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基于802.11DCF工业无线控制协议实时性分析与改进研究

基于802.11DCF工业无线控制协议实时性分析与改进研究

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作者：朱龙昆明理工大学

学位级别：硕士

随着计算机,微电子等科学领域的迅速发展,工业控制领域也朝着智能化、网络化的方向不断前进。在工业生产规模不断扩大化的同时,工业现场环境变得更加复杂化。工业现场结点分布广泛,部分地方铺设线路困难或者成本过高以及存在经常性的移... 详细信息

随着计算机,微电子等科学领域的迅速发展,工业控制领域也朝着智能化、网络化的方向不断前进。在工业生产规模不断扩大化的同时,工业现场环境变得更加复杂化。工业现场结点分布广泛,部分地方铺设线路困难或者成本过高以及存在经常性的移动对象等等,这些新情况的出现,使得传统的控制总线、以太网等控制网络,显得越发不甚灵活。此时无线传输技术(802.11标准)因其布线更灵活、维护更方便、安装成本更低等优势,而被越来越多的被应用于工业生产控制中。802.11协议本质上是一种商业环境下的使用标准,其介质访问控制层(MAC)默认采用的多路载波侦听/冲突避免(CSMA/CA)机制,本质是一种通信时间和通信行为不可预测的竞争工作机制。但工业控制网络是一种要求高实时、高可靠性的特殊网络,它要求在局域网上传输的数据帧都能有确定的时延,以保障系统的稳定工作。因此,在工业控制领域中有必要对802.11种协议的工作机制进行改进。文章深入剖析了802.11协议MAC工作机制,并吸取了国内外科研人员的成果精华,同时针对工业控制网络数据帧的特殊性,提出了“ACK捎带式”的“隐轮询”的工作机制,来增强数据帧传输的实时性及行为上的可预测性。利用OPNET仿真平台,文章分为三个步骤对MAC层DCF功能优化分析。第一、首先对802.11协议进行初始的环境建模。第二、针对工业控制的特殊性,对数据分为三个优先级,从高到低依次是：突发实时数据帧、周期实时数据帧、非实时数据帧并对不同数据产生周期的工作站,引入分段退避窗口方式进行区分式服务。按照数据类型,把它们区分成三种工作站,在同一环境下进行仿真分析。第三、最后文章提出“ACK捎带式”的“隐轮询”的工作机制,通过对突发性实时数据的返回ACK信号进行扩展,实现短死期数据的优先发送。还对周期数据包的返回确认ACK进行优化。最后,对仿真结果进行了比较和分析,并对方案进行总结。

关键词：工业实时 802.11 DCF 隐轮询捎带机制

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