CN114095418A - 一种无线光纤混合网络场景下工业物联网数据可靠传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无线光纤混合网络场景下工业物联网数据可靠传输方法，包括如下步骤：软件定义网络控制器计算出网络中各条链路的时延信息，根据时延信息选择最优并行传输路径；光线路终端将原始数据进行编码并广播给无线光网络单元；无线光网络单元通过并行多跳路径将编码分组转发到目的终端；目的终端实施解码操作，恢复原始数据。本发明在采取无线光纤混合网络架构的基于软件定义网络的工业物联网中，结合网络编码技术，提出一种数据并行传输方法。与传统方法相比，本方法在设备链路发生故障时不需要任何数据重传或重路由，并能够有效地降低丢包率对网络传输性能的影响，在提高可靠性的同时，显著缩短数据传输的完成时间，提高网络的有效吞吐量。
Description
技术领域
本发明涉及工业物联网领域，具体为一种无线光纤混合网络场景下工业物联网数据可靠传输方法。
背景技术
物联网是指通过各种通信技术，将任意终端设备接入互联网，进行信息交换和处理，从而实现对各类设备进行识别、监控、定位和管理等智能化控制的一种网络。工业物联网是物联网在工业领域的应用。随着对智能化的需求不断增加，物联网已成为工业领域的热门技术。工业物联网能够有效地整合工业系统中的各种设施资源，改善各类现有资源的利用率，提高工业信息化与自动化水平。
无线光纤混合接入网络实现了光纤和无线两种技术优势的互补，相比于传统接入技术，其能够为终端设备提供更高的带宽、更灵活的接入、更好的服务与体验质量，能够真正意义上实现网络的全覆盖。整个网络可以分为前端和后端两部分。工业无线拓扑网络位于前端，无源光网络作为光纤回程位于后端，无线光网络单元充当关联网络前后两端的网关。无源光网络部分包括光线路终端和光分路器，光线路终端的上行与骨干网相连，下行与光分路器相连，光分路器与网络前端的无线拓扑网相连。无线光纤混合接入网已经逐渐成为宽带接入技术领域的主流模式，能够满足工业物联网对接入网络的高容量、低延迟、高可靠性和高灵活性等要求。
随着工业应用不断发展，机器、传感器、控制单元和用户等各类智能设备不断产生大量数据，现有传输方法已逐渐无法满足工业物联网对于传输性能的高要求。此外，工业场景中无法避免的动态噪声、干扰会对无线传输造成严重影响，如使得无线信道的丢包率增加；并且无线光纤混合接入网络中的任何部件节点都有可能发生故障，从而中断通信，传统方法只能寻找其他路径重新进行传输，严重降低了网络性能。本发明在采取无线光纤混合网络架构的基于软件定义网络的工业物联网中，结合网络编码技术，提出了一种数据并行传输方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无线光纤混合网络场景下工业物联网数据可靠传输方法，在设备链路发生故障时不需要任何数据重传或重路由，并能够有效地降低丢包率对网络传输性能的影响，在提高可靠性的同时，显著缩短数据传输的完成时间，提高网络的有效吞吐量。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种无线光纤混合网络场景下工业物联网数据可靠传输方法，包括以下步骤：
S1：软件定义网络控制器计算出网络中各条链路的时延信息，根据时延信息选择最优并行传输路径；
S2：光线路终端将原始数据进行编码并广播给无线光网络单元；
S3：无线光网络单元通过并行多跳路径将编码分组转发到目的终端；
S4：目的终端实施解码操作，恢复原始数据。
优选的，所述步骤S1中，网络中各链路时延信息的计算方法如下：
T1、在无源光网络部分，光线路终端采用广播的方式将数据发送给多个无线光网络单元，根据光线路终端与无线光网络单元之间的距离计算得到各条光纤链路的时延DOpart＝Li/Soptical，其中Li表示光线路终端与第i个无线光网络单元之间的距离，Soptical是光信号在光纤中的传输速度。
T2、在无线拓扑网络部分，根据各无线链路的容量、分组到达速率以及分组平均大小计算得到第i条无线链路的时延di＝1/(2μCi)+1/(μCi-λi)，其中1/μ为分组平均大小，Ci和λi分别为第i条无线链路的容量及分组到达速率。
优选的，所述步骤S1中，根据各链路时延给出第j条并行路径的总时延计算方法为Dj＝DOpart+∑di，其中，DOpart是该条并行路径中光纤链路的时延，∑di为该条并行路径中无线链路部分的时延之和；以各链路的时延作为权重，根据搜索算法选出N条时延最短路径作为并行传输路径。
优选的，所述步骤S2中，网络编码方法如下：
采用随机线性网络编码方法，大小为F比特的原始数据划分为m个大小为F/m比特的分组S0,S1,...,Sm；对于第j次传输机会，光线路终端随机生成一个编码分组
其中gj,i为均匀随机地从大小为q的有限域Fq中选出来的编码系数，该编码分组包含F/m个比特，[gj,0,gj,1,…,gj,m-1]为编码分组Rj的编码向量，占据mlog2q比特的大小，作为头部开销附在编码分组的头部一起传输；
采用稀疏网络编码方法，大小为F比特的原始数据划分为m个大小为F/m比特的分组S0,S1,...,Sm，光线路终端首先从m个源数据分组中随机挑选出d个分组组成一个子集，其中d＜m，在接下来的b次传输中，光线路终端在该子集中按照随机线性网络编码方法生成编码分组，b为该子集的传输次数，b次传输结束后，光线路终端用相同方法重新建立新的子集，以此循环。此方法的每个编码分组的头部开销约为dlog2q个比特。
优选的，所述步骤S2中，根据传输层中的用户数据报传输协议，光线路终端将编码后的分组采用广播的方式发送给无线光网络单元。
优选的，所述步骤S3中，除源节点和目的节点外，中间节点仅负责转发数据包。在下行传输中，光线路终端为源节点，工业物联网设备终端为目的节点。
优选的，所述步骤S4中，目的终端只要接收到m个线性无关的编码分组，就可以通过高斯消去法求解线性方程组进行解码，恢复原始数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明在采取无线光纤混合网络架构的基于软件定义网络的工业物联网中，结合网络编码技术，提出了一种数据并行传输方法。与当前主流传输方法相比，本方法在设备链路发生故障时不需要任何数据重传或重路由，并能够有效地降低丢包率对网络传输性能的影响，在提高可靠性的同时，显著缩短数据传输的完成时间，提高网络的有效吞吐量。
附图说明
图1为本发明采取的工业物联网中基于软件定义网络的无线光纤混合接入网络架构示意图；
图2为本发明提出的无线光纤混合网络场景下工业物联网数据可靠传输方法的步骤流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
网络架构为工业物联网中基于软件定义网络的无线光纤混合接入网络，如图1所示，整个网络可以分为前端和后端两部分。工业无线拓扑网络位于前端，由机械、无线路由器、机器人和工人用户等智能终端组成。无源光网络作为光纤回程位于后端。与光网络单元直接为用户提供服务的标准无源光网络不同，在本网络架构中，光网络单元与无线前端的基站连接，并配备无线收发功能，因此这些光网络单元被称为无线光网络单元，它们充当关联无源光网络部分和无线拓扑网络部分的网关。无源光网络部分包括光线路终端和光分路器，光线路终端的上行通过软件定义网络控制器连接骨干网，下行与光分路器相连，光分路器与网络前端的无线拓扑网相连。考虑到工业现场的网络覆盖，所有智能设备节点通常通过多个无线光网络单元连接到单个光线路终端。
基于以上网络场景，本发明提出的一种无线光纤混合网络场景下工业物联网数据可靠传输方法，具体步骤如图2所示，下面对各步骤进行详细说明。
S1：软件定义网络控制器计算出网络中各条链路的时延信息，根据时延信息选择最优并行传输路径；
网络中各链路时延信息的计算方法以及根据时延信息选择最优并行传输路径步骤如下：
在无源光网络部分，光线路终端采用广播的方式将数据发送给多个无线光网络单元，根据光线路终端与无线光网络单元之间的距离计算得到各条光纤链路的时延DOpart＝Li/Soptical，其中Li表示光线路终端与第i个无线光网络单元之间的距离，Soptical是光信号在光纤中的传输速度。
在无线拓扑网络部分，从无线光网络单元到各终端设备节点的端到端时延由传播延迟、传输延迟、时隙同步延迟和排队延迟四部分组成。传输延迟和时隙同步延迟取决于无线链路的容量和分组平均大小。排队延迟和无线链路上的分组到达速率以及服务速率有关。因此根据各无线链路的容量、分组到达速率以及分组平均大小计算得到第i条无线链路的时延di＝1/(2μCi)+1/(μCi-λi)，其中1μ为分组平均大小，Ci和λi分别为第i条无线链路的容量及分组到达速率。
根据各链路时延给出第j条并行路径的总时延计算方法为Dj＝DOpart+∑di，其中，DOpart是该条并行路径中光纤链路的时延，∑di为该条并行路径中无线链路部分的时延之和；以各链路的时延作为权重，根据搜索算法选出N条时延最短路径作为并行传输路径。
S2：光线路终端将原始数据进行编码并广播给无线光网络单元；其中编码方法如下：
采用随机线性网络编码方法，大小为F比特的原始数据划分为m个大小为F/m比特的分组S0,S1,...,Sm；对于第j次传输机会，光线路终端随机生成一个编码分组
其中gj,i为均匀随机地从大小为q的有限域Fq中选出来的编码系数，该编码分组包含F/m个比特，[gj,0,gj,1,…,gj,m-1]为编码分组Rj的编码向量，占据mlog2q比特的大小，作为头部开销附在编码分组的头部一起传输。
采用稀疏网络编码方法，大小为F比特的原始数据划分为m个大小为F/m比特的分组S0,S1,...,Sm。光线路终端首先从m个源数据分组中随机挑选出d个分组组成一个子集，其中d＜m，在接下来的b次传输中，光线路终端在该子集中按照随机线性网络编码方法生成编码分组，b为该子集的传输次数，b次传输结束后，光线路终端用相同方法重新建立新的子集，以此循环。此方法的每个编码分组的头部开销约为dlog2q个比特。
采用稀疏网络编码相比于随机线性网络编码，旨在有效降低编、译码复杂度以及头部开销。根据传输层中的用户数据报传输协议，光线路终端将编码后的分组采用广播的方式发送给无线光网络单元。
S3：无线光网络单元通过并行多跳路径将编码分组转发到目的终端；
无线光网络单元通过N条并行多跳路径将编码分组转发到目的终端。除源节点和目的节点外，中间节点仅负责转发数据包。在下行传输中，光线路终端为源节点，工业物联网设备终端为目的节点。
S4：目的终端实施解码操作，恢复原始数据。
目的终端只要接收到m个线性无关的编码分组，就可以通过高斯消去法求解线性方程组进行解码，恢复原始数据。
综上所述，本发明在采取无线光纤混合网络架构的基于软件定义网络的工业物联网中，结合网络编码技术，提出了一种数据并行传输方法。与当前主流传输方法相比，本方法在设备链路发生故障时不需要任何数据重传或重路由，并能够有效地降低丢包率对网络传输性能的影响，在提高可靠性的同时，显著缩短数据传输的完成时间，提高网络的有效吞吐量。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (7)
1.一种无线光纤混合网络场景下工业物联网数据可靠传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：软件定义网络控制器计算出网络中各条链路的时延信息，根据时延信息选择最优并行传输路径；
S2：光线路终端将原始数据进行编码并广播给无线光网络单元；
S3：无线光网络单元通过并行多跳路径将编码分组转发到目的终端；
S4：目的终端实施解码操作，恢复原始数据。
2.根据权利要求1所述的一种无线光纤混合网络场景下工业物联网数据可靠传输方法，其特征在于，所述步骤S1中，网络中各链路时延信息的计算方法如下：
T1、在无源光网络部分，光线路终端采用广播的方式将数据发送给多个无线光网络单元，根据光线路终端与无线光网络单元之间的距离计算得到各条光纤链路的时延DOpart＝Li/Soptical，其中Li表示光线路终端与第i个无线光网络单元之间的距离，Soptical是光信号在光纤中的传输速度；
T2、在无线拓扑网络部分，根据各无线链路的容量、分组到达速率以及分组平均大小计算得到第i条无线链路的时延di＝1/(2μCi)+1/(μCi-λi)，其中1/μ为分组平均大小，Ci和λi分别为第i条无线链路的容量及分组到达速率。
3.根据权利要求1所述的一种无线光纤混合网络场景下工业物联网数据可靠传输方法，其特征在于，所述步骤S1中，根据各链路时延给出第j条并行路径的总时延计算方法为Dj＝DOpart+∑di，其中，DOpart是该条并行路径中光纤链路的时延，∑di为该条并行路径中无线链路部分的时延之和；以各链路的时延作为权重，根据搜索算法选出N条时延最短路径作为并行传输路径。
4.根据权利要求1所述的一种无线光纤混合网络场景下工业物联网数据可靠传输方法，其特征在于，所述步骤S2中，网络编码方法如下：
采用随机线性网络编码方法，大小为F比特的原始数据划分为m个大小为F/m比特的分组S0,S1,...,Sm；对于第j次传输机会，光线路终端随机生成一个编码分组
其中gj,i为均匀随机地从大小为q的有限域Fq中选出来的编码系数，该编码分组包含F/m个比特，[gj,0,gj,1,…,gj,m-1]为编码分组Rj的编码向量，占据mlog2q比特的大小，作为头部开销附在编码分组的头部一起传输；
采用稀疏网络编码方法，大小为F比特的原始数据划分为m个大小为F/m比特的分组S0,S1,...,Sm，光线路终端首先从m个源数据分组中随机挑选出d个分组组成一个子集，其中d＜m，在接下来的b次传输中，光线路终端在该子集中按照随机线性网络编码方法生成编码分组，b为该子集的传输次数，b次传输结束后，光线路终端用相同方法重新建立新的子集，以此循环，此方法的每个编码分组的头部开销约为dlog2q个比特。
5.根据权利要求1所述的一种无线光纤混合网络场景下工业物联网数据可靠传输方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据传输层中的用户数据报传输协议，光线路终端将编码后的分组采用广播的方式发送给无线光网络单元。
6.根据权利要求1所述的一种无线光纤混合网络场景下工业物联网数据可靠传输方法，其特征在于，所述步骤S3中，除源节点和目的节点外，中间节点负责转发数据包；在下行传输中，光线路终端为源节点，工业物联网设备终端为目的节点。
7.根据权利要求1所述的一种无线光纤混合网络场景下工业物联网数据可靠传输方法，其特征在于，所述步骤S4中，目的终端接收到m个线性无关的编码分组，通过高斯消去法求解线性方程组进行解码，恢复原始数据。
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