基于工業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4.0的背景下，工業生產對于數據傳輸的要求越來越高。隨著5G網絡發展的影響，越來越多的傳統工業網絡被無線網絡取代，有效解決了工業網絡傳輸即時性、網絡安全性等方面存在的問題，有利于實現工業自動化和智能化。針對目前的工業網絡需要，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據延時，可以在一個新工業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：工業物聯網;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

作為工業智能化的重要支撐技術，網絡技術是實現設備間與系統間互聯互通的前提。在工業4.0[1-3]的大背景下，工業生產對于數據傳輸的要求越來越高，同時工業現場復雜的環境也越來越不適合應用數據傳輸線的傳統工業網絡。隨著5G網絡的發展，越來越多的傳統工業網絡被無線網絡取代，無線網絡有效解決了工業網絡傳輸的即時性、網絡安全性等問題。

工業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、醫療、智能制造、環境監測等領域，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點定位算法，可用于精確定位網絡中的節點位置。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的數據收集算法DCFAN，可有效降低網絡中節點的能耗，減少無線傳感網中數據收集的延時。朱建平等人[9]提出一種改進實時性能的退避機制，對于數據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和發展，洪榛等人[10]提出了一種高效動態聚簇策略，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）針對工業網絡中的復雜環境，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）為保證網絡中數據傳輸的實時性，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

由于工業現場情況復雜，車間分布多等條件的限制，工業現場部署的網絡種類較多。且各工業制造車間的工作種類不同，對于網絡中的數據傳輸時間、數據傳輸可靠性、數據傳輸的數據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整個工業網絡的一體化，促進數據管理的信息化，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、傳輸數據安全系數高等特點，適合大規模網絡部署現場。但由于LoRa網絡單位時間內傳輸數據量比較小，數據處理的及時性要求較高，因此無法滿足某些處理時間緊、數據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據，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，但網絡的數據傳輸速率僅為9 600 b/s。

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

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點傳輸數據不間斷，實現工業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，實時監控網絡中移動節點的位置，在兩個網絡覆蓋范圍的重疊處，根據網絡信號強度的優劣和移動節點的運動趨勢，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、信號穩定之后，利用新網絡進行數據傳輸，保證數據傳輸不間斷，減少網絡切換時的數據丟包和網絡延時。

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算法對移動節點的位置進行多次測量，剔除偏差過大的值，根據剩余結果求平均值，估算出移動節點的位置。

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

為了實現對整個工業網絡中移動節點的追蹤，在工業現場需要部署多個UWB接收節點，在估計移動節點位置時，選擇最近、信號最好的3個UWB接收節點用于移動節點位置的確定。在實現對移動技術節點的位置追蹤之后，借助主動網絡切換算法根據節點的位置信息、網絡覆蓋范圍以及當前各網絡的信號強度、信號穩定情況選擇合適的網絡切換位置，提前與移動節點建立新的連接，同時舊的網絡保留連接。在新網絡的信號強度、信號穩定程度滿足要求時，舊的網絡斷開連接，利用新網絡繼續傳輸數據，實現網絡的主動切換。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，實驗人員在移動區域中部署UWB定位網絡，在不同區域中部署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點。為了更好地區分當前接入的網絡類型，在傳輸的數據前加入網絡標識位，用于區分當前數據的來源。

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，根據電腦收集的數據，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據到達時間和新網絡第一個數據（01 04為新網絡一段數據接收結束的標識）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節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據傳輸時間。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，保障了數據的連貫性，提高了網絡的穩定性。

4 結 語

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

參考文獻

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