多信道优化算法及工业无线通信协议栈的研究与应用

高九连

摘要：随着科技的发展，无线通信技术也不断地发展并得到了广泛的应用，因为多信道跳频可以很好的提高无线通信的抗干扰能力而在工业领域也得到了很好的发展，因此，本文主要研究了多信道的优化算法和无线通讯协议栈在工业上的应用。

关键词：多信道优化算法 工业无线通信协议 抗干扰能力

中图分类号：TN911.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）08-0041-01

与有线技术相比，无线技术凭借着其节约成本、方便维护、布网灵活等相当独特的优势得到了广泛的应用，并且随着无线通讯技术的迅猛发展，工业生产过程中上的控制、检测、监视等模块都逐步的运用了无线通讯技术。随着工业实现机械自动化的发展进程，无线技术拥有着美好的发展前景，并且将会成为我国未来技术研究的发展方向。

1 多信道分配及工业无线通信的发展现状

自从无线通信得到广泛的应用以后，伴随而来的是信道分配问题，由于大量的通信压力使得信道出现了信道拥堵和通信速度低等问题，多信道分配问题就成为了人们广为研究的问题，甚至专门成立相关部门管理资源分配的问题。对于无线技术来讲，要想以低功耗高可靠的无线技术来实现工业的高速控制是相当困难的，但是对于工业成产中的监控和慢速控制场合还是可以发挥无线技术的优势的，甚至目前80%的工业监控都在运用无线技术，因此在我国工业未来的研究过程中，对于无线通信技术的研究将会占据重要地位[1]。

2 简述信道分配

按照分配的方式不同可以将信道分为动态分配和静态分配，动态分配较为复杂，其网络拓扑和负载会随着时间的变化而变化，因此信道的分配也会随着时间而变化，最具有典型特征的动态分配就是移动通信的蜂窝网络，相比之下静态分配就不会很复杂，其网络拓扑会基本保持稳定，负载和干扰因素随着时间的变化的变化量也相对较小，相应的信道分配也会在一定的时间内保持稳定。按照分配的对象可将信道分配分为三种情况，面向流、面向连接、面向数据[2]。但是在工业领域应用的信道分配与普通的信道分配往往有很大的区别，与一般的信道分配算法相比，其对节点耗能的要求很高，因此更应该注意信道分配的算法优化。

3 多信道优化算法研究

3.1 信道切换算法

信道切换是以信道质量和丢包率为依据的，其主要切换原理为：网络的每一个节点都具备统计节点丢包数量的能力，终端的节点会根据统计周期性的将丢包数上报给协调器，协调器也会统计和记录节点的丢包数量，当丢包率上升到某一个特定的值时，为了保证节点的正常工作，协调器会自动启动相应的切换机制，以丢包率来确定是否要启动切换机制的同时，协调器也会相应的关注信道的质量，如果协调器通过数据验证了该条信道不适合进行数据传输时会启动信道的切换机制[3]。

3.2 DPSO-CAA算法

想要在信道分配问题中完全的解决节点间的碰撞问题是不可能的，但是可以尽量的减少碰撞的几率，因此可以使用DPSO-CAA算法进行信道分配优化。此算法是通过传统的DPSO算法改进提高而来，其以超高的搜索能力而被广泛的应用，并且在DPSO-CAA算法中提出的发射功率调节算法更加的使用，它在保证网络超高的连通度的同时能在一定程度上减小节点的发射功率[4]。

4 工业无线通信协议栈的研究

在工业生产中将无线通信完全取代有线的是不切合实际的，但是无线通信和传统的有线网络共存的现象会持续很长一段时间，因此本文就目前工业可以应用的无线技术进行研究。

目前工业的现场主要采用串口和工业以太网作为通讯手段，所以工业无线通信协议栈主要集成了串口和以太网。因此设计中主要体现了串口隔离电路和以太网接口电路的设计，通常TMS320DM6446可以支持三个串口设备，其中一个串口的作用是将TTL电平转换成RS332-C电平，这项工作是通过SP3232ECY-L来实现的。TMS320DM6446可以通过以太网的MDIO接口来实现管理功能，运用隔离变压器来实现对传输信号的电气隔离，这样做可以有效的提高信道的抗干扰性。在整个网关的设计过程中要考虑工业中的电磁兼容的问题，通常的解决做法是采用金属罩屏蔽射频电路，这样做有以下两点好处，第一屏蔽了射频信号可以有效的防止它通过空间辐射影响其他的设备，保证了设备的正常工作；第二采用的金属罩可以有效的保护射频电路，使得其不受外界位电磁的干扰，提高了射频电路的抗干扰能力[5]。

设计完成后通过高低温实验和电磁干扰实验验证网关的性能，高低温实验是指将无线网关设置在高低温实验箱中，向无线网关发送一定字节的数据，直到数据传送停止，在一系列发送和接收的过程中不断的改变温度箱内的温度，统计丢包率。抗干扰实验可以与高低温实验同时进行，在实验中不断地发射脉冲信号并观察对数据接收的影响。并在测试运行的同时匹配网络参数，以达到改善频射模块性能的目的。

5 结语

通过本文以上的分析，笔者阐述了信道分配和工业无线协议的发展现状，并简述了信道分配的主要分类，通过研究分析找到了信道分配的优化方法，最后对无线网关的设计进行了简要的分析，简述了设计的主要步骤应注意的问题。经过以上的研究分析，笔者可以得出以下结论，在未来的工业通讯的发展进程中，无线通讯将会占据重要的位置，并且本文的分析为实际工业生产环境下的无线技术研究打下了理论基础，无线通信协议栈的成功研究会为混杂的工业网络提供一个切实可行的发展方向。

参考文献

[1]高广恩，何刚，高勤卫，等.多信道优化算法及工业无线通信协议栈的研究与应用[D].大连理工大学（社会科学学报），2010，12（08）：173-175.

[2]武翠梅，苏勇，程日涛，等.基于工业无线传感器网络的多信道MAC协议研究与设计[D].北京工业大学（社会科学学报），2013，01（12）：253-255.

[3]何之栋，鞠晓东，吴文河，等.工业无线网络路由及通信调度的实现与优化[D].浙江大学（社会科学学报），2012，03（15）：188-192.

[4]陈迅，孔令郁，刘金辉，等.无线传感器网络通信协议及定位算法研究[D].复旦大学（社会科学学报），2013，05（10）：156-157.

[5]王大鹏，韩泰然，吴慧洁，等.无线Mesh网络中高效公平通信协议的研究[D].中国科学技术大学（社会科学学报），2010，11（10）：252-255.