无线HART网络的路由算法研究和设计

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工业现场无线网络技术是继现场总线技术之后,工业控制领域悄然崛起的热点信息化技术之一。2008年9月,HART通信基金会正式发布了无线HART网络(Wireless-HART)协议标准。作为一种专为工业现场设计的无线网络标准,无线HART网络具有高稳定性、严格的实时性和可靠的安全性等特点。当前,无线HART协议受到了学术界和工业界一致关注。特别地,当无线HART网络应用场景的规模越来越大时,路由选择和路由决策也就凸显其重要性,受到大家的普遍关注和研究。一个性能良好的路由算法可以有效的降低传输延时、提高包到达率、合理处理网络拥塞。本文从无线HART网络协议出发,探讨了无线HART的协议架构和规范,分析、研究了无线网络中常用的几种路由算法,总结他们各自的优点,以及各种算法适应的网络拓扑特点。无线HART网络协议是为干扰较严重、情况较复杂的工业现场所设计的。另一方面,无线HART整个网络的路由决策和通信时隙安排都是由网络管理节点来计算和配置的,也就是,无线HART的路由算法是一个集中化的路由算法。根据无线HART网络的这些特点,本文提出了负载均衡的冗余多径路由算法。这个算法主要研究、解决了无线HART路由决策的两个重要问题:冗余路由的搜索和负载均衡的多径路由的选择。搜索有限冗余的通信路径,可以增加路由路径个数,从而提高网络的可靠性;而在冗余路径选择上,本文采取了负载均衡的路由选择策略。然后,本文采用分支定界的方法,对本算法做了进一步的优化改进,在保证网络可靠性的前提下,进一步降低了算法的复杂度。最后,本文在NS2(Network Simulator2)的开源仿真平台上,自上而下的实现了整个无线HART网络的协议栈,并且将本文提出的路由算法也加入到协议栈的网络层。通过设计不同的网络拓扑场景进行仿真实验,分析仿真结果,可以发现:本文提出的负载均衡的冗余多径路由算法有效的提高了网络的可靠性,并且能够有效的平衡各个节点上的通信负载量。
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