可以帮助节点区分有效的和过期的路由信息。假若路由表中两个更新数据包都 是同样的序列号，那么这时将选择跳数最小的路由信息，这样就可以使得路由 路径最优。 9 武汉理工大学硕士学位论文 在d s d v 路由协议中，某一个时刻某个网络节点的路由表中，仅仅拥有唯一 的一条从源节点到目的节点的路径。为了使网络的性能达到最优，在d s d v 路由 协议中，我们往往需要进行以下参数的设置工作：路由表定时更新的时间间隔、 网络的最大“沉淀时间 和路由失效的最大时间。虽然由于应用的复杂性与网 络结构的多样性，上述的这些网络参数对于网络性能的影响很难得出一个定论， 但是网络优化的实质是需要在路由的有效性和网络通信开销两者间找到一个最 佳的临界值，而在网络优化过程中往往需要找到这个最合适的最优点，这也是 网络优化设计人员最重要的任务之一。 由上文对于d s d v 协议的相关论述，我们可知由于d s d v 路由协议中的网络 节点会周期性地广播路由表更新分组，从而维护和更新网络的路由信息。在运 行d s d v 路由协议的无线网络中，由于路由信息的已知，一旦某个网络节点有数 据发送，该网络节点就会立即执行发送操作，正因如此，d s d v 协议非常适合那 些对网络实时性要求很高的网络应用场景。与此同时，不能忽视的是在移动自 组织无线网络中，无线网络节点经常是运动的，这会导致网络拓扑结构也是不 断变化的，很少会有静态不变的无线网络，那么这就给d s d v 协议提出了一个相 当棘手的难题：第一个就是节点更新和维护路由信息的开销很大；再者就是有 可能网络中某个节点刚刚获取的路由信息一下子就失效了。也就是说，d s d v 路 由协议仅仅并不适合网络规模很大或者网络拓扑结构变化较快的应用场合。 与其它的路由协议如a o d v 按需路由协议相比较，d s d v 协议为了保持路由 信息的正确性，无线网络节点必须周期性地向其相邻节点发送本地信息，这样 做带来的弊端就是d s d v 协议的控制开销会相对大很多，而且这样也会不可避免 地浪费一定的网络带宽资源。1 2 6 j 2 2 2a o d v 路由协议 a o d v 1 27 。( a dh o c o n d e m a n dd i s t a n c e - v e c t o r ) 路由协议是无线自组织网络 按需路由协议之一。a o d v 路由协议不但使用了d s d v 路由协议中的序列号机 制，而且也借鉴了d s r 路由协议中的路由发现机制和路由维护策略，可以说 a o d v 路由协议是取众多协议之长，充分地采纳了前人的研究成果。总体来说， a o d v 路由协议实现简单，存储资源要求较少而且对网络带宽消耗较小。深入分 析该协议的运行机制，可知该协议的运行过程主要分为路由发现和路由维护及 管理两个部分。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 路由发现过程 根据d s r 协议的启示，a o d v 路由协议充分借鉴了它的广播式路由发现策 略。运行a o d v 路由协议的无线网络中，当源节点有数据要发送的时候，如果此 时路由表中却没有到达相应目的节点的有效路径时，此时就需要进行路由发现 过程。一次完整的路由查找和建立过程如图2 1 所示。 在a o d v 路由协议的一次路由发现过程中，我们需要特别注意的是该网络 中如何确立时间度量最小的路径。在图2 1 中控制报文r r e q 往往会沿着不同的 路径在网络中逐跳传递，但报文r r e p 仅仅沿着首先到达的路径( 1 ，2 和7 ) 传回 源节点，而这条路径就是源节点与目的节点之间的最短路径，而这也是路由表 表项中记录的源节点与目的节点之间的路由信息。 图2 1a o d v 路由建立过程 要深入了解一个协议，除了理解协议的基本设计思路之外，还必须深入分 析和理解该协议的帧格式。a o d v 路由协议的r r e q 报文结构如图2 2 所示，在该 报文格式中：相对应于r r e q 报文的消息类型应该是l ；j 和r 标志位是分别为组 播应用预留的加入和修复标识。 武汉理工大学硕士学位论文 在无线自组织网络中，运行a o d v 协议的某个网络节点可能会从各个不同 的邻居节点收到多个来自于某一广播的副本，中间节点收至o r r e q 报文时它会对 报文的相关字段进行解析工作：如果在此之前无线网络节点己经收过相同广播 标识和源节点地址的r r e q ，那么此时该节点就必须丢弃该报文；否则就会提取 r r e q 中的相关信息来建立反向路径。 1234 类型 jrg 保留跳数 r r e q 标识 目的节点m 地址 目的节点序列号 源节点口地址 源节点序列号 图2 2r r e q 报文格式 a o d v 路由协议中，r r e p 报文格式如图2 3 所示，此时的数据帧中，帧类型 参数需要设置为2 ；r 标志位用于网络的组播操作；a 标志位则用于网络中数据包 接收确认操作。 由以上网络路由信息建立的过程，可知a o d v 路由协议借鉴了d s d v 路由协 议的序列号机制。然而在a o d v 路由协议中，报文中的序列号是单调递增的，这 是和d s d v 路由协议不太一样的地方。 l234 数据帧类型 ra 保留包头大小跳数 目的节点口 目的节点序列号 源节点p 生存时间 图2 3r r e p 数据包格式 ( 2 ) 路由维护及管理 在无线网络中，当路由表建立好以后，还可能出现路由失效的现象，这个时 候就需要进行路由的维护和管理。例如网络中某个网络节点由于运动而脱离了通 信的覆盖范围，最后导致路由路径失效时，此时就需要向目的节点发起新的路由 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 发现过程。 无线网络中，经常可能出现网络节点“突然死亡 的现象，此时就需要向 所有与该网络节点相关的其他网络活跃节点通告这个“噩耗 。无线网络中通告 这个“噩耗 就是要向所有利用这个失效链路的上游节点发送未被请求的r e r r 报文，具体的数据包帧格式见图2 4 。 1234 类型n保留不可达目的节点数 不可达目的节点d 地址 不可达目的节点序列号 其他不可达目的节点口地址( 如有) 其他不可达目的节点序列号( 如有) 图2 4r e r r 协议帧格式 无线网络中，当某个节点收到相关的断链消息时，它如果还想与相关节点 联系，此时该节点将会向全网广播一个r r e q ，需要特别注意的是该报文中的目 的序列号必须是源节点现有的最新序列号加1 ，这样做的目的是为了正确地维护 和更新路由信息，特别是可以避免路由信息中环路的出现。以上描述的全部过 程就实现了路由表中路由路径的维护和更新。 ( 3 ) a o d v 协议的优缺点分析 不同于表驱动路由协议d s d v ，a o d v 路由协议是按需路由，也就是说无线 网络中的节点不需维护全网的拓扑信息，而只需要网络节点有数据发送时，才 可能需要发起路由请求。两者最主要的区别可以概括为，d s d v 协议是主动协议， 而a o d v 协议是被动协议。 与d s d v 路由协议相比，由于a o d v 协议不需要对网络的路由信息进行实时 地更新和维护，那么网络的带宽利用率高很多，这样就保证了a o d v 路由协议可 以比较及时地应对网络结构的变化，而且网络的稳定性会相比于d s d v 这些先验 路由协议更有优势，特别是网络变化较快的场合。 在d s d v 协议和d s r 协议的基础上，虽然a d o v 协议很好地借鉴了它们各自 的优点，但是它还是存在以下几点不足之处：首先是它仅仅支持双向传输信道， 无法用于单向信道的应用场合；其次是网络路由表中仅仅维护了一条到目的节 点的路由路径，这在动态变化的网络环境中很容易发生路由失效的问题；最后 由于它的超时删除