实时工业以太网无线通信节点的设计与实现

实时控制网络是新型网络化、智能化工业装备的重要支撑技术。在研究POWERLINK实时工业以太网协议的基础上,以FPGA为核心,设计和实现了一个实时无线通信嵌入式硬件节点。其中,以FPGA作为实时网络协议栈处理单元,采用并行接口与主控单元实现高速数据交互,并基于典型射频模块实现无线数据传输接口,可支持高速无线数据传输。通过所集成POWERLINK IP核的实时链路层管理机制,实现了工业网络中多节点间数据的无线实时传输。     

现场级无线通信协议研究

面对工业应用中对现场级无线通信的需求，本文以基于高速以太网的现场总线标准FF HSE为蓝本，结合无线以太网标准IEEE802.11b，构造了现场级无线通信协议栈．新的协议栈 保持了基金会现场总线的通信模型，能够完成无线设备间的时间同步和实时通信．     

工业无线网络WIA标准体系与关键技术

工业无线技术是一种本世纪初新兴的、面向设备间信息交互的无线网络技术,适合在恶劣的工业现场环境下使用,具有强抗扰、低功耗、实时通信等技术特征,是对现有无线技术在工业应用方向上的功能扩展和技术创新,并将最终转化为新的无线技术标准。本文介绍我国在工业无线技术方面的研究进展,重点介绍具有自主知识产权的工业无线网络核心技术以及相关国家标准体系的建设情况。     

TLTS:大规模无线传感器网络下基于簇的两级TDMA调度协议

媒质接入控制子层是节点能量消耗的主要所在,因此无线传感器网络设计的基于TDMA的MAC协议具有固有的节能特性,但是其可扩展性较差.基于簇的TDMA协议则可有效提高系统的可扩展性,但同时带来了簇间传输干扰问题.针对此问题提出了一种基于簇的两级TDMA调度协议--TLTS协议.通过两级TDMA调度,避免了簇间传输干扰,提高了能量有效利用率.实验结果显示,当节点密度较高时,TLTS协议更适合用于大规模部署的无线传感器网络中.     

面向工业无线网络的动态TDMA系统设计与实现

随着工业4.0的发展, 不同种类的新型工业应用被部署到工厂中, 这对现有工业无线技术提出了实时性和高速率的要求. 为了同时满足这两种需求, 本文在支持高速率的IEEE802.11的基础上, 提出了基于软件定义的动态时分多址(Time division multiple access, TDMA)机制无线接入系统. 首先, 为了提供时延有界的传输服务, 设计并实现了基于MAC (Medium access control)层的动态TDMA接入机制. 然后, 为了满足工业无线网络中的动态变化的带宽需求, 考虑设备数据量的动态变化, 在SDN (Software defined network)控制器上通过基于最小二乘法的线性回归算法预测设备时隙需求, 再将动态时隙分配问题转化为优化问题以最大化网络中所有设备动态时隙需求. 最后, 通过仿真对比TDMA时隙分配算法的性能, 并在实际网络环境中开展系统部署与测试. 结果表明, 相对于其他TDMA接入机制, 动态TDMA机制在保障时延有界的同时能有效提升传输性能.     

无线网状网中基于TDMA模式的QoS路由策略

为支持无线网状网中具有服务质量（QoS）需求的实时应用,提出基于TDMA模式服务质量路由策略TD-MQR。对网络进行分层,提出新的链路指标值,在考虑链路容量和无线信道间干扰的基础上对网络的流量进行路由和调度。仿真表明,该协议能够对WMN中实时应用提供QoS保证。     

Ad-Hoc网络中TDMA接入的无线网卡设计

随着Ad-Hoc网络的发展和应用,TDMA接入方式逐渐成为Ad-Hoc网络MAC协议研究的热点.根据TDMA接入方式的特点,讨论Ad-Hoc网络中TDMA接入方式无线网卡的设计思路,提出Ad-Hoc网络无线网卡的设计方案,开发出一种适应性强、性能优良的新型无线网卡.该无线网卡可以构建多个节点的Ad-Hoc网络,实现TDMA固定接入方式和多种改进接入方式,能够满足实际应用的多种需要.     

面向安全应用消息QoS的接入协议研究

为了实现车联网安全应用消息的低时延高可靠传输,设计了一种基于时分多址(time division multiple access,TDMA)面向安全应用消息服务质量(quality of service,QoS)的多址接入协议QoS-oriented TDMA。该协议采用TDMA技术实现,并同时考虑了协同感知信息(cooperative awareness message,CAM)和分布式环境通知消息(decentralized environmental notification message,DENM)两种安全应用消息的传输需求。采用交通仿真软件SUMO和网络仿真软件OMNe T++相结合的,交通与网络仿真双向耦合、实时交互的车联网仿真平台Veins,对QoS-oriented TDMA协议进行了仿真实现和性能验证。仿真结果表明,CAM传输可靠性虽然没有明显改善,但是QoS-oriented TDMA协议提高了DENM传输可靠性,并降低了CAM和DENM传输时延。与IEEE 802.11p协议相比,QoS-oriented TDMA协议高速场景和市区场景中CAM接收概率分别降低了5.8%和7.1%,传输时延分别降低了11.4%和12.8%;DENM的接收概率分别提高了10.5%和12.9%,传输时延分别降低了13.3%和15.1%。     

基于Jenie无线传感技术在工业电缆生产中的应用

通过研究ZigBee协议,设计并且实现了集射频与信号处理一体的一种无线传感器节点,把无线传感技术应用到工业电缆生产控制过程,通过实验结果分析,这种无线技术可以解决有线数据传输中多余线缆问题,推动无线传感技术在工业控制过程中更广泛的应用。     

面向无线传感器网络的无线携能通信研究

能量受限是无线传感器网络应用的瓶颈问题,为了使无线传感器网络获得稳定持续的能量来源,提出将无线携能通信（ SWIPT）技术应用到无线传感器网络中。基于时分多址（ TDMA）的通信方式建立了适应于无线传感器网络的无线携能通信系统新优化模型。通过凸优化问题的求解得到该优化模型的最优分配策略。利用仿真实验对无线携能通信在无线传感器网络中应用的可行性进行了分析,对方法的有效性进行了验证。     

车间RF433M通信时分多址技术

针对车间实时数据采集组网模式技术中轮询制信道利用率低的问题,提出一种基于时分多址技术的RF433M通信方法,在实际项目中制定射频组网主动发送机制。与其他射频组网轮询制的比较结果表明,基于时分多址技术的主动发送机制无论是在通信速率、通信稳定性还是在组网灵活性上,性能都更优。该技术能更好解决车间的射频组网同步问题,有效提高车间无线网络的信道利用率和通信速率。     

一种基于有限信道的能量高效节点调度机制

在低负载、低功耗无线传感器网络中,节点状态切换的能量消耗因为用于数据传输的能量较小而变得不可忽略。针对此问题,提出了结合多信道技术与时分多路访问( TDMA)技术的节点调度算法。该算法设计了基于接收端的连续时隙分配策略以减少节点状态切换次数,并且在可用无线信道有限的约束条件下,提出了信道分配与时隙调整机制,实现了时隙重用并最小化有限信道约束对优化节点状态切换次数的影响。仿真实验结果表明,当可用无线信道数为3~5时,算法能够有效地改善节点能量效率。当可用无线信道数大于3之后,算法能够获得优化的数据汇聚时间。     

A Learning Automata-Based Cognitive Radio for Clustered Wireless Ad-Hoc Networks

In current wireless networks, the radio systems are regulated by a fixed spectrum assignment strategy. This policy partitions the whole radio spectrum into a fixed number of radio ranges, each exclusively assigned to a specific user. Such a spectrum assignment strategy leads to an undesirable condition under which some systems only use a small portion of the allocated spectrum while the others have very serious spectrum insufficiency. The learning automata-based cognitive radio which is proposed in this paper is a highly potential technology to address the spectrum scarcity challenges in wireless ad hoc networks. This paper proposes a learning automata-based dynamic frame length TDMA scheme for slot assignment in clustered wireless ad-hoc networks with unknown traffic parameters, where the intra-cluster communications are scheduled by a TDMA scheme, and a CDMA scheme is overlaid on the TDMA to handle an interference-free inter-cluster communication. In this method, each cluster-head is responsible for a collision-free slot assignment within the cluster and determines the input traffic parameters of its own cluster members. It then takes these traffic parameters into consideration for an optimal channel access scheduling in the cluster. The medium access control layer in each cluster is based on a time division multiple access (TDMA) scheme, in which each host is assigned a fraction of the TDMA frame proportional to its traffic load. The simulation experiments show the superiority of our proposed slot assignment algorithm over the existing methods in terms of the channel utilization, control overhead, and throughput, specifically, under bursty traffic conditions.     

一种星球探测系统多机器人通信机制研究

分析了一种可重构星球探测系统中多机器人通信的特点．根据多机器人系统的功能要求，在TDMA（时分多址）分时共享信道原理和击鼓传花机制的启发下，提出了一种新颖的多机器人无线通信机制．详细介绍了该通信机制和通信协议．仿真和通信实验同时验证了该机制的可行性和实用性．     

Efficient Time Synchronization Approach for Wireless Communication Systems on GPP-Based Software-Defined Radio Platform

General purpose processer (GPP) based software-defined radio (SDR) platforms provide wireless communication system engineers with maximal architecture flexibility and versatility to construct a wideband wireless communication system. Nevertheless, the lack of hardware real-time timing control makes it difficult to achieve time synchronization between the base station and the terminals. In this paper, a software-based time synchronization (STS) method is proposed to realize the time synchronization of time division multiple access (TDMA) based wireless communication systems. A high precision software clock source is firstly constructed to measure the elapse of processing time. The Round-Trip Delay (RTD) algorithm is then presented to calculate timing advance values and achieve time synchronization. An example TDMA system is implemented on Microsoft Sora platforms to evaluate the performance. Experiments show that the proposed mechanism is effective to enable time synchronization for wideband wireless communication systems on GPP-based SDR platforms.     

一种用于分组无线网的TDMA方案

在无线分组网中,基于竞争机制的信道多址方法常由于分组冲突而限制网络性能,不能满足战术信息传输的实时可靠性要求。该文提出了采用TDMA机制构建无中心网络的应用方案,按时隙分配信道资源,避免分组竞争,保证各节点数据信息在其专有时隙及时、可靠地发送,并通过预留时隙适应节点变化和突发通信的需求。采用GPS同步及DSP通信协议板完成了系统的具体实现,能更好地适应战术无线分组网的传输特点和应用需求。     

大型发电机在线监测的无线传感器网络时间同步设计

准确的时间同步是实现传感器网络自身协议运行、数据融合、TDMA调度、协同睡眠、定位等的基础.本文首先剖析了大型发电机在线监测的无线传感器网络的体系结构,在比较性地分析已有无线传感器网络时间同步协议、机制和算法的基础上,提出了一种适用于电气设备在线监测的时间同步方案,此方案结合外同步和内同步,在进行同步的过程当中采用单向广播同步和线性回归结合的方法,最后用仿真软件NS对算法进行了仿真对比,结果证明该算法适合于监测网络的要求.     

无线传感器网络流量自适应混合MAC协议

提出一种应用于无线传感器网络的流量自适应混合介质访问控制协议(THMAC)。结合TDMA与CSMA的优势,通过预测机制跟踪网络负载和冲突变化情况,在不同负载下选择合适的信道访问方式,实现CSMA与TDMA的自适应混合,在降低数据冲突概率的同时尽力保持较高的信道利用率。仿真结果表明,THMAC在多竞争节点的情况下,能够有效降低数据冲突率,维持较高的吞吐率。     

An efficient cluster-based CDMA/TDMA scheme for wireless mobile ad-hoc networks: A learning automata approach

In this paper, we design a dynamic frame length CDMA/TDMA scheme for clustered wireless ad hoc networks with unknown traffic parameters. In this scheme, the collision-free intra-cluster communications are organized by the cluster-heads using a TDMA scheme, and a CDMA scheme is overlaid on the TDMA to organize the interference-free inter-cluster communications. Therefore, to design such a scheme, we encounter three important problems, namely cluster formation, code assignment, and slot assignment. In this paper, we propose three algorithms to solve the addressed problems based on learning automata. In our scheme, by the proposed clustering algorithm, the wireless hosts are grouped into non-overlapping clusters. Then, by the proposed code assignment algorithm (considering the concept of code spatial reuse), an interference-free code is assigned to each cluster. Finally, by the slot assignment algorithm, each cluster member is assigned a fraction of TDMA frame proportional to its traffic load. The simulation results show that the proposed CDMA/TDMA scheme outperforms the existing methods in terms of almost all metrics of interest, specifically, under bursty traffic conditions.