基于工业无线异构网络的主动网络切换算法

卢志豪 程良伦

摘 要：在工业4.0的背景下，工业生产对于数据传输的要求越来越高。随着5G网络发展的影响，越来越多的传统工业网络被无线网络取代，有效解决了工业网络传输即时性、网络安全性等方面存在的问题，有利于实现工业自动化和智能化。针对目前的工业网络需要，为了有效保证网络的即时性，大大减少网络切换过程中的数据延时，可以在一个新工业异构网络框架下采用一种快速、可靠的主动网络切换算法。

关键词：工业物联网;异构网络融合;网络切换;网络延时;TDOA;UWB

中图分类号：TP212.9;TN929.5文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）06-00-03

0 引 言

作为工业智能化的重要支撑技术，网络技术是实现设备间与系统间互联互通的前提。在工业4.0[1-3]的大背景下，工业生产对于数据传输的要求越来越高，同时工业现场复杂的环境也越来越不适合应用数据传输线的传统工业网络。随着5G网络的发展，越来越多的传统工业网络被无线网络取代，无线网络有效解决了工业网络传输的即时性、网络安全性等问题。

工业中经常使用无线传感网络[4]。当下无线传感网络可应用于军事、医疗、智能制造、环境监测等领域，并取得了很好的应用效果[5]。因此针对无线传感网络的研究成为工业网络改革的一个重要方向。江禹生等人[6]提出了一种无线传感网非测距三维节点定位算法，可用于精确定位网络中的节点位置。张永灿等人[7]提出了一种自适应算法，将无线传感网络结合到智能交通中，方便控制系统更好地应付复杂的路况。

提高无线网络实时性、低延时等性能是保证工业网络正常运行的一个重要目标。韩雨涝等[8]提出一种主动定位移动Sink的数据收集算法DCFAN，可有效降低网络中节点的能耗，减少无线传感网中数据收集的延时。朱建平等人[9]提出一种改进实时性能的退避机制，对于数据包访问信道的时间性能进行了改进，大幅提升了网络的实时性。

随着异构网络融合技术的出现和发展，洪榛等人[10]提出了一种高效动态聚簇策略，有效解决了多级异构无线传感器网络中的路由问题。

在对上述网络存在问题和相关研究的基础上，本文提出了一种基于工业无线异构网络的快速、可靠的主动网络切换算法，其主要特点如下：

（1）针对工业网络中的复杂环境，提出了由LoRa，

433 MHz传感网络，ZigBee和WiFi等多种子网络构成的异构网络框架;

（2）为保证网络中数据传输的实时性，结合UWB室内定位技术提出一种快速、可靠的主动网络切换算法。针对用户移动导致的网络切换，实施主动切换控制。

1 异构网络框架

由于工业现场情况复杂，车间分布多等条件的限制，工业现场部署的网络种类较多。且各工业制造车间的工作种类不同，对于网络中的数据传输时间、数据传输可靠性、数据传输的数据量等方面的要求不同，因此针对不同车间的网络需求，选择相应的网络进行部署可以实现网络资源的合理分配，同时多子网的异构网络框架还可以实现整个工业网络的一体化，促进数据管理的信息化，满足智能制造的需求。

LoRa网络是一种低功耗无线广域网，该网络具有传输距离远、功耗小、传输数据安全系数高等特点，适合大规模网络部署现场。但由于LoRa网络单位时间内传输数据量比较小，数据处理的及时性要求较高，因此无法满足某些处理时间紧、数据量大的车间的网络需求。

ZigBee是一种短距离、低功耗的无线通信技术，具有网络自组织特性，大大提高了网络的灵活性。WiFi是大众熟悉的无线通信技术，该网络的特点是网络传输速度快，可在短时间内传输大量数据，其能耗大，且网络通信质量低下。433 MHz网络为无线频段通信网络，该网络的无线信号穿透性强、传输距离远，但网络的数据传输速率仅为9 600 b/s。

针对复杂工业现场中不同车间的需要，选用新的异构网络框架。在工业车间中，应用ZigBee，WiFi，433 MHz等多种网络进行部署，借助LoRa网络覆盖工业现场，各网络之间存在信号覆盖的重叠部分，如图1所示。在该区域，移动客户端可以根据网络信号强度的优劣，实现当前网络的切换。

2 网络主动切换算法

在异构网络框架中，一个快速、可靠的网络切换算法是保障网络移动节点传输数据不间断，实现工业网络一体化的重要指标。

本文提出一种快速、可靠的主动网络切换方法。该算法结合UWB室内定位技术，实时监控网络中移动节点的位置，在两个网络覆盖范围的重叠处，根据网络信号强度的优劣和移动节点的运动趋势，选择合适的网络，提前进行网络连接;待新网络中连接的网络、信号稳定之后，利用新网络进行数据传输，保证数据传输不间断，减少网络切换时的数据丢包和网络延时。

采用基于TDOA算法的UWB定位技术可以有效提高室内定位的精度。

TDOA算法：測量移动终端与3个不同UWB接收终端的通信时间t1，t2，t3。根据时间差值|t1-t2|和|t1-t3|得到距离差值|r1-r2|和|r1-r3|。以UWB接收端S2和S3为焦点，距离差为长轴的双曲线的交点即为移动节点的位置，如图2所示。

为了保证定位的精准，需要利用TDOA算法对移动节点的位置进行多次测量，剔除偏差过大的值，根据剩余结果求平均值，估算出移动节点的位置。

式中：（xi， yi）是每次测量得到的移动节点的位置;（x， y）是估算出的节点位置。

为了实现对整个工业网络中移动节点的追踪，在工业现场需要部署多个UWB接收节点，在估计移动节点位置时，选择最近、信号最好的3个UWB接收节点用于移动节点位置的确定。在实现对移动技术节点的位置追踪之后，借助主动网络切换算法根据节点的位置信息、网络覆盖范围以及当前各网络的信号强度、信号稳定情况选择合适的网络切换位置，提前与移动节点建立新的连接，同时旧的网络保留连接。在新网络的信号强度、信号稳定程度满足要求时，旧的网络断开连接，利用新网络继续传输数据，实现网络的主动切换。主动网络切换算法流程如图3所示。

3 實验结果

为了验证快速、可靠的主动网络切换算法的效果，分别利用433 MHz，ZigBee，LoRa网络进行网络切换的实验。在实验场景中，实验人员在移动区域中部署UWB定位网络，在不同区域中部署433 MHz网络、ZigBee网络、LoRa网络等。实验人员通过移动一台携带有UWB通信模块、433 MHz通信模块、ZigBee通信模块、LoRa通信模块等的笔记本电脑，模拟网络中的移动节点。为了更好地区分当前接入的网络类型，在传输的数据前加入网络标识位，用于区分当前数据的来源。

实验过程中，实验人员携带着上述特定电脑在实验区域内移动，通过UWB网络追踪当前电脑所处位置。在移动过程中，根据电脑收集的数据，测出不同网络之间切换的时间。为了方便测量，以上一个网络的最后一个数据到达时间和新网络第一个数据（01 04为新网络一段数据接收结束的标识）到达的时间差作为切换时间，如图4所示。

主动网络切换算法根据节点位置进行新网络的提前入网，切换时间约等于新网络的数据传输时间。主动网络切换时间的估算值与网络被动切换（被动网络切换即旧网络先行断开，然后建立新的网络，其特点是切换速度慢，且受环境影响导致切换时间波动较大）的时间比较见表1所列。实验证明，快速、可靠的主动网络切换算法大大减少了网络延时，保障了数据的连贯性，提高了网络的稳定性。

4 结 语

针对工业网络的复杂环境，一个多种网络结合的异构网络框架可以实现网络资源最大化利用、网络数据的实时传输。通过快速、可靠的主动网络切换算法追踪节点位置，实现网络提前接入与网络的不间断切换，可大大减少网络延时，保障网络数据的传输连贯性，大幅提高网络安全性和稳定性。

参考文献

[1]张曙.工业4.0和智能制造[J].机械设计与制造工程，2014，43（8）：1-5.

[2]杨帅.工业4.0与工业互联网：比较、启示与应对策略[J].当代财经，2015（8）：99-107.

[3]延建林，孔德婧.解析“工业互联网”与“工业4.0”及其对中国制造业发展的启示[J].中国工程科学，2015，17（7）：141-144.

[4]王文光，刘士兴，谢武军.无线传感器网络概述[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2010，33（9）：1416-1419.

[5]杜晓明，陈岩.无线传感器网络研究现状与应用[J].北京工商大学学报（自然科学版），2008，26（1）：41-44.

[6]江禹生，冯砚毫，管芳.无线传感网非测距三维节点定位算法[J].西安电子科技大学学报，2012（5）：140-147.

[7]张永灿，黄海平，曹雍.基于无线传感网的智能交通灯自适应算法[J].计算机技术与发展，2015（2）：199-203.

[8]韩雨涝.面向带状无线传感网低延迟可靠数据收集算法[J].计算机工程与应用，2019，55（21）：104-109.

[9]朱建平，陶正苏，吕春峰.基于IEEE 802.15.4 CSMA/CA机制的无线传感网络实时性能改进[J].电子测量技术，2011，34（3）：90-94.

[10]洪榛，俞立，张贵军.多级异构无线传感网高效动态聚簇策略研究[J].自动化学报，2013，39（4）：454-460.