基于IEEE802.11物理层的工业无线通信协议栈设计与实现

发布时间：2017-12-04 17:29

  本文关键词：基于IEEE802.11物理层的工业无线通信协议栈设计与实现

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【摘要】：无线技术已经广泛的运用于工业控制领域,特别在流程工业过程控制中,已经出现了成熟的国际标准,而且随着德国“工业4.0”概念的提出,中德“工业4.0推动联盟”的成立,无论是国内还是国际上,都已经将数字化工厂、智能制造等概念推进到炙手可热的地步。本文结合这个大背景、大环境,针对工厂自动化无线控制网络对高速、高实时性、高可靠性等性能的需求,基于IEEE802.11协议物理层,实现了一种面向高速无线通信网络,可应用于实际嵌入式平台的实时无线通信协议栈。本文首先对工厂自动化中无线通信网络的特点进行需求分析,确定了本文工业无线通信协议栈结构,结构分为五层,从下到上依次是物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层。其中,物理层采用了IEEE802.11协议的物理层,以满足工业通信的高速性要求,数据链路层采用了TDMA(Time Division Multiple Access)信道接入技术,自动ACK(Acknowledgement)机制,以满足工业通信实时性、可靠性要求。然后对TDMA信道接入技术的特点进行分析,确定了工业无线通信协议栈在设计过程中需要解决的三大关键技术:MAC(Media Access Control)时延控制,高精度时间同步算法,TDMA调度算法。在MAC时延控制部分,为了保证通信时延的确定性,禁用了linux内核底层影响MAC时延的各项机制,包括物理载波侦听机制、虚拟载波侦听机制、退避机制、自适应速率机制等。在高精度时间同步算法方面,设计了一种基于线性回归的单向时间同步算法,实际测试结果表明,该算法同步精度可控制在25us之内。在TDMA调度算法部分,提出了一种基于动态时隙分配的TDMA调度算法,且在linux内核中实现了该算法。本文将工业无线通信协议栈移植到wifi无线路由开发板中,并搭建单跳星型网络拓扑结构的测试平台,对协议栈的功能、性能分别进行了测试,测试结果表明,该协议栈各项性能表现较好。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN915.04

【参考文献】

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1 潘峰;;工业无线国际标准及其应用介绍[J];仪器仪表用户;2012年06期

2 杨文;李霞;;一种用于水声通信网的全动态TDMA协议[J];东南大学学报(自然科学版);2012年01期

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本文编号：1251776