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建筑环境信息物理融合系统通信技术研究

发布时间:2019-05-27 15:55
【摘要】:本课题针对信息物理融合系统(Cyber-Physical System, CPS)的特点和技术优势,构建了建筑环境CPS架构模型,并对其通信技术进行了研究。将博弈论方法引入CPS通信资源分配中,提出了基于博弈论的CPS通信资源分配算法,有效的提高了CPS通信资源的利用率。之后以ZigBee技术和无线Mesh网络为基础,搭建建筑环境CPS通信平台架构,并对具体的通信接口进行了设计。最后,在建筑环境CPS中提出了一种三维质心定位算法,提高了建筑内环境的定位精度。本文将CPS引入建筑环境中,在一定程度上提高了建筑智能化的水平,同时使CPS整体得到了进一步完善。首先对信息物理融合系统的概念、特点、相关技术支撑做了介绍,并提出了CPS体系结构模型。在CPS的基础上,结合建筑环境,提出了建筑环境CPS架构模型,阐述了其设计目标、架构的总体设计方案,并对其物理层、网络层、服务层、应用层的功能特点进行了详细的介绍。其次,介绍了博弈论的概念、基本要素、合作博弈和非合作博弈的定义、纳什议价解、帕累托最优、纳什均衡等重要概念,然后将其与CPS结合,提出了基于博弈论的CPS通信资源分配算法。主要讨论了CPS中OFDMA资源分配算法和WMN信道分配(WMN Channel Allocation Based on Game Theory, W-CABG)算法。其中OFDMA资源分配算法主要讨论CPS中OFDMA网络下行链路的多用户资源分配,将分配过程建模为用户间的合作博弈,通过求解纳什议价解(Nash Bargaining Solution, NBS),实现用户间的Pareto最优性。而W-CABG算法主要讨论WMN的信道分配问题,求解用户间的纳什均衡(Nash Equilibrium, NE),并证明了算法的收敛性。仿真结果表明,以上算法取得了很好的效果,实现了博弈论与CPS通信资源分配的有效融合。之后以ZigBee技术和无线Mesh网络为基础,构建基于ZigBee-Mesh网络的建筑环境CPS通信平台架构。分析了系统组网的需求、网络的容量,以及信道分配方案。然后对建筑环境CPS通信接口进行了设计,以CC2530芯片为核心,设计了其外围电路,以及电源管理模块、仿真器接口模块和用于应用扩展的用户接口模块。最后,在建筑环境CPS通信平台下,对建筑内环境的定位算法进行了研究。提出了LANDMARC算法和质心算法在三维空间相结合的方法,并通过合理的布置RFID标签,仿真验证了算法的可行性,提高了建筑内环境的定位精度。
[Abstract]:In this paper, according to the characteristics and technical advantages of information physical fusion system (Cyber-Physical System, CPS), the CPS architecture model of building environment is constructed, and its communication technology is studied. The game theory method is introduced into CPS communication resource allocation, and a CPS communication resource allocation algorithm based on game theory is proposed, which effectively improves the utilization rate of CPS communication resources. Then, based on ZigBee technology and wireless Mesh network, the architecture of CPS communication platform in building environment is built, and the specific communication interface is designed. Finally, a three-dimensional centroids location algorithm is proposed in the building environment CPS, which improves the positioning accuracy of the building environment. In this paper, CPS is introduced into the building environment, to a certain extent, the level of building intelligence is improved, and the whole CPS is further improved. Firstly, the concept, characteristics and related technical support of information physics fusion system are introduced, and the CPS architecture model is put forward. On the basis of CPS, combined with the building environment, this paper puts forward the CPS architecture model of the building environment, expounds its design goal, the overall design scheme of the architecture, and puts forward its physical layer, network layer and service layer. The functional characteristics of the application layer are introduced in detail. Secondly, it introduces the concept of game theory, the basic elements, the definition of cooperative game and non-cooperative game, Nash bargaining solution, Pareto optimization, Nash equilibrium and other important concepts, and then combines it with CPS. A CPS communication resource allocation algorithm based on game theory is proposed. This paper mainly discusses OFDMA resource allocation algorithm and WMN channel allocation (WMN Channel Allocation Based on Game Theory, W-CABG algorithm in CPS. The OFDMA resource allocation algorithm mainly discusses the multi-user resource allocation of OFDMA network downlink in CPS. The allocation process is modeled as a cooperative game between users, and the Pareto optimality between users is realized by solving Nash bargaining solution (Nash Bargaining Solution, NBS),. The W-CABG algorithm mainly discusses the channel allocation problem of WMN, solves the Nash equilibrium (Nash Equilibrium, NE), among users, and proves the convergence of the algorithm. The simulation results show that the above algorithm has achieved good results and realized the effective integration of game theory and CPS communication resource allocation. Then, based on ZigBee technology and wireless Mesh network, the architecture of building environment CPS communication platform based on ZigBee-Mesh network is constructed. The requirements of the system networking, the capacity of the network, and the channel allocation scheme are analyzed. Then the CPS communication interface of building environment is designed, and its peripheral circuit, power management module, simulator interface module and user interface module for application extension are designed with CC2530 chip as the core. Finally, under the CPS communication platform of building environment, the location algorithm of building environment is studied. A method of combining LANDMARC algorithm with centroids algorithm in three-dimensional space is proposed, and the feasibility of the algorithm is verified by simulation through the reasonable arrangement of RFID tags, and the positioning accuracy of the building environment is improved.
【学位授予单位】:沈阳建筑大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TU18;TU855

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本文编号:2486281

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