第38卷第4期_______________________________计算机仿真____________________________________2021年4月文章编号：1006 -9348(2021 )04 -0129-05
李萍，王昕
(内蒙古大学满洲里学院，内蒙古满洲里021400)
摘要：控制网络的通信环境具有不确定特征，且协议异构性突出，为改善网络延时，提高系统稳定性，提出控制网络节点可重构无线通讯协议性能仿真。将控制系统中的网络协议分为物理层、链路层、网络层与应用层，结合动态性、实时性等需求，确 立节点可重构通讯协议体系，定义层次功能；通过加权图建立协议拓扑结构数学模型，选择遗传算法的编码与适应度函数，经过交叉变异操作，确定终止条件，选取通讯最佳路径，实现协议重构；使用总传输延时与平均传输延时评估协议服务质量 的仿真指标，采用稳定性、可靠性等完成对控制系统性能评价。仿真结果表明，网络传输延时小、系统运行稳定，重构后的无 线通讯协议具有良好性能。
关键词：控制网络节点；无线通讯；协议重构；性能评价；遗传算法
中图分类号:TP326 文献标识码：B
Performance Simulation of Reconfigurable Wireless
Communication Protocol in Control Network
LI Ping,WANG Xin
(M anzhouli Branch of In n er Mongolia U niversity, M anzhouli Inner M ongolia 021400,C h in a)
A B S T R A C T：T he uncertainty of the control network com m unication environm ent and the prom inent protocol hetero
geneity lead to network delay an d system instability. T h erefo re, this p ap er proposeda perform ance sim ulation of a reconfigurable w ireless com m unication protocol for control network nodes. The netw ork protocol in the control system was divided into four la y e rs：physical la y e r,lin k la y e r,netw ork la y e r,a n d application layer. Dynam ic an d real - tim e were introduced to estab lish the reconfigurable com m unication protocol system of n o d e s,th u s defining th e hierarchical functions. A ccording to th e w eighted g ra p h,th e m athem atical m odel of protocol topology was constructed. V iathe genetic algorithm co d in g,fitn e ss function se le ctio n,cross and m utation o p eratio n s,and term ination c o n d itio n s,the o ptimal com m unication path was o b ta in e d, and th
e protocol reconfiguration was realized. A ccording to the total tran sm ission delay an d average transm ission d e la y,th e sim ulation index of QoS was e v a lu a te d,and the stability and reliability w ere utilized to com plete the evaluation of control system perform ance. The sim ulation results show that the w ireless com m unication protocol has good perform ance after reconstruction.
K E Y W O R D S：Control network n o d e；W ireless co m m u n icatio n；Protocol reco n stru ctio n；P erform ance ev alu atio n；
G enetic algorithm
i引言
网络控制系统为控制节点，利用通信介质按照固定协议 实现网络互连，与传统控制系统比较，具备资源共享、远程监
基金项目：2019年内蒙古大学满洲里学院“课程思政”示范课程建设项目课题（M Z K1908);2019年度内蒙古自治区教育科学研究“十三 五”规划项目课题（NNGJGH2019319)
收稿日期:2020 - 06 - 22控等诸多优势。控制网络中协议性能、环境状况与任务类型 是影响其性能的关键因素。通讯协议重构技术可对协议的 某部分进行更换，提高对不同应用环境的适应能力，降低协
议模块之间耦合度，加强单个节点稳定性，实现通讯信息灵 活配置，从而改善网络服务性能与系统控制能力。
在此背景下相关人员对无线通信协议可重构技术展开 大量研究。文献[1]提出基于D D E T的复合可重构无线网络 信息交换方式仿真。利用树突状细胞算法对网络中的异常 数据进行检测；选择影响参数建立弱分类器，同时训练阈值
—129—
用户程序
媒介
图2网络协议结构示意图
别、实时性等方面的现实需求，建立如图3所示的可重构协 议体系。主要包括通讯协议栈[5]、管理器与可重构接口。
图3
控制节点可重构协议体系图
应用层为通信协议栈和用户之间进行交互的接口，可以 为用户提供想要的数据与节点信息，同时接收并执行任务。 网络层包含拓扑结构与路由算法，和网络输出环境相关; 可重构调度层属于可重构协议的重点，综合分析用户任务与 时间延时等约束条件，合理规划参数配置，最大程度提高系 统性能。
除物理层之外，所有层次均具有可重构接口，能够和通 信管理器之间进行信息交换。每个接口所执行的功能不同: 链路层中，接口将获取的协议识别结果传输到重构管理器 中；调度层中，结合不同协议对调度方案进行实时重构；网络 层中，对于不同拓扑结构利用相应路由算法对其重构，缩短 通讯路径；应用层中，接收约束条件，为用户提供重构人口。 2.3通讯协议重构
通信协议栈的网络层次影响着节点通信路径与系统拓 扑变换。网络控制系统所处的工作环境较为复杂，当某个新 设备添加到系统中，或原有设备出现故障，系统拓扑结构均 会发生改变。此时，若根据原有通讯线路进行传输，可能导 致通讯失效或无法保证线路最短。所以系统需要重构网络 节点的拓扑结构，以此达到重构通讯协议的目的。为此，本 文选择遗传算法对其进行重构。
假定节点向节点传输信息，且获得响应，结合延时
集合；将阈值集合可以适应不断变化的抗原刺激作为依据， 经过抗原加权处理后获取成熟度集合评价指标，以此估计数 据状态；引人信息交换协议D D E T ，获取重构网络中的节点数 据，将请求率最高阶段引人到网络中，实现协议重构。文献[2]使用Open Flow协议技术重构无线传感器网络架构。结 合网络转发面和控制面相互分离的体系架构，降低网络控制 的耦合性，选取洪泛协议，低功耗自适应协议进行对比，通过 重新设置路由动作次序实现重构。
无线通讯协议重构技术取得丰硕成果，但缺乏对重构后 网络性能评价的研究。为此，本文在遗传算法基础上实现控 制网络节点无线通讯协议的可重构，并将网络延时情况以及 控制系统稳定性等指标作为评价标准，完成无线通讯协议性 能仿真。遗传算法的基本思想为“适者生存”，初始种产生 后，按照优胜劣汰原则[3]，逐渐产生更好的近似解。此过程 将使种像自然进化一样生成更加适应环境的解，而末代种 中最优个体经过解码，可作为最优解。通过交叉、变异等 过程确定延时最短通信路径，实现通信协议的重构，并根据 相关指标对其性能进行评价。
2基于遗传算法的控制网络节点重构无线通讯协
议研究
在系统集成模式下，控制系统的总线协议种类通常事先 定义好，相同网段的通信利用统一厂家出厂的设备，不但确 保系统无缝衔接，还能保证较好的通信能力。但是网段与网 段的通信需利用协议转换等网关设备连接。因为网关集成 技术具有一定局限性，协议种类受到限制，所以系统集成灵 活性较差。对通信协议进行重构，能够结合节点需要与网络 状况，灵活变更通信任务与协议功能，减少网络延时，适应任 何网络状况。
2.1网络控制系统结构
针对真实的网络控制系统，其控制器、传感器以及执行 器的节点通常位置不同，因此网络状况对系统控制性能会产 生影响，将复杂网络因素定义为时延丢包[4]、噪声干扰等。 如图1所示，为抽象出的网络控制系统。
在控制网络中，通常包括物理层、链路层、网络层与应用 层共同构成网络协议，如图2所示。2.2节点可重构通讯协议体系
利用网络协议结构图，结合通信协议重构技术在动态识
可
'IV
构
接
应用层0户层接0
<；突发性
c j
时通报调
<
网络层
D
C ^M
A
C
层^
收缓送
缓
t
网络管理
可
重构管理器
—
力量组合130
—
产生的不同过程与特征，将其分为与。因此
该过程的整体延时描述为
丁地，.=T lcsul++T\+T m(1)式中T,&表示发送延时，对节点设备软、硬件性能依赖较大，是能够预测的。：表示等待延时，是数据帧在传输缓存中 等待协议发送的时间，包含排队时间与竞争等待空闲通道的 时间，同样是能够预测的。乙表示传输延时是信号发送时 间，属于不确定性因素。7；™表示接受处理延时，指数据帧还 原为应用层信息并发送任务的时间，和目标节点设备软、硬 件性能相关。
为确保网络控制系统性能，需将延时固定在某区域中，即匕^e(rs,rc)。通过分析式（1)可确定使系统稳定的条 件其中：r,、r2取决于，这是使用遗传 算法获取的延时最短路径的一个约束条件=利用遗传算法 实现控制网络节点可重构通信协议的步骤如下。
1) 构建通信协议拓扑结构数学模型
在分析拓扑问题时，将网络描述为一个加权图c(/v'，H代表节点集，厂代表链路集。针对某条路径厂（；#)，均由非负数与之对应，e g指节点i和g之间存在的网络 延时。因此，网络延时矩阵为
C = l C i g^G(N',L')(2)
源节点与目的节点分别利用S与D表示，并采用p描述 S与D之间的路径
p = (S，/V',，/V'2iV，3，…，A^…，D)(3)此路径的延时矩阵[7)如下
^S D= ^S N l + ^"/V1(V2 + ^N l N l + (4)所有节点之间连接状况可利用/,,，描述
，丨1，若两个节点之间存在直接连接
1〇，不存在
从公式中可以看出，的对角线元素均为零，且若G = 1，仏=1，则有/« = 1。
根据上述定义，控制网络节点最小延时路径求取问题能 转换为最小寻优问题，将ru当作目标函数，可定义为
T u= min X X(6)
«=s g=S
式中
D D p，如果 i = S
=-1，如果i= 0 (7)
L〇，其它对流层
Y/p1，如果(8)
M l = o，如果!' = o
上述目标函数可确保求出的路线是一条从源节点到目 的节点的路径。
2) 确定遗传算法的编码与适应度函数
在遗传算法中，染体由一些整数构成，需满足单个染 体不能存在重复基因，避免形成回路。染体首个位置是 路径的源节点，最后一个则为目的节点。这样就生成一条路径，即为一个个体，且该路径必定是拓扑结构中真实存在的 链接。染体尺寸是能够改变的，但不允许高于最大长度。再对种进行初始化，此过程需注意个体尽量避免重复初 始化[8]。
在搜索过程中遗传算法不需要借助外部信息，只需要将 适应度函数当做依据，所以适应度函数的选择
非常关键，会 影响算法收敛快慢和最优解的获取。假设目标函数为ru,c (!〇代表路径〃，的延时矩阵'(//)代表网络系统全部链路 延时矩阵，进而获得适应度函数
f(g i)=I C(L')- C(t;,)]x T u(9)
3) 选取交叉与变异
选取的目的是确定交叉与变异个体，并且定义备选个体 将形成多少子代个体。在原始种中，首先去除不符合条件 的路径，再进行选取。由于网络控制系统具有一定特殊性，利用(M + A)的选择形式。m个父个体与A各子个体一同竞 争，M个理想个体能够避免遗传给下一代。
交叉指根据父代交配种信息而形成新的个体，两个染 体中一定存在一个公共基因才能进行交叉操作。
变异属于局部搜索的一种方式，使算法具有局部搜索性 能，同时也能保持种多样性，避免出现非成熟收敛状况。本文对变异算法做了改进，若经过交叉处理后获得的个体和 之前不相同，则不需要进行变异操作；若相同，可从中挑选一 个基因进行变异处理[9]，直到到达目的节点为止。
4) 终止条件
为减少计算时间，提高算法效率，下述给出算法的两个 终止条件：
三峡传媒网若运算得出已经在区间（7V +(?，r2 -(?)内，则表明 乙已符合控制系统性能，此时可以停止算法。P为(〇,(八- r,)/2)区间内的正整数。
若最终所有路径的适应度函数均相同，此时算法结束。
假定源节点S需要与w个节点（七，4，…，\)进行通 信，遗传迭代次数设置为0。若S与需要通讯的节点在相同 网段中，则表明两者之间存在最优路径，该路径为最短延时 路径。通过遗传算法确定最优路径，实现通讯协议重构。
3无线通信协议重构性能仿真指标
在控制系统中，网络协议不但影响通信质量，同时对系 统稳定性也产生影响。因此本文利用延时、系统稳定性、可 靠性等指标，对上述通过控制网络节点重构的无线通讯协议 性能进行评价。
3.1协议服务质置评估
传输延时表示网络收发所需时间，一般通过计算此网络 的平均值获得，主要包括等待延时、路由延时以及数据发送 延时，随着网络负载的变大而变大。所以结合延时与负载变 换曲线能够对某个网络协议性能进行判断3
如果在无线通讯网络中，负载出现变化，及采样周期改 变时，传输延时同样发生变化。利用如下公式可以获得延时
—131 —
动力学模型
0.2
0.1
20
40
60
80
100
120
140
时间/s
图5不同方法系统平均延时仿真结果
由延时仿真结果能够看出三种方法在相同传输时间内, 延时趋势大致相同。但是本文方法与其它两种方法相比波 动较小，且延时始终较短。因为本文使用的遗传算法为避免 不必要的计算时间，设置合适的终止条件，减少网络延时。
此外，在上述实验环境不变情况下，对重构后的系统性能进
行对比，结果如图6所示。
由图6能够看出，控制网络节点通过遗传算法重构通讯 协议后，使控制系统能够以较快的速度实现稳定。这是因为 该方法将网络最大允许传输延时作为约束条件，提高节点调 度性能，确保控制系统稳定。
4
仿真分析
使用协议原件库在Mallab/Simulink环境下构建仿真系
统。Simulink属于Matlab最关键组件之一，可以提供动态系 统仿真与综合分析的环境，并自带所需元件库，支持开发节 点通讯协议模型集成。一个理想的仿真平台需要具备真实 性、灵活性与扩展性等优势。为此，为满足仿真要求，搭建的 仿真系统结果如图4所示。
图4仿真系统架构
利用上述构建的仿真平台，进行实验，对文献[1 ]、文献[2]与本文方法重构后的协议性能进行仿真。三种方法下网 络控制系统平均延时情况如图5所示。
0.7
性能参数指标。
1)总传输延时
H
用人不察冗
(1〇)
«= 1 ； = 1
式中,/V 表示网络节点数量，軋代表第：个节点待传输的数 据包数量,r 以丨表示第t '个节点传输第y 个数据包的延时。
2)平均传输延时
N
厂―= r -/5>
, (11)
i = l
利用以上延时性能评价指标能够实现协议性能评估，在 负载相同状况下，时延越小，网络服务性能质量越高。3.2网络控制系统性能评估
1)稳定性
在网络控制系统内，针对某个被控制目标，当利用不同 种类协议时，控制系统的数据模型会有所差异。
通过各类建 模方式，获得不同模型结果，因此系统性能也不同。
结合上述网络延时特性，网络控制系统模型与传统线性 系统不同，需构建基于延时的模型。假设传感器与控制器之 间延时表示为L ，控制器与执行器的传输延时为T…。针对 非时变控制器来讲，这两种延时能够相加在一起，获得网络 诱导总延时
(
12)
对于下述模型
[业
1 =
匕
⑴J
•
⑴
(13)
42丨;422J
L e
⑴ J
引入最大允许传输延时，即网络最多Tm…秒就需要 传输成功一次消息，确保网络控制系统稳定性U°]。在利用 TOD(Try Once Discard)动态调度下，最大延时需符合下 述公式
fln(2) __________1__________1
^
<；卜丨1’4_
^
物
+ 丨)|
〇4)
当符合以上条件时控制系统处于稳定状态。A 属于矩 阵的特征值，Mil表示闭环控制矩阵。
2)可靠性
决定可靠性的参量描述为：残留差错率、发送失败率、连 接失败率等。其中残留差错率表示在一段时间内观察到全 部非正确、丢失的S D U (Service Data Unit，服务数据单元）与 传输的总S D U 的比值
^la s s
^incorrect
*^~ ^duplicated
P
(15)
3)安全性
安全性具有一个参数即保护措施。〇SI( Open System In- tenxmnecticm，开放式系统互联）定义的保护级别主要分为下 述几种：无保护特性；被动监视；防范被修改或删除，完成网 络控制系统性能评估。
应用层
X
用户参6
/I —
M —]调度层调度算法^
/I — \J —43：由算
P
/I —
构
G
路理^)
*/ 9F SI 获1:
重构接口
重构管理器
—132
—
0.4
4
6
10 12 14时间/s
图6不同方法重构后系统性能对比图
5
结论
控制网络节点为网络控制系统主体，对可重构通信协议 具有重要意义。利用控制网络节点通过遗传算法实现无线 通讯协议重构，并将网络延时与系统稳定作为性能评价指 标。仿真表明该方法传输延时短，能确保控制系统稳定。本 文的研究成果将解决工业控制中的应用瓶颈，能广泛应用在 化工、机床等各类运动控制系统中。参考文献：
[1]
武琰，樊海红.复合可重构无线网络信息交换方法仿真[J ]. 计算机仿真,2019,36(6) :293 - 296,331.
[2] 古辰哲，蒋文贤，吴晶晶.基于OpenFlow 的无线传感器网络路
由层可重构技术的研究[J ].信息与控制，2018,47 (4): 112
-118.
[3] 胡彦军，张彩虹.舰船随机网络节点无线路由协议算法优化分
析[J ].舰船科学技术，2019,4丨（22):16丨-163.
[4] 薛雪，王建平，孙伟.微电网数据通信无线传感器网络性能的
跨层控制方法研究[J ].电子测量与仪器学报,2018,32(10):
15-25.
[5] 屠园园，王大轶，李文博.考虑时间特性影响的控制系统可重
构性定量评价方法研究[J ].自动化学报,2018,44 ( 7): 1260
-1270.
[6] 王永涛，黄翠，黄维，等.灌区无线传感器网络E -R M A C 协议
的研究与仿真[J ].人民长江,2019,50(5) :205 -210.
[7] 韩泽军，丁洪伟，保利勇，等.无线Ad H o c 网络中新型N -C S -
M A 协议采用多优先级时的性能分析[J ].云南大学学报（自
然科学版），2020,42(1 ):43 _49.
[8] 吕昕梦，蒋炫佑，马文韬，等.用于认知无线电系统的陷波可重
构超宽带天线[〗].电子技术应用,2019,45(3) :59 - 62.
[9] 费宁，徐力杰，成小惠.基于软件定义无线网络的协作式路由
实现和性能分析[•(].计算机研究与发展，2019,56(5):967
-976.
[10]
李国金，吴凡，南敬昌，等.并发双波段可重构功率放大器仿
真设计[J ].微电子学,2019,49(1) :49 - 54.
[作者简介]
李萍（1983 -)，女（?又族），内蒙古呼伦贝尔人, 社
，顏
，主麵究方自：计籠应用、网络技术
应用。
.擎
i
%-
MSI) - I. :ij(
;>!；! !j ；
®
硕士，織麵
师
，主要聽帥：实验室管理、数
据库技术、计算机网络。
(上接第52页）
[13 ]
Frank R. Scattered data interpolation ： tests of some methods[ J ：. Mathematics Computation,1982,38(157)：191 -200.
[14]
吴宗敏.径向基函数、散乱数据拟合与无网格偏微分方程数 值解[J ]•工程数学学报，2016,19(2).
[15] Buhmann M D. Radial basis functions ： theory and implementa- tions[M ]. Cambridge University Press,2004.
[16] Harder R L,Desmarais R N. Interpolation using surface splines [J ]. Journal of Aircraft, 1972,9(2) ： 189 - 191.
[17 ] Duchon J. Splines minimizing rotation - invariant semi - norms in Sobolev spaces[M ]. Springer Berlin Heidelberg. 1977,571 ： 85
-
100.
[18]
赵永辉.气动弹性力学与控制[M ].北京：科学出版社，2007:
248 -252.
[19] 刘正兴，孙雁，王国庆等.计算固体力学[M ].上海：上海交
通大学出版社，2010:87 -88.
[20] Boyd J P , Gildersleeve K W. Numerical experiments on the condition number of the interpolation matrices for radial basis functions J ]. Applied Numerical Mathematics,2011 ,61 (4) ：443 -459.
Diederichs B , Iske A. Improved estimates for condition numbers of radial basis function interpolation matrices [ J ]. Journal of Approximation Theory ,2019,238 ：38 -51.
[22]李庆杨，
王能超，易大义.数值分析（第5版）[M ].北京：清 华大学出版社，2008: 167 -172.
[作者简介]
张洋洋（1990-)，男（汉族），江苏省江阴人，硕士
研究生，主要研究领域为流固耦合中的插值算法、 飞机结构强度试验。
于哲峰（1977 -)科技英语
，男（汉族），黑龙江方正人，副研
究员，博士研究生导师，主要研究领域为复合材料
结构冲击，结构振动，航空结构设计及试验技术。
毛玉明（1980-)，男（汉族），山东潍坊人，博士，高工，主要研究领
域为运载火箭设计。
王吉飞（ 1984 -)
，
男（汉族），重庆人，博士，工程师，主要研究领域
为运载火箭气动设计。
[21].4
.2.0.8
.6
o
—133
—
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议