无线通信技术汉语版03.docx

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无线通信技术汉语版03

无线通信技术

1.对于无线通信技术的网关的拥塞控制

在无线通信技术中,如无线传感器网络的技术,会给工业企业带来巨大的经济效益。

但是公开渠道和多跳网络的分支将影响它的实时拓扑结构和性能安全可靠。

汇流作用是一种由逐跳和多对一的无线网络所引起的阻塞。

IEEE802.15.4是一个可以用于工业现场监测和控制的无线个人区域网络标准,。

对于基于IEEE802.15.4的工厂自动化系统的工业无线通信协议被提出来了。

为了解决汇流作用，一种随选的TDMA在媒体的访问控制层的superframe网关被扩展和一个基于优先级的通信调度机制在路由设备附近的网关被采用。

分析表明,该可兼容IEEE802.15.4的技术,避免了引导作用,保证了通信性能并满足工业使用的要求。

工业通讯是设计用来互连数字控制器和传感器和执行器以及其他控制器的来解决自动化或控制任务。

随着无线通信技术的思路扩展,在工业企业的基底使用无线技术的想法是有吸引力的并且好处是流行。

在一个工业企业，现场设备除了相互沟通外还必须通过网关传送讯息给工厂的控制或管理系统。

由于受无线通信传输距离的限制,数据包需要被投递在多跳网络。

在无线网络有许多无线现场设备和

只有一个或几个网关。

这种多对一和敌对网络使得网关成为了一种瓶颈并且在网关附近引起一种叫做汇集效应的阻塞进而影响实可靠性。

在这种类型的无线网络中，尽管通用分布式拥塞控制算法、影像学检查系统的网络设计和数据聚合技术,能回应增加的负荷和拥堵,但是这些技术本身并不能完全缓解引导作用,因为有效地控制聚合分率交通“瓶颈”或来源来匹配观察到的网关的瓶颈条件是非常困难的

研究人员已经提出了一些交通管制汇流机制来缓解汇流作用。

研究人员为了减少多对一的路由汇流效应提出了一个把公平问题考虑进去的发射率控制技术。

而COMUT（拥塞控制为多层次交通）使用了基于聚类服务的分化拥塞控制技术，并且在MAC层有一些研究工作来解决这个在无线传感器网络的网关中的瓶颈问题,这在汇集作用中将是最关键的。

TDMA-basedMAC通过指定每个节点自己的时间槽达到了免费存取和能源效率的碰撞。

Z-MAC是一种混合的在低流量一种基于竞争的协议和在高流量下一种基本进度的协议条件，通过使用分布式随机时隙安排协议计算出的时间表作为一种启示。

Funneling-MAC的基础是

在网络范围的CSMA和局部、sink-oriented时分多路复用以减轻汇流作用。

为了解决在网关内的阻塞问题，研究人员提出了一种优先基础服务的差异,基于复用的分化和自适应服务时段调度。

在本文中,我们首先提出一个基于IEEE802.15.4为工厂自动化系统的工业无线网络通信协议。

我们展现了在多对一和一对一的无线网络的网关附近的通信阻塞。

然后在附近的路由设备我们引入了一种在时分多址延伸IEEE802.15.4MAC层按需的网关和一个基于优先的通信调度机制。

我们推测,通过把额外的交流的机会和控制在网关和第一跳路由器的方式,我们能明显改善通信性能和消除的汇流作用。

IEEE802.15.4是一种低功耗、低成本、低数据率的无线个人区域网络技术。

它支持实时通信和非实时大规模通信监听，并且对于工业无线通信（IWC）它是是最好的选择了。

无线哈特,WIA-PA和ISASP100全部采用它作为低一层的通信协议。

IEEE802.15.4-basediwc（IIWC）协议模型包括IEEE802.15.4（PHL）物理层和MAC

层、网络层（NWL）、传输层（TRL）、使用层（APL），网络和安全管理工作。

这是由两种PHLIEEE802.15.4分开，频率范围内:

868/915兆赫和2.4千兆赫。

MAC层支持beacon-enabled及非beacon-enabled操作模式。

Beacon-enabled模式在星型网络被使用并且渠道时间按超帧来划分。

这种超帧是发送的协调员及分为一个活跃的部分和一个不活跃的部分。

活跃的部分包含访问期间（CAP）的争论。

开槽的CSMA/CA用于帽和GTSs时段（保证）,通常是供童趣出版有限公司作为低价

延迟实时使用。

非beacon-enabled模式被使用在点对点的拓扑结构和unslottedCSMA/CA是用来访问的无线通信信道的。

NWL的主要功能包括网络形成和地址分配、路由发现和维护、包路由在种网络。

这

TRL提供端到端的和可靠的通讯服务对象为APL。

APL定义了标准化和

自动化使用对象,诸如AI、AO和PID。

这些都是用来构建分布式工业

自动化监测和控制用户的使用程序。

设备的IIWC可分为现场设备,

路由设备、手持设备和网关。

领域设备是无线传感器、执行器和控制器。

路由设备提出了从一个设备的信息在无线中其他网络。

此外,他们现场设备可以在同样的时间,并且有了所有现场设备的能力。

手持装置使无线工人对互动网络。

网关提供无线网络和植物之间的联系

网络或有线领域的工具。

根据所具有的特点工业生产和网络拓扑结构IIWCIEEE802.15.4可操作的支持,树和star-mesh集群拓扑结构

在工业自动化系统、通讯工作可分为预先定义的周期和非预先定义通信并且实时性和可靠性经常在其中扮演了关键角色。

特别的,安全级别的周期信息必须传送指定的期限内。

这类信息的延迟和丢失将会危害人类的生活、生产工艺和生产环境。

IIWC支持沟通的自动化任务，通过APL的使用对象和服务

主要协议层。

单跳星型网络被用于预定义的周期性和强制的实时自动的设备中。

在超帧中的GTSs保证确定性和艰苦的实时性能。

但在一个超帧中由于GTSs的数量有限（最多7GTSs）,一个IIWC星型网络不能支持一项大型数量的周期性硬现场实时通信。

在簇状结构和星网网络中,领域信息和事件能够在一个多对一的交通模式或者一个或多个网关向高水平自动化或管理系统中传送。

。

在网关上的敌手通信和集中式数据采集的结合创造了一个瓶颈的自由流动IIWC讯息的网络。

并且这将导致增加的过境交通的强度和延迟作为消息在移动更接近了网关,导致显著的包碰撞,交通拥挤,损失;最多这导致有限使用忠诚所量测到的网关，在最坏的情况网络拥塞崩溃的。

此外,路由装置内的门户,典型在一个单跳内,释放不成比例的较大数量的包和比其他装置消费

更多的能量进一步远离网关,于是,缩短了整个网络的运行寿命。

这个汇流作用将影响工业通讯的事实性和可靠性。

为了解决了漏斗效应，IIWC网关应该为附近的路由设备

提供了更多的交流机会。

在一个标准化IEEE802.15.4MACsuperframe

不活跃的时期,用于设备睡眠以节约用电。

但是IIWC网关和路由

装置通常是IEEE802.15.4种全功能的设备（FFDs）。

用电不是最重要的问题。

所以,我们延长IEEE802.15.4的superframe不活跃的部分在网关和附近的路由设备中来增加通信带宽。

在不活跃的部分我们采用时分多路复用机制的集中控制这被称为附加信息阶段（ACP）。

在活跃部分，附加信息阶段（ACP）是基于TDMA和是由时间间隙组成的并且这些时间间隙在活跃部分都是平等的。

只有在IIWC网络中的网关发送扩展的超帧到附近的路由设备和其他的装置,包括现场设备,还用附近标准的EEE802.15.4MAC，协议在ACP中时隙的分布是以在网关附近所有的路由设备通信要求为依据的。

当一个FFD作为一个路由设备连接到网关时，网关首先识别预先定义的时隙到基于网关的通信能力和设备要求的FFD上。

超帧的信号浮标广播ACP时隙的分布信息到所有附近的路由设备。

如果路由设备仍就有当识别的时候被用光被发送的信息，他们就能要求更多的来自于网关的时隙。

在所有附近的路由设备中实时的和非实时的信息数量决定了ACP时隙的分配。

如果在附近的路由设备几乎没有信息，那么APC的长度就能是非常短的。

当没有信息被发送时，路由设备能休息。

使用网关MAC超帧不活跃的部分将引起被附近路由设备发送的超帧的冲突和碰撞。

但一个网关安排一个ACP通信，他必须首先和附近的路由协调。

然后根据协调的结果，附近的路由装备决定他的超帧并且网关分配ACP时隙和选择跳的序列以避免冲突和碰撞。

IEEE802.15.4MAC超帧的按需拓展能增加网关和附近路由设备之间的带宽，但是在路由设备中实时的信息和非实时的信息仅有相同发送过程。

为了保证实时信息的传输，网关附近的路由设备必须为不同实时要求的设备提供不同的服务。

我们为在路由附近基于信息优先权将要被发送的消息建立不同的缓存队列。

缓存队列包括-时间和非实时消息队列。

在实时队列中的消息被突发信息的程度和截止时间分类，而且先进先出的策略被用在非实时的序列中。

路由设备和网关协调来获得使用两队列中缓存的信息数量的ACP时隙而不是在活跃部分通信机会，然后当一个路由设备在他的ACP时隙通信时，他首先发送实时信息。

如果在实时排序中的所有信息不能被在他的ACP时隙中发送，那么剩余的信息将被在下一个超帧中发送。

如果有很多剩下的时隙，之后所有的实时信息被发送，路由设备发送信息进入非实时的序列。

除了在不活跃部分的ACP，路由设备也能在ACP中和在不活跃部分的CFP中通信。

首先,对于IIWC网关的拥塞控制由IEEE802.15.4MAC的超帧的不活跃部分的拓展来实施，MAC超帧的其他部分保持不变。

包括网关和附近的路由设备的所有IIWC设备都能通过标准的IEEE802.15.4协议进行通信。

设备能完成标准的通信服务，例如信息传输、时间同步，设备和网络管理和安全通信。

所以，阻塞控制和标准的IEEE802.15.4是一致的。

阻塞控制技术利用IIWC的MAC层的超帧。

它增加了通信的生产能力，给附近的路由设备更多的通信机会并且阻塞和汇集效应。

路由设备通常是主要的能量，所以MAC的超帧的不活跃部分的使用不能影响他们正常的作用。

网关ACP和TDMA时隙的中心按需分布和基于附近路由设备的通信顺序的优先权能保证信息的实时传输。

并且在序列中具有最高优先权的信息首先被发送，所以，实时性和可靠性能被大大提高。

标准的IEEE802.15.4MAC超帧是一个TDMAandCSMA/CA的组合。

当网络处于忙的状态时，CSMA/CA将会产生严重的通信冲突，引起频繁的数据丢失和重发。

这个将大大的降低网络的性能。

标准的IEEE802.15.4MAC超帧的ACP拓展把更多的TDMA时隙给了网关附近的路由设备。

不同的路由设备在他们分布的ACP时隙中通信，而且这个能避免和其他时隙的通信争议和冲突。

和CSMA/CA相比较，ACP能提供更多的决定性的通信机会和避免在忙时的冲突。

所以按需的TDMA机制能使网络更可靠。

另一方面，分配的ACP时隙的网关和附近路由装备的协议避免了网关的超帧和附近的路由设备的冲突和碰撞。

2.无线光纤通讯

无线光纤通讯接入网络是一种新出现的接入网络结构，它把无源光网络和无线网状网络合为一体来提供普遍的、低成本的、高频带宽度的最后一英里的互联网接入。

尽管无线光纤通讯的无线网状网络的局域网能够提供高频带宽度，如果所有的流通量都是在线互联网，那么无线网络的局域网的干扰也限制了无限光纤通讯的网络流通量，然而，当无线网的一个客户到无线网的另一个客户的点对点通信被介绍过来后，无线网状网络和无源光网络的提出整合能够显著的提高网络的流通量，传统的无源光网络从无线网的一个客户到无线网的另一个客户的点对点通信时输入到无线网络的，从属于无线通信的干扰，在无限光纤通讯网络中，点对点通信能够被带入到无线光纤模型中，在这个模型中，流通量从无线网的源头被发送到最近的光网络单元，然后通过无线网状网络局域网发送到最接近于目的地无线客户的光网络单元，然后发送到无线客户。

这样一种由无线光纤通讯所介绍进来的一种无线光纤模型能够承担无线局域网的干扰，因此，能够提高网络的流通量。

这篇文章只要是研究网络流通量在服从点对点通信的光纤无线通讯的改进和能够影响网络流通量提高的参数，我们首先有一个光纤无线通讯网络和传统的无线网状网络的模型，然后我们位光纤无线提出一个基本的路径选择的算法，在网络流通量在服从点对点通信的光纤无线通讯的改进的研究中已经使用了大量的模拟，这个研究提出了有见解的观察，以便充分的利用优势，这个优势是由无源光网络和无线网状网络的合并而得来的。

光纤无线通讯接入网络的发展起源于不同的通讯方式，光纤网络旨在提供长距离的、高频带宽度的通信，而无线网络旨在提供团体中普遍的、灵活的通信。

不同形式的光纤和无线网络结构被提出和发展成为接入网络分离的解决方案，最近，无源光网络出现成为最受欢迎的光纤接入网络的方案，一个无源光网络典型的由位于中心传递由接入网络而来的光纤信号到网络的光线路终端、多路分解下游的来自于光线路终端的光纤信号和多路复用上游的到达光线路终端的光纤信号的远程节点和一组吸收来自远程节点的下游的光纤信号和收集到达远程节点的上游的光纤信号的光网络单元组成。

对于无线接入网络来说，无线网状网络延长了无线局域网的成本使其有效，广泛的部署在企业和社区等地区，一个无线网状网络典型的由多个上网的网关、一组支持通讯的无线网络路由器和一组和无线网状路由器有关的无线网络客户组成。

考虑到光纤和无线网络的互补的特点，无限光纤通讯网络的合并已经建议性的提供了如图一所示的高频带宽度、低成本的混合接入网络。

带有模块化功能的光网络单元路由器的合并能够接受来自无线网状网络路由器到达上游的光纤信号传递到远程节点，能够解调来自于远程节点然后无线的传送到无线网状网络的信号，换句话来说，无限光纤通讯的光网络单元

把无源光网络的光网络单元和无线网状网络的路由器连接起来，在无限光纤通讯的光网络单元的一个可供选择的实现是通过有线连接把传统的无源光网络的光网络单元和无线网状网络的网关相连接。

尽管光网络单元能够提供高频带宽度，例如1.25GpbsEPON,无限光纤通讯的网络流通量由于无线通信的干扰仍旧处于瓶颈期，在一个单声道、单频道的无线网络，在网关的最大流通量由于内部通道和内部通道的干扰会远远的小于数据频率，尽管我们通过布置重叠的网关来使网关的流通量增加，由无源光网络局域网所提供的频带宽度仍就比能够得到的在无线光纤通讯网络的前段的流通量足够的多，然而，无源光网络和无线网状网络的合并提供了一种减少对网络流通量的干扰的机会，尤其是从一个无线客户到另一个无线客户的点对点通信，这种通信是无线网状网络IEEE802.11s标准，现在，多媒体通信、VVOIP等正在增长的使用使点对点通信在两个无线客户之间的视频传送、网上交谈等方面很有用，如图一所示，如果网状客户a想要和网状客户b通信，通信量会在无线网状网络中的无线通道传输，然而在光线无线通讯网络中，这种通信量的传输会从网状客户a传输到最近的光网络单元，然后发送这些通信量到光线路终端，然后光线路终端传播这些通信量返回到光网络单元，这个光网络单元和b离得很近并且能够把通信量传送到网状客户b。

这样的一个光纤无线通讯网络的点对点的无线光纤通信有如下的优势：

因为在无源光网络中通信量的传输远远地比在multi-hop中的速度快所以它可能减少点对点通信的布置。

如果点对点通信是通过无线光纤的方式，那么和其他方式相比会引起很小的干扰，可能地是来自于网状客户的通信量更多的通过光线无线通讯网络传输到互联网，因此网络流通量就增加了。

3.总结

拥塞控制技术的网关，对于在IIWC网络中的网关的阻塞控制技术解决了网关和附近路由设备的汇集效应。

标准的IEEE802.15.4MAC的TDMA按需拓展增加了通信的带宽并且避免了通信的冲突。

基于在路由设备中的通信流程的优先权保证了信息的实时操作。

这些机制能有效地解决由多对以无线网络引起的汇集效应的难题而且为工业自动系统提供了实时可靠的通信服务。

为了进一步提高IIWC的网络性能，IEEE802.15.4MAC的超帧的TDMA的按需拓展应该被阻塞决议和整个网络的控制机制合并。

这个将帮助网关更有效地分布ACP时隙。

除此之外，当通信设备变化为了避免冲突和碰撞而且增加效率时，ACP时隙的分配和网关的跳序列和附近的设备需要被排序。

这些是我们将来研究的工作。