基于工業(yè)無線異構網絡的主動網絡切換算法

盧志豪 程良倫

摘 要：在工業(yè)4.0的背景下，工業(yè)生產對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊笤絹碓礁摺ｋS著5G網絡發(fā)展的影響，越來越多的傳統(tǒng)工業(yè)網絡被無線網絡取代，有效解決了工業(yè)網絡傳輸即時性、網絡安全性等方面存在的問題，有利于實現(xiàn)工業(yè)自動化和智能化。針對目前的工業(yè)網絡需要，為了有效保證網絡的即時性，大大減少網絡切換過程中的數(shù)據(jù)延時，可以在一個新工業(yè)異構網絡框架下采用一種快速、可靠的主動網絡切換算法。

關鍵詞：工業(yè)物聯(lián)網;異構網絡融合;網絡切換;網絡延時;TDOA;UWB

中圖分類號：TP212.9;TN929.5文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）06-00-03

0 引 言

作為工業(yè)智能化的重要支撐技術，網絡技術是實現(xiàn)設備間與系統(tǒng)間互聯(lián)互通的前提。在工業(yè)4.0[1-3]的大背景下，工業(yè)生產對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊笤絹碓礁撸瑫r工業(yè)現(xiàn)場復雜的環(huán)境也越來越不適合應用數(shù)據(jù)傳輸線的傳統(tǒng)工業(yè)網絡。隨著5G網絡的發(fā)展，越來越多的傳統(tǒng)工業(yè)網絡被無線網絡取代，無線網絡有效解決了工業(yè)網絡傳輸?shù)募磿r性、網絡安全性等問題。

工業(yè)中經常使用無線傳感網絡[4]。當下無線傳感網絡可應用于軍事、醫(yī)療、智能制造、環(huán)境監(jiān)測等領域，并取得了很好的應用效果[5]。因此針對無線傳感網絡的研究成為工業(yè)網絡改革的一個重要方向。江禹生等人[6]提出了一種無線傳感網非測距三維節(jié)點定位算法，可用于精確定位網絡中的節(jié)點位置。張永燦等人[7]提出了一種自適應算法，將無線傳感網絡結合到智能交通中，方便控制系統(tǒng)更好地應付復雜的路況。

提高無線網絡實時性、低延時等性能是保證工業(yè)網絡正常運行的一個重要目標。韓雨澇等[8]提出一種主動定位移動Sink的數(shù)據(jù)收集算法DCFAN，可有效降低網絡中節(jié)點的能耗，減少無線傳感網中數(shù)據(jù)收集的延時。朱建平等人[9]提出一種改進實時性能的退避機制，對于數(shù)據(jù)包訪問信道的時間性能進行了改進，大幅提升了網絡的實時性。

隨著異構網絡融合技術的出現(xiàn)和發(fā)展，洪榛等人[10]提出了一種高效動態(tài)聚簇策略，有效解決了多級異構無線傳感器網絡中的路由問題。

在對上述網絡存在問題和相關研究的基礎上，本文提出了一種基于工業(yè)無線異構網絡的快速、可靠的主動網絡切換算法，其主要特點如下：

（1）針對工業(yè)網絡中的復雜環(huán)境，提出了由LoRa，

433 MHz傳感網絡，ZigBee和WiFi等多種子網絡構成的異構網絡框架;

（2）為保證網絡中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，結合UWB室內定位技術提出一種快速、可靠的主動網絡切換算法。針對用戶移動導致的網絡切換，實施主動切換控制。

1 異構網絡框架

由于工業(yè)現(xiàn)場情況復雜，車間分布多等條件的限制，工業(yè)現(xiàn)場部署的網絡種類較多。且各工業(yè)制造車間的工作種類不同，對于網絡中的數(shù)據(jù)傳輸時間、數(shù)據(jù)傳輸可靠性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量等方面的要求不同，因此針對不同車間的網絡需求，選擇相應的網絡進行部署可以實現(xiàn)網絡資源的合理分配，同時多子網的異構網絡框架還可以實現(xiàn)整個工業(yè)網絡的一體化，促進數(shù)據(jù)管理的信息化，滿足智能制造的需求。

LoRa網絡是一種低功耗無線廣域網，該網絡具有傳輸距離遠、功耗小、傳輸數(shù)據(jù)安全系數(shù)高等特點，適合大規(guī)模網絡部署現(xiàn)場。但由于LoRa網絡單位時間內傳輸數(shù)據(jù)量比較小，數(shù)據(jù)處理的及時性要求較高，因此無法滿足某些處理時間緊、數(shù)據(jù)量大的車間的網絡需求。

ZigBee是一種短距離、低功耗的無線通信技術，具有網絡自組織特性，大大提高了網絡的靈活性。WiFi是大眾熟悉的無線通信技術，該網絡的特點是網絡傳輸速度快，可在短時間內傳輸大量數(shù)據(jù)，其能耗大，且網絡通信質量低下。433 MHz網絡為無線頻段通信網絡，該網絡的無線信號穿透性強、傳輸距離遠，但網絡的數(shù)據(jù)傳輸速率僅為9 600 b/s。

針對復雜工業(yè)現(xiàn)場中不同車間的需要，選用新的異構網絡框架。在工業(yè)車間中，應用ZigBee，WiFi，433 MHz等多種網絡進行部署，借助LoRa網絡覆蓋工業(yè)現(xiàn)場，各網絡之間存在信號覆蓋的重疊部分，如圖1所示。在該區(qū)域，移動客戶端可以根據(jù)網絡信號強度的優(yōu)劣，實現(xiàn)當前網絡的切換。

2 網絡主動切換算法

在異構網絡框架中，一個快速、可靠的網絡切換算法是保障網絡移動節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)不間斷，實現(xiàn)工業(yè)網絡一體化的重要指標。

本文提出一種快速、可靠的主動網絡切換方法。該算法結合UWB室內定位技術，實時監(jiān)控網絡中移動節(jié)點的位置，在兩個網絡覆蓋范圍的重疊處，根據(jù)網絡信號強度的優(yōu)劣和移動節(jié)點的運動趨勢，選擇合適的網絡，提前進行網絡連接;待新網絡中連接的網絡、信號穩(wěn)定之后，利用新網絡進行數(shù)據(jù)傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸不間斷，減少網絡切換時的數(shù)據(jù)丟包和網絡延時。

采用基于TDOA算法的UWB定位技術可以有效提高室內定位的精度。

TDOA算法：測量移動終端與3個不同UWB接收終端的通信時間t1，t2，t3。根據(jù)時間差值|t1-t2|和|t1-t3|得到距離差值|r1-r2|和|r1-r3|。以UWB接收端S2和S3為焦點，距離差為長軸的雙曲線的交點即為移動節(jié)點的位置，如圖2所示。

為了保證定位的精準，需要利用TDOA算法對移動節(jié)點的位置進行多次測量，剔除偏差過大的值，根據(jù)剩余結果求平均值，估算出移動節(jié)點的位置。

式中：（xi， yi）是每次測量得到的移動節(jié)點的位置;（x， y）是估算出的節(jié)點位置。

為了實現(xiàn)對整個工業(yè)網絡中移動節(jié)點的追蹤，在工業(yè)現(xiàn)場需要部署多個UWB接收節(jié)點，在估計移動節(jié)點位置時，選擇最近、信號最好的3個UWB接收節(jié)點用于移動節(jié)點位置的確定。在實現(xiàn)對移動技術節(jié)點的位置追蹤之后，借助主動網絡切換算法根據(jù)節(jié)點的位置信息、網絡覆蓋范圍以及當前各網絡的信號強度、信號穩(wěn)定情況選擇合適的網絡切換位置，提前與移動節(jié)點建立新的連接，同時舊的網絡保留連接。在新網絡的信號強度、信號穩(wěn)定程度滿足要求時，舊的網絡斷開連接，利用新網絡繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)網絡的主動切換。主動網絡切換算法流程如圖3所示。

3 實驗結果

為了驗證快速、可靠的主動網絡切換算法的效果，分別利用433 MHz，ZigBee，LoRa網絡進行網絡切換的實驗。在實驗場景中，實驗人員在移動區(qū)域中部署UWB定位網絡，在不同區(qū)域中部署433 MHz網絡、ZigBee網絡、LoRa網絡等。實驗人員通過移動一臺攜帶有UWB通信模塊、433 MHz通信模塊、ZigBee通信模塊、LoRa通信模塊等的筆記本電腦，模擬網絡中的移動節(jié)點。為了更好地區(qū)分當前接入的網絡類型，在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)前加入網絡標識位，用于區(qū)分當前數(shù)據(jù)的來源。

實驗過程中，實驗人員攜帶著上述特定電腦在實驗區(qū)域內移動，通過UWB網絡追蹤當前電腦所處位置。在移動過程中，根據(jù)電腦收集的數(shù)據(jù)，測出不同網絡之間切換的時間。為了方便測量，以上一個網絡的最后一個數(shù)據(jù)到達時間和新網絡第一個數(shù)據(jù)（01 04為新網絡一段數(shù)據(jù)接收結束的標識）到達的時間差作為切換時間，如圖4所示。

主動網絡切換算法根據(jù)節(jié)點位置進行新網絡的提前入網，切換時間約等于新網絡的數(shù)據(jù)傳輸時間。主動網絡切換時間的估算值與網絡被動切換（被動網絡切換即舊網絡先行斷開，然后建立新的網絡，其特點是切換速度慢，且受環(huán)境影響導致切換時間波動較大）的時間比較見表1所列。實驗證明，快速、可靠的主動網絡切換算法大大減少了網絡延時，保障了數(shù)據(jù)的連貫性，提高了網絡的穩(wěn)定性。

4 結 語

針對工業(yè)網絡的復雜環(huán)境，一個多種網絡結合的異構網絡框架可以實現(xiàn)網絡資源最大化利用、網絡數(shù)據(jù)的實時傳輸。通過快速、可靠的主動網絡切換算法追蹤節(jié)點位置，實現(xiàn)網絡提前接入與網絡的不間斷切換，可大大減少網絡延時，保障網絡數(shù)據(jù)的傳輸連貫性，大幅提高網絡安全性和穩(wěn)定性。

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