工業無線網絡認知型路由協議研究

曹健 高靜 李楓 王藝潼

摘 要：為了提高工業無線網絡的自適應能力，本文提出在路由協議的設計中引入“認知”元素。首先簡要介紹了認知網絡的起源和概念，接下來介紹了國內外認知網絡的研究現狀，最后分析和討論了在工業無線網絡認知型路由協議設計中的關鍵技術。

關鍵詞：認知；工業無線網絡；工業4.0；路由協議

1 概述

“中國制造2025”、“工業互聯網”和“工業4.0”等是主要的工業國家面向新一輪工業革命提出的國家發展戰略。在這些戰略中，網絡與傳統產業深度融合成為了提高企業管理水平和生產效率的大勢所趨[1，2]。

工業無線網絡技術能夠在惡劣的工業環境中為智能設備和機械裝置等提供寬帶的數據鏈路和靈活的拓撲結構，節省了布線所需成本，方便了舊設備的改造升級，它是新一輪工業革命的重要基礎。

路由協議是網絡研究的關鍵技術之一。工業無線網絡通常由大量資源受限的無線節點組成，它們的通信環境非常復雜，不僅存在高強的噪聲和電磁干擾，而且往往處于高溫、高危和高腐蝕等環境，此外，新的工業革命對網絡性能等方面也都提出了更高的要求，這些特征迫切的需要在網絡中加入“認知”元素，賦予網絡“智慧”的特性，使網絡具備自適應、自管理、學習和推理等智能功能，使得網絡能夠根據當前環境和狀態及時做出相應的路由決策。因此，研究工業無線網絡的認知型路由協議具有迫切性和重要性。

2 認知技術的起源和概念

認知網絡是在認知無線電技術的基礎上發展而來的，Mitola等人在1999年提出了認知無線電的概念，認知無線電具有學習能力，能夠感知空間內的可用頻譜資源，并根據環境的變化進行自適應調整，認知無線電網絡的研究目標是物理層和鏈路層技術。[3]

2005年美國弗吉尼亞工學院的W.Thomas等人總結了認知網絡的定義[4]：認知網絡具有智能的認知過程，能夠感知網絡自身的狀態，然后分析、決策并對網絡做出自適應的規劃和調整，直到達到預期的端到端目標和網絡整體性能的提高。[5]目前，認知網絡的概念已經被IEEE標準化學會采用。

3 認知技術研究現狀

近年來，認知網絡得到了國內外的學者越來越多的關注。文獻[6]在網絡中引入了知識平面使網絡具有認知能力，網絡通過觀察、學習、推理等認知行為對環境變化做出合理反應。文獻[7]指出認知網絡應能適應運行參數的變化并做出前瞻性決策。文獻[8]提出了認知網絡中一種具有鏈路可用性預測機制的路由協議，以節點負載和鏈路質量為度量進行路由選擇。上述路由協議的研究均是在傳統互聯網環境下進行的，在工業無線網絡中引入認知型路由協議仍處于起步階段，具有一定的先進性和實用性。

4 關鍵技術

4.1 環境感知技術

認知網絡依據感知信息進行學習、推理和路由決策等行為，因此在工業背景下的環境感知技術直接影響了網絡路由協議的性能，它是認知網絡的基礎。在未來的工業場景中，網絡規模較大，如何在大規模節點間同步更新感知信息、確定信息采集方式和周期以及形式化的表達等，實現主動感知是一項關鍵技術。

4.2 學習技術

學習機制是認知網絡的核心，運用學習機制進行問題處理時需要依據所學知識建立適合的學習模型，例如決策樹、博弈論、神經網絡和概率論等理論方法。在工業場景中，如何選擇收斂速度較好的自學習算法，構建適合的學習模型，是提高路由協議性能的關鍵。

4.3 SDN技術

軟件定義網絡（SDN，Software Defined Network）技術[9]分離了控制平面和數據平面，降低了設備的復雜度和硬件成本；控制平面集中式的管理使得網絡可以基于全網視圖進行網絡資源優化，提高了網絡資源的利用率。在采用SDN體系結構的工業無線網絡中，控制平面可以感知網絡的全局狀態，通過學習和推理機制進行路由決策，從而優化網絡性能。但面向工業無線網絡的SDN技術仍面臨諸多技術難點需要解決。

5 總結

本文簡要介紹了認知網絡的起源、概念以及國內外在認知路由協議領域的研究現狀，最后總結出在工業無線網絡認知型路由協議的設計中具有環境感知技術、學習技術和SDN技術等關鍵技術。為認知型路由協議在工業無線網絡中的發展提供了思路。

參考文獻：

[1]周濟.智能制造——“中國制造2025”的主攻方向[J].中國機械工程，2015，26（17）：2273.2284.

[2]曹健，高靜.面向智能制造的工業無線網絡研究[J].科學技術創新，2017（30）：95.96.

[3]Joseph Mitola.Cognitive Radio：An Integrated Agent Architecture for Software Defined Radio[D].PhD thesis，Royal Institute of Technology，2000.

[4]Thomas R W.Cognitive networks[C].First IEEE International Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks.IEEE，2005：352.360.

[5]顧成杰，張順頤，孫雁飛.基于業務感知和策略選擇的認知路由算法[J].通信學報，2011，32（11）：168.175.

[6]Clark D D.A knowledge plane for the internet[C].Conference on Applications，Technologies，Architectures，and Protocols for Computer Communications.ACM，2003：3.10.

[7]Mahmoud Q.Cognitive Networks：Towards Self.Aware Networks[M].Wiley.Interscience，2007.

[8]Zhang Y.The Stable Routing Protocol for the Cognitive Network[C].IEEE GLOBECOM Workshops.IEEE，2014：1090.1095.

[9]張朝昆，崔勇，唐翯翯，等.軟件定義網絡（SDN）研究進展[J].軟件學報，2015，26（1）：62.81.

作者簡介：第一作者曹健（1984.），男，講師，研究方向：無線網絡、認知計算等。

*通訊作者：高靜（1985.），女，博士，研究方向：網絡優化算法。