随着工业自动化的不断发展和智能制造的崛起,工业物联网(Industrial Internet of Things,IIo T)已经成为了一个备受瞩目的领域,其通过设备间的互联互通和数据共享提高生产效率和管理效益。在IIo T系统中,大量的设备会不断地产生各种数据...
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随着工业自动化的不断发展和智能制造的崛起,工业物联网(Industrial Internet of Things,IIo T)已经成为了一个备受瞩目的领域,其通过设备间的互联互通和数据共享提高生产效率和管理效益。在IIo T系统中,大量的设备会不断地产生各种数据,这些数据需要及时地进行采集、传输和处理,从而实现对智能制造、工业生产的监测和控制,对高容量、低延迟和高可靠性数据传输的要求在不断提高。此外,由于IIo T设备需要依赖电池来长时间运行,其能源管理和节能方面的性能也非常重要。然而,工业场景中的数据传输通常需要在恶劣的环境下进行,在保障低时延高可靠数据传输的同时,提升设备的传输能效是极具挑战性的。现有的如自动重传请求和前向纠错等技术在实际系统中已被大量使用,但所能实现的性能仍无法满足某些业务场景的要求。网络编码技术,尤其是随机线性网络编码(Random Linear Network Coding,RLNC)技术已被证明是一种有效的提升数据传输容量和可靠性的机制,有望应用于工业场景中以减轻设备故障或恶劣环境对于时延、可靠性以及能效方面的影响。以往的研究中开发了许多RLNC的编码方案,但是大多都止于对其理论性能的研究,很少有对各类网络编码在复杂多变的IIo T场景下的实际应用以及现实挑战进行探究。
本文将分别从点对点(Poing-to-Point,P2P)通信传输和端到端(End-to-End,E2E)通信传输两个方面,深入研究各类网络编码应用于IIo T系统中的性能和效果,并将网络编码与其他技术如并行传输等相结合,探索更加有效和实用的可靠传输方案,以实现低时延、高可靠性和高能效等方面性能的平衡。主要研究内容与创新点如下:
首先,针对工业物联网领域广泛采用的受限应用协议,分析了基于该协议两种传输模式的P2P通信的传输性能。该协议的传输模式根据是否需要发送反馈确认来保证可靠性可以分为确认或非确认两种。针对可靠性及传输能效方面的挑战,提出了一种基于系统型随机线性网络编码的分组级自适应前向纠错传输方案。以确认传输模式为基准方案,比较了所提出方案和基准方案的分组丢失率与能耗成本方面的性能。基于吉尔伯特-艾略特信道(Gilbert-Elliott Channel,GEC)模型进行了理论分析和仿真研究,该模型比广泛使用的伯努利模型更符合实际。结果表明,在通信环境不优的情况下,所提出方案的性能优势十分明显,有望在苛刻的IIo T P2P通信场景中得到广泛应用,以满足严格的可靠性和能耗需求。
其次,研究了利用光纤无线混合接入网架构来满足IIo T系统对高容量、低延迟和无缝接入的需求,针对该架构的异构特性所带来的容错传输方面的挑战,提出了基于稀疏网络编码和并行传输的容错传输方案,研究了网络整体E2E的通信性能。综合考虑了光纤和无线部分的容错需求,详细探讨了编码方案冗余编码分组的最小数量和并行路径的分组分配。系统地分析与比较了在不同故障情况下所提出方案与作为基准的现有方案的传输性能,仿真结果证明,所提出的方案可以满足新兴IIo T应用场景下对于高可靠性和低延迟服务质量的需求,具有广阔的应用前景。
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