盧志豪 程良倫

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

關(guān)鍵詞：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng);異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合;網(wǎng)絡(luò)切換;網(wǎng)絡(luò)延時(shí);TDOA;UWB

中圖分類號：TP212.9;TN929.5文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)設(shè)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(chǎn)對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊笤絹碓礁撸瑫r(shí)工業(yè)現(xiàn)場復(fù)雜的環(huán)境也越來越不適合應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸線的傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，越來越多的傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)被無線網(wǎng)絡(luò)取代，無線網(wǎng)絡(luò)有效解決了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)募磿r(shí)性、網(wǎng)絡(luò)安全性等問題。

工業(yè)中經(jīng)常使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)[4]。當(dāng)下無線傳感網(wǎng)絡(luò)可應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、智能制造、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，并取得了很好的應(yīng)用效果[5]。因此針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究成為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)改革的一個(gè)重要方向。江禹生等人[6]提出了一種無線傳感網(wǎng)非測距三維節(jié)點(diǎn)定位算法，可用于精確定位網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)位置。張永燦等人[7]提出了一種自適應(yīng)算法，將無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)合到智能交通中，方便控制系統(tǒng)更好地應(yīng)付復(fù)雜的路況。

提高無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性、低延時(shí)等性能是保證工業(yè)網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的一個(gè)重要目標(biāo)。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(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能耗，減少無線傳感網(wǎng)中數(shù)據(jù)收集的延時(shí)。朱建平等人[9]提出一種改進(jìn)實(shí)時(shí)性能的退避機(jī)制，對于數(shù)據(jù)包訪問信道的時(shí)間性能進(jìn)行了改進(jìn)，大幅提升了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性。

隨著異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)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(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路由問題。

在對上述網(wǎng)絡(luò)存在問題和相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于工業(yè)無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的快速、可靠的主動網(wǎng)絡(luò)切換算法，其主要特點(diǎn)如下：

（1）針對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的復(fù)雜環(huán)境，提出了由LoRa，

433 MHz傳感網(wǎng)絡(luò)，ZigBee和WiFi等多種子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)框架;

（2）為保證網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，結(jié)合UWB室內(nèi)定位技術(shù)提出一種快速、可靠的主動網(wǎng)絡(luò)切換算法。針對用戶移動導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)切換，實(shí)施主動切換控制。

1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)框架

由于工業(yè)現(xiàn)場情況復(fù)雜，車間分布多等條件的限制，工業(yè)現(xiàn)場部署的網(wǎng)絡(luò)種類較多。且各工業(yè)制造車間的工作種類不同，對于網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)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(wǎng)絡(luò)需求，選擇相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行部署可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的合理分配，同時(shí)多子網(wǎng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)框架還可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的一體化，促進(jìn)數(shù)據(jù)管理的信息化，滿足智能制造的需求。

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

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

針對復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場中不同車間的需要，選用新的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)框架。在工業(yè)車間中，應(yīng)用ZigBee，WiFi，433 MHz等多種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行部署，借助LoRa網(wǎng)絡(luò)覆蓋工業(yè)現(xiàn)場，各網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)度的優(yōu)劣，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的切換。

2 網(wǎng)絡(luò)主動切換算法

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)框架中，一個(gè)快速、可靠的網(wǎng)絡(luò)切換算法是保障網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)不間斷，實(shí)現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)一體化的重要指標(biāo)。

本文提出一種快速、可靠的主動網(wǎng)絡(luò)切換方法。該算法結(jié)合UWB室內(nèi)定位技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中移動節(jié)點(diǎn)的位置，在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的重疊處，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)度的優(yōu)劣和移動節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動趨勢，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)，提前進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接;待新網(wǎng)絡(luò)中連接的網(wǎng)絡(luò)、信號穩(wěn)定之后，利用新網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸不間斷，減少網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)的數(shù)據(jù)丟包和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。

采用基于TDOA算法的UWB定位技術(shù)可以有效提高室內(nèi)定位的精度。

TDOA算法：測量移動終端與3個(gè)不同UWB接收終端的通信時(shí)間t1，t2，t3。根據(jù)時(shí)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(diǎn)，距離差為長軸的雙曲線的交點(diǎn)即為移動節(jié)點(diǎn)的位置，如圖2所示。

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

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

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

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證快速、可靠的主動網(wǎng)絡(luò)切換算法的效果，分別利用433 MHz，ZigBee，LoRa網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切換的實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)場景中，實(shí)驗(yàn)人員在移動區(qū)域中部署UWB定位網(wǎng)絡(luò)，在不同區(qū)域中部署433 MHz網(wǎng)絡(luò)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)、LoRa網(wǎng)絡(luò)等。實(shí)驗(yàn)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(wǎng)絡(luò)中的移動節(jié)點(diǎn)。為了更好地區(qū)分當(dāng)前接入的網(wǎng)絡(luò)類型，在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)前加入網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識位，用于區(qū)分當(dāng)前數(shù)據(jù)的來源。

實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)人員攜帶著上述特定電腦在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)移動，通過UWB網(wǎng)絡(luò)追蹤當(dāng)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(wǎng)絡(luò)之間切換的時(shí)間。為了方便測量，以上一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最后一個(gè)數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間和新網(wǎng)絡(luò)第一個(gè)數(shù)據(jù)（01 04為新網(wǎng)絡(luò)一段數(shù)據(jù)接收結(jié)束的標(biāo)識）到達(dá)的時(shí)間差作為切換時(shí)間，如圖4所示。

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

4 結(jié) 語

針對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜環(huán)境，一個(gè)多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)框架可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源最大化利用、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。通過快速、可靠的主動網(wǎng)絡(luò)切換算法追蹤節(jié)點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)提前接入與網(wǎng)絡(luò)的不間斷切換，可大大減少網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，保障網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸連貫性，大幅提高網(wǎng)絡(luò)安全性和穩(wěn)定性。

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