CN114520993B - 基于信道质量监测的无线传输系统网络自优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及工业无线传输系统领域，具体地说是一种基于射频信道质量监测的网络自动维持及保障传输速率的网络自维护方法。包括以下步骤：动态控制单元持续监测WIA‑FA远端无线传输单元与WIA‑FA中心无线传输单元连接的信道信息，根据监测到的信道信息情况对WIA‑FA远端无线传输单元进行自动功率控制，当信道质量无法通过功率控制改善时，控制天线调节执行机构调节天线水平角度，WIA‑FA远端无线传输单元切换备用WIA‑FA中心无线传输单元并进行天线自动对准。信道质量无法通过切换中心站改善时，执行自主学习过程，刷新接入邻居表，自主切换中心站并完成天线对准及自动功率控制。本发明有效降低人工成本、提高网络维护效率、缩短网络故障时间，以此保证工业无线传输系统的传输稳定性。

Description

基于信道质量监测的无线传输系统网络自优化方法
技术领域
本发明涉及工业无线传输系统的自维护方法，具体地说是一种基于信道质量监测的无线传输系统网络自优化方法。
背景技术
近年来，基于无线技术的工业数据采集与控制系统日益完善，工厂智能化建设项目飞速发展。随着技术的不断演进，对系统中传输网络低延时、高带宽的要求也在不断升高。工业无线传输系统凭借着其部署方便、施工成本低、无需停产部署等优势越来越多的应用到工业数字化项目建设中，工业无线传输系统作为骨干传输网络，在整个工业数字化项目中起到至关重要的作用，其运行稳定性也直接决定了整个项目是否能够稳定运行。
目前常见的工业无线传输系统均采用基于802.11协议族的无线传输设备进行组网实现主干传输网络的构建，其无线通信频段高度重合在2.4GHz与5.8GHz两个免牌照频段。随着工业无线传输系统的不断增加，部署越发密集，新建无线传输系统干扰已建成无线传输系统而导致的网络拥塞、网络瘫痪故障时有发生，主干网络一旦中断，将出现大量的生产过程数据丢失；同时，工业无线传输系统经常被部署在野外现场，树木生长、雨衰雪衰等自然环境的变化也将对工业无线传输系统运行稳定性产生影响。这就出现了工业无线传输系统维护频率高、难度大、响应不及时的现状，而这些问题也将直接影响到整个工业数字化项目的运行稳定性。
在采油行业的数字化建设中，被监测的生产装置部署在方圆几十公里广泛的野外现场环境，由于有线网络部署成本高、施工难度大等问题，工业无线传输网络在油田工业物联网项目的部署越来越多。而正是由于工业无线传输网络在野外恶劣、复杂、多变的环境中使用，系统从完成部署到投入运行，稳定期通常情况下不超过一年就会出现各类的传输问题，需要不定期的对无线传输系统进行现场维护及故障排查。现有系统的维护与排查是通过人工处理的方式进行的，通常情况下需要2-3个技术人员带着一台举升车到现场进行天线的重新对准或中心站的重新选择，而设备的安装地点距离市区最近的距离也要40公里以上，一次维护成本通常在3000至5000元，系统维护产生了巨额的后期维护费用，这也是阻碍工业无线传输系统在工业行业进一步发展的主要因素。
根据多年的无线传输系统维护经验，引起上述故障的主要原因有三点：1.自然环境的变化使得系统内设备的无线通信由可视传输变为不可视传输，简单说来由于两台无线设备间树木新生枝叶的生长阻挡了原有的无线传输路径，新出现的高大建筑阻挡了原有的无线传输路径，这些都是无线通信由可视传输变为不可视传输的原因；2.中心站的宕机导致了大面积数据丢失，通常情况下一个中心站会接入几十个甚至上百个WIA-FA远端无线传输单元的数据，而一个WIA-FA远端无线传输单元承载着上百个现场监测点的数据传输任务，当出现中心站停电中心设备宕机的情况，就意味着几千点的数据丢失，影响范围及广。3.新建成无线传输系统不合理的信号辐射，对已建成系统的射频干扰，该影响通常情况下不会使设备间的传输中断，而是导致系统传输带宽下降，进而导致数据拥塞、数据丢失。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供基于信道质量监测的无线传输系统网络自优化方法，实现了无需人为干预的工业无线传输系统网络自动维护。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：基于信道质量监测的无线传输系统网络自优化方法，包括以下步骤：
网络环境检测模块，根据通过WIA-FA远端无线传输单元首次开通时进行无线网络环境监测的监测结果生成接入邻居表；
信道监测模块，执行信道监测，当监测到的信道信息符合设定要求时，进入自动功率控制模块；
自动功率控制模块，根据信道信息对WIA-FA远端无线传输单元进行自动功率控制；
中心站自动切换模块，根据接入邻居表自动切换中心站；
自主学习模块，对于某个中心站，通过自主学习控制天线调节执行机构，使天线旋转到自主学习的最优位置。
所述信道监测模块，执行以下步骤：
2-1)周期读取WIA-FA远端无线传输单元采集到的服务端WIA-FA中心无线传输单元的包括信号质量值和信号强度值的信道信息；
2-2)将采集的信道信息分组，对每组分别统计信号质量值和信号强度值的平均值作为后续步骤的信号质量值、信号强度值；将信号质量值、信号强度值分别与预设阈值比较；当信号质量值、信号强度值中至少一个超过预设阈值时，进入自动功率控制模块；否则，返回步骤2-1)。
所述自动功率控制模块，执行以下步骤：
当信号强度值PR大于信号强度上门限值PU时，向WIA-FA远端无线传输单元射频模块写入PR-PU+5的衰减值，返回信道监测模块；
当信号强度值PR小于信号强度下门限值PD时，查询WIA-FA远端无线传输单元射频模块的衰减值Q衰；
当Q衰≥PD-PR+5时，向WIA-FA远端无线传输单元射频模块写入Q衰-PD+PR-5的衰减值，返回信道监测模块；
当Q衰＜PD-PR+5时，将WIA-FA远端无线传输单元射频模块衰减值清0，进入中心站自动切换模块；
当信号强度值PR在信号强度上门限值PU与信号强度下门限值PD之间时，将WIA-FA远端无线传输单元射频模块衰减值清0，监测信号质量值；如果信号质量值大于门限值，则返回信道监测模块；否则，进入中心站自动切换模块。
所述中心站自动切换模块，执行以下步骤：
4-1)查找接入邻居表，并控制天线调节执行机构使天线转向下一个优先级中心站方向；
4-2)将所述中心站的信道号写入WIA-FA远端无线传输单元，使WIA-FA远端无线传输单元切换到所述中心站的WIA-FA中心无线传输单元；
4-3)执行信道监测模块的步骤2-1)；
当信号强度值与信号质量值均在阈值范围内时，执行天线水平角度微调、天线垂直角度微调程序，完成天线的对准，并将原接入的中心站点信息从接入邻居表中删除，其余邻居优先级依次进行升级；
当信号强度值与信号质量值不在阈值范围内时，返回步骤4-1)以进行下一优先级中心站切换，直至接入邻居表中可用邻居数量为0时，进入自主学习模块。
所述执行天线水平角度微调程序，包括以下步骤：
1)控制天线调节执行机构顺时针水平旋转1°，并在当前位置停留若干秒钟；
2)多次采集WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的服务端WIA-FA中心无线传输单元的水平信号强度值；
3)将采集到的水平信号强度值取平均值，并保存；
4)循环执行步骤1)～步骤3)M次；
5)控制天线调节执行机构逆时针水平旋转M°回到原点；
6)控制天线调节执行机构逆时针水平旋转1°，并在当前位置停留若干秒钟；
7)多次采集WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的服务端WIA-FA中心无线传输单元的水平信号强度值；
8)将采集到的水平信号强度值取平均值，并保存；
9)循环执行步骤6)～步骤8)M次；
10)将天线在原点位置、2M个悬停点位置的信号强度采样值进行比较，选取其中的极大值，极大值对应的天线旋转位置即为天线最优水平微调角度；
11)控制天线调节执行机构旋转到天线最优水平微调角度。
所述执行天线垂直角度微调程序，包括以下步骤：
6-1)控制天线调节执行机构垂直方向向上旋转1°，并在当前位置停留若干秒钟；
6-2)多次采集WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的服务端WIA-FA中心无线传输单元的垂直信号强度值；
6-3)将采集到的垂直信号强度值取平均值，并保存；
6-4)循环执行步骤6-1)～步骤6-3)2M次；
6-5)控制天线调节执行机构垂直方向向下旋转2M°回到原点；
6-6)控制天线调节执行机构垂直方向向下旋转1°，并在当前位置停留若干秒钟；
6-7)多次采集WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的服务端WIA-FA中心无线传输单元的垂直信号强度值；
6-8)将采集到的垂直信号强度值取平均值，并保存；
6-9)循环执行步骤6-6)～步骤6-8)2M次；
6-10)将天线在原点位置、4M个悬停点位置的垂直信号强度采样值进行比较，选取其中的极大值，极大值对应的天线旋转位置即为天线最优垂直微调角度；
6-11)控制天线调节执行机构旋转到天线最优垂直微调角度。
所述自主学习模块，执行以下步骤：
控制天线调节执行机构，使定向天线旋转到安装时的初始位置，开始自主学习：
7-1)控制天线调节执行机构水平方向顺时针旋转10°；
7-2)记录天线调节执行机构的当前水平旋转角度，控制天线调节执行机构保持静止T秒钟；
7-3)采集WIA-FA远端无线传输单元在天线调节执行机构保持静止时间内所搜索到的、与WIA-FA远端无线传输单元具有相同SSID的中心站WIA-FA中心无线传输单元包含水平信号强度值、信道质量值的信道信息N次，并记录信道号；
7-4)如果未采集到中心站的信道信息，则返回步骤7-3)；
如果采集到中心站的信道信息，则将采集到的水平信号强度值、信道质量值分别去掉2个最大值，去掉2个最小值，其余6个采样值取平均值，按照当前水平旋转角度、所搜索到的中心站WIA-FA中心无线传输单元信道号、水平信号强度值、信道质量值的列表结构进行保存；
7-5)返回步骤1)，循环执行36次，使天线调节执行机构旋转一周回到原点；记录定向天线水平旋转一周搜索到的所有中心站WIA-FA中心无线传输单元的信道信息；
7-6)对采集到的信道信息进行信道质量量化计算：
根据信道质量量化值YQ大小对36个步进点进行降序排序；当数组中出现YQ值相同时，进行信号强度值PR值比较，根据PR值进行降序排序以表示优先级降序，按照排序结果生成并更新接入邻居表。
所述信道质量量化计算如下：
YQ＝(100+PR)*2/100+QR
其中，YQ表示信道质量量化值，PR表示信号强度值，QR表示信号质量值。
基于信道质量监测的无线传输系统网络自优化系统，包括以下步骤：
网络环境检测模块，用于根据通过WIA-FA远端无线传输单元首次开通时进行无线网络环境监测的监测结果生成接入邻居表；
信道监测模块，用于执行信道监测，当监测到的信道信息符合设定要求时，转入自动功率控制模块；
自动功率控制模块，用于根据信道信息对WIA-FA远端无线传输单元进行自动功率控制；
中心站自动切换模块，用于根据接入邻居表自动切换中心站；
自主学习模块，用于对于某个中心站，通过自主学习控制天线调节执行机构，使天线旋转到自主学习的最优位置。
一种基于信道质量监测的自组网无线传输装置，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现所述的基于信道质量监测的无线传输系统网络自优化方法。
本发明具有以下有益效果及优点：
基于信道质量监测的无线传输系统网络自优化方法以无线传输系统射频调制列表为依据，根据接收机的接收信号电平强度值与接收信号质量值来判断传输系统网络容量与传输性能，可快速识别无线网络性下降趋势，准确完成无线网络的自动优化。
基于信道质量监测的无线传输系统网络自优化方法在工业油田现场应用时，通过网络自优化流程的执行，实现了无需人为干预，网络故障自动优化。本发明通过创建接入邻居表，对备选WIA-FA中心无线传输单元进行射频信息存储，WIA-FA远端无线传输单元可以通过查表的方式快速实现网络切换，当自然环境的变化使得系统内设备的无线通信由可视传输变为不可视传输发生时，通过本发明的信道监测与阈值判断技术进行问题识别，WIA-FA远端无线传输单元快速切换到备用的WIA-FA中心无线传输单元，在最短的时间内恢复网络减少现场数据丢失，网络恢复时间降低到5分钟左右，而原有的人工故障排查时间通常情况下在4小时以上；通过本发明的自动功率控制技术，可以动态控制WIA-FA远端无线传输单元的射频信号辐射强度，实现对周边无线环境的射频干扰电平降低30％以上，进而改善整个大系统的无线传输环境，极大的降低了新建无线传输系统对已建成无线传输系统的无线射频干扰。通过本发明的自主学习流程，WIA-FA远端无线传输站点在邻居表内中心站点不可用时，动态收集周边WIA-FA中心无线传输单元的射频信息、更新接入邻居表，以次保证邻居表的先进性，当中心站点出现宕机、停电等故障时，可以在5分钟时间内完成全部远端无线传输单元的自动中心站点切换，减少用户数据丢失。
本发明可在无人为干预的条件下5分钟内完成故障无线网络的自动恢复，网络恢复响应时间仅为现有人工网络恢复响应时间的1/50，大大提高了网络维护效率，有效保障了传输系统稳定性。另外，真正意义上实现了无线网络的自动维护，在未出现硬件故障的情况下无需任何人工投入，大大节约了无线传输系统的整体维护成本。
附图说明
图1是本发明的系统组成框图；
其中，11服务器，12数据库，13工业以太网，14WIA-FA中心无线传输单元、15扇区天线，16定向天线，17天线调节执行机构，18动态控制单元，19WIA-FA远端无线传输单元；
图2是本发明的动态控制单元结构组成框图；
其中，21外壳，22电源模块，23处理器模块，24通信模块，25继电器模块；
图3是本发明的系统实施流程图；
图4是本发明的信道监测与阈值判断流程图；
图5是本发明的自动功率控制流程图；
图6是本发明的中心站自动切换流程图；
图7是本发明的自主学习流程图；
图8是本发明的天线调节执行机构安装示意图；
图9是本发明的天线调节执行机构结构组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
为使本发明的上述目的、特征和有点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本发明涉及工业无线传输系统领域，具体地说是一种基于射频信道质量监测的网络自动维持及保障传输速率的网络自维护方法。本发明包括以下步骤：
动态控制单元持续监测WIA-FA远端无线传输单元与WIA-FA中心无线传输单元连接的信道信息，动态控制单元根据监测到的信道信息情况对WIA-FA远端无线传输单元进行自动功率控制，当信道质量无法通过功率控制改善时，动态控制单元控制天线调节执行机构调节天线水平角度，WIA-FA远端无线传输单元切换备用WIA-FA中心无线传输单元并进行天线自动对准。信道质量无法通过切换中心站改善时，动态控制单元执行自主学习过程，刷新接入邻居表，自主切换中心站并完成天线对准及自动功率控制。本发明通过以上方法实现信道质量自动监测及无线网络自动维护，有效降低人工成本、提高网络维护效率、缩短网络故障时间，以此保证工业无线传输系统的传输稳定性。
基于信道质量监测的无线传输系统网络自优化方法，包括以下步骤：
WIA-FA远端无线传输单元首次开通时将进行无线网络环境监测；
动态控制单元将根据无线网络环境监测结果生成接入邻居表，并将表格存入存储器中；
动态控制单元持续进行信道监测与阈值判断；
动态控制单元周期读取WIA-FA远端无线传输单元射频模块采集到的WIA-FA中心无线传输单元的信道信息；
采集数据分组，统计平均值，防止信号抖动引起的误动作；
动态控制单元将计算的信号强度平均值与预设阈值比较，当信号强度值高于上门限值时，对WIA-FA远端无线传输单元射频模块进行衰减；
当信号强度值低于下门限值时，对WIA-FA远端无线传输单元射频模块衰减值放开；
当信号质量值低于门限值时，对WIA-FA远端无线传输单元射频模块衰减值放开；
动态控制单元进行信道质量监测，判断是否执行中心站自动切换策略；
进入中心站自动切换策略，动态控制单元查找接入邻居表，并控制天线调节执行机构尝试连接第二优先级中心站；
第二优先级中心站不达标时，动态控制单元控制天线调节执行机构尝试连接第三优先级中心站；
以此类推，直至可用中心站数量变为0为止；
WIA-FA中心无线传输单元具备接入负载容量监测功能，当前接入的远端传输单元的负载数据达到网络峰值带宽时，WIA-FA中心无线传输单元将对发送加入请求的远端传输单元回复退避应答，避免出现过多WIA-FA远端无线传输单元加入到WIA-FA中心无线传输单元而引起的网络拥塞；
中心站切换成功后，动态控制单元控制天线调节执行机构进行天线水平角度、垂直角度微调；
所述的水平天线角度微调的步骤如下：
天线调节执行机构水平±5°旋转，记录所连接的WIA-FA中心无线传输单元的信道信息；
动态控制单元对采集到的WIA-FA中心无线传输单元的信道信息取均值；
动态控制单元将计算结果存入存储器中；
动态控制单元控制天线调节执行机构进行天线水平角度微调；
动态控制单元控制系统进行垂直天线角度微调；
所述的垂直天线角度微调的步骤如下：
天线调节执行机构垂直±10°旋转，记录所连接的WIA-FA中心无线传输单元的信道信息；
动态控制单元对采集到的WIA-FA中心无线传输单元的信道信息取均值；
动态控制单元将计算结果存入存储器中；
动态控制单元控制天线调节执行机构进行天线垂直角度微调；
完成天线水平、垂直调节后，动态控制单元进行信道质量监测，判断是否执行自主学习策略；
进入自主学习策略后，动态控制单元控制天线调节执行机构将天线旋转到初始安装位置；
动态控制单元控制天线调节执行机构以10°为步进点进行水平360°旋转；
动态控制单元记录每个步进点的信道质量信息；
动态控制单元对信道质量进行量化计算，其计算公式如下；
YQ＝(100+PR)*2/100+QR
YQ：信道质量量化值PR：信号强度值QR：信号质量值
动态控制单元根据信道质量量化值大小对36个步进点进行降序排序，当数组中出现YQ值相同时，进行PR值比较，PR值较大者具有更高优级，按照排序结果更新接入邻居表。
动态控制单元进行信道质量监测，判断是否执行告警上报；
当自主学习后自动切换的中心站仍不能够达到阈值要求时，执行告警上报，运维人员可在远程服务器端查看到报警信息，并可及时到达现场开展人工运维工作。
本发明包括服务器、数据库、工业以太网、WIA-FA中心无线传输单元、WIA-FA远端无线传输单元、动态控制单元、扇区天线、定性天线、天线调节执行机构。其中，服务器、数据库、工业以太网、WIA-FA中心无线传输单元和扇区天线构成服务端，WIA-FA远端无线传输单元、动态控制单元、定性天线、天线调节执行机构构成远端站。
所述的WIA-FA中心无线传输单元包括处理器模块及与其连接的外设端口模块、数据交换模块、状态指示灯模块、电源管理模块和WIA-FA通信模块。
所述的WIA-FA远端无线传输单元包括处理器模块及与其连接的外设端口模块、数据交换模块、状态指示灯模块、电源管理模块和WIA-FA通信模块。
所述的动态控制单元包括处理器模块、通信模块、继电器模块和电源模块。
图1描述了基于信道质量监测的自组网无线传输系统及其方法的组成及基本连接：WIA-FA中心无线传输单元安装在数据落地点周边的通信塔上，通常情况下每个通信塔上安装3-6个WIA-FA中心无线传输单元，服务器及数据库通过工业以太网连接WIA-FA中心无线传输单元，实现与WIA-FA网络所有连接的以太网设备的数据交互；WIA-FA中心无线传输单元通过射频线缆与扇区天线连接，实现扇区内无线网络覆盖；定向天线需要对准扇区天线接收WIA-FA中心无线传输单元的空间信号；定向天线与WIA-FA远端无线传输单元通过射频线缆连接，WIA-FA远端无线传输单元分布在WIA-FA中心无线传输单元覆盖扇区内，通过5.8GHz频率射频信号与WIA-FA中心无线传输单元实现无线组网及数据传输；动态控制单元通过串口连接WIA-FA远端无线传输单元，采集WIA-FA远端无线传输单元与WIA-FA中心无线传输单元通信信道信息；天线调节执行机构是一种具备水平旋转、垂直旋转功能的天线安装支架，通过DO接口连接动态控制单元，实现其水平、垂直方向调节；定向天线以抱杆的方式安装在天线调节执行机构上，通过天线调节执行机构控制其水平360°、垂直±10°方向调节；通过以上连接关系最终实现动态控制单元控制WIA-FA远端无线传输单元锁定信道质量最优的WIA-FA中心无线传输单元，控制定向天线自动对准扇区天线，以及对WIA-FA远端无线传输单元进行自动功率控制。
动态控制单元结构组成框图如图2所示，包括外壳及设置于外壳内的电子器件组成，主要包括电源模块，处理器模块，通信模块，继电器模块。
电源模块为动态控制单元内部各功能模块提供供电。电源模块为AC220V输入DC24V输出的交直流转换模块，各单元之间采用隔离电源形式，防止单元间相互干扰。
处理器模块包括处理器和存储器两部分，主要负责WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的WIA-FA中心无线传输单元信道信息采集、接入邻居表生成与存储、自动功率控制指令下发及天线调节执行机构的控制指令下发。
通信模块支持1路RS232接口，用于动态控制单元与WIA-FA远端无线传输单元的数据交互。
继电器模块支持4路数字量输出，分别对应继电器1控制水平顺时针旋转、继电器2控制水平逆时针旋转、继电器3控制垂直向上旋转、继电器4控制垂直向下旋转。
如图3所示，本发明的目的是提供一种工业无线网络自动监测及自动优化的方法，无需人为干预实现无线网络的快速优化调整。具体包括以下步骤：
WIA-FA远端无线传输单元首次开通时将进行WIA-FA中心无线传输单元探测，并选择最优WIA-FA中心无线传输单元进行接入，在这个自动接入的过程中，动态控制单元将对WIA-FA远端无线传输单元所处的无线网络环境信息进行检测与记录，动态控制单元将根据网络环境监测结果生成接入邻居表，并将表格存储在存储器中；
WIA-FA远端无线传输单元接入到WIA-FA中心无线传输单元后，进入正常工作状态，持续进行信道监测与阈值判断；
图4详细描述了信道监测与阈值判断的方法。动态控制单元500ms为周期读取WIA-FA远端无线传输单元射频模块采集到的WIA-FA中心无线传输单元的信道信息，采集的信道信息内容包括信号质量值和信号强度值，为防止射频信号抖动引起的误操作，动态控制单元以每100包数据为一组数据统计周期，将采集到的100包数据取平均值，使用计算后的平均值作为阈值判断的输入条件；系统默认信号强度的上门限阈值为-45dBm、信号强度的下门限阈值为-80dBm、信号质量的阈值为60％，阈值支持本地配置软件修改；当判断结果为信号强度、信号质量均在阈值范围内时，循环执行信道信息采集与阈值判断程序；当判断结果为信号强度、信号质量任何一个出现在阈值范围外时，进入自动功率控制模块。
图5详细描述了自动功率控制方法。进入自动功率控制模块后，动态控制单元通过信号强度比较计算执行下一步操作，当信号强度值PR大于信号强度上门限值PU时，动态控制单元通过串口向WIA-FA远端无线传输单元射频模块写入PR-PU+5的衰减值，返回到信道监测模块；当信号强度值PR小于信号强度下门限值PD时，动态控制单元通过串口查询WIA-FA远端无线传输单元射频模块的衰减值，当Q衰≥PD-PR+5时(Q衰为射频模块的衰减值)，动态控制单元通过串口向WIA-FA远端无线传输单元射频模块写入Q衰-PD+PR-5的衰减值，返回到信道监测模块，当Q衰＜PD-PR+5时，动态控制单元通过串口将WIA-FA远端无线传输单元射频模块衰减值清0，进入中心站自动切换模块；当信号强度值PR在信号强度上门限值PU与信号强度下门限值PD之间时，可以确定是由于信号质量值低于阈值导致进入了功率控制模块，动态控制单元通过串口将WIA-FA远端无线传输单元射频模块衰减值清0，动态控制单元监测信号质量值，如果信号质量值大于门限值，则返回信道监测模块，如果信号质量值仍低于门限值，则进入中心站自动切换模块。
图6详细描述了中心站自动切换的方法。进入中心站自动切换模块后，动态控制单元查找接入邻居表，并控制天线调节执行机构将天线转向下一个优先级中心站方向，动态控制单元将该中心站设备的信道号通过串口写入WIA-FA远端无线传输单元，WIA-FA远端无线传输单元将切换到该WIA-FA中心无线传输单元，动态控制单元执行信道信息采集，并进行阈值判断，当信号强度值与信号质量值均在阈值范围内时，动态控制单元执行天线水平角度微调、天线垂直角度微调程序，完成天线的精确对准，并将原接入的中心站点信息从邻居表中删除，其余邻居优先级依次进行升级；当信号强度值与信号质量值不在阈值范围内时，按照上述流程进行下一优先级设备切换，直至可用邻居数量为0时，进入自主学习模块。
其中，动态控制单元执行天线水平角度微调程序，具体如下：
动态控制单元控制天线调节执行机构顺时针水平旋转1°，并在当前位置停留2秒钟；
动态控制单元通过串口以500ms周期采集WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的WIA-FA中心无线传输单元的水平信号强度值，共计采集4次；
动态控制单元将采集到的水平信号强度值取平均值，并写入其内部存储器中；
上述流程循序执行5次；
动态控制单元控制天线调节执行机构逆时针水平旋转5°回到原点；
动态控制单元控制天线调节执行机构逆时针水平旋转1°，并在当前位置停留2秒钟；
动态控制单元通过串口以500ms周期采集WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的WIA-FA中心无线传输单元的水平信号强度值，共计采集4次；
动态控制单元将采集到的水平信号强度值取平均值，并写入其内部存储器中；
上述流程循序执行5次；
动态控制单元将天线在原点位置、10个悬停点位置的信号强度采样值进行比较，选取其中的极大值，进而确定天线最优水平微调角度；
动态控制单元控制天线调节执行机构旋转到天线最优水平微调角度；
动态控制单元执行天线垂直角度微调程序，具体如下：
动态控制单元控制天线调节执行机构垂直向上旋转1°，并在当前位置停留2秒钟；
动态控制单元通过串口以500ms周期采集WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的WIA-FA中心无线传输单元的垂直信号强度值，共计采集4次；
动态控制单元将采集到的垂直信号强度值取平均值，并写入其内部存储器中；
上述流程循序执行10次；
动态控制单元控制天线调节执行机构垂直向下旋转10°回到原点；
动态控制单元控制天线调节执行机构垂直向下旋转1°，并在当前位置停留2秒钟；
动态控制单元通过串口以500ms周期采集WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的WIA-FA中心无线传输单元的垂直信号强度值，共计采集4次；
动态控制单元将采集到的垂直信号强度值取平均值，并写入其内部存储器中；
上述流程循序执行10次；
动态控制单元将天线在原点位置、20个悬停点位置的信号强度采样值进行比较，选取其中的极大值，进而确定天线最优垂直微调角度；
动态控制单元控制天线调节执行机构旋转到天线最优垂直微调角度。
WIA-FA中心无线传输单元具备接入负载容量监测功能，当前接入的远端传输单元的负载数据达到网络峰值带宽时，WIA-FA中心无线传输单元将对发送加入请求的远端传输单元回复退避应答，避免出现过多WIA-FA远端无线传输单元加入到WIA-FA中心无线传输单元而引起的网络拥塞。
图7详细描述了自主学习方法。进入自主学习模块后，动态控制单元控制天线调节执行机构将定向天线旋转到安装时的初始位置开始自主学习，动态控制单元控制天线调节执行机构水平方向顺时针旋转10°；天线调节执行机构到达预定位置后动态控制单元记录当前水平旋转角度，天线调节执行机构保持静止5秒钟；在天线调节执行机构保持静止时间内，WIA-FA远端无线传输单元持续搜索与其具有相同SSID的WIA-FA中心无线传输单元信号；动态控制单元通过串口以500ms周期采集WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的WIA-FA中心无线传输单元的水平信号强度值、信道质量值10次，并记录信道号；如果动态控制单元未采集到WIA-FA中心无线传输单元的信道信息，则返回第一步，再次执行WIA-FA中心无线传输单元搜索流程；如果动态控制单元采集到WIA-FA中心无线传输单元的信道信息，则将采集到的10组水平信号强度、信道质量采样值分别去掉2个最大值，去掉2个最小值，其余6个采样值取平均值，按照当前水平旋转角度、所搜索到的WIA-FA中心无线传输单元信道号、水平信号强度值、信道质量值的列表结构写入其存储器中；上述流程循序执行36次，天线调节执行机构正好旋转一周回到原点；动态控制单元记录下定向天线水平旋转一周搜索到的所有WIA-FA中心无线传输单元的信道信息；动态控制单元对采集到的信道信息进行信道质量量化计算，其计算公式为YQ＝(100+PR)*2/100+QR，动态控制单元根据信道质量量化值大小对36个步进点进行降序排序，当数组中出现YQ值相同时，进行PR值比较，PR值较大者具有更高优级，按照排序结果生成并更新接入邻居表。
完成自主学习后，再次进入中心站自动切换模块，如果WIA-FA远端无线传输单元切换到的最优中心站仍不能够达到要求时，执行告警上报，告警上报到远程服务器，网络运维人员接收到告警后，到达现场进行人工运维；如果WIA-FA远端无线传输单元切换到最优中心站后信道质量满足要求，则返回信道监测模块，进行信道质量的实时监测。
图8描述了天线调节执行机构的整体安装方式，天线调节执行机构主体部分20通过抱杆的安装方式固定在水泥杆50的顶部；天线调节执行机构上方设计了定向天线抱杆安装位置30，用于将定向天线固定在天线调节执行机构上方；可旋转底座40是执行水平选装与垂直角度调节的执行机构。
图9描述了可旋转底座40的组成部分，其包括驱动电机1即402、驱动电机2即403、支撑底座401、安装支架404、支撑板405和天线立柱406，其中驱动电机1402设于安装支架404上，支撑底座401设于驱动电机1上并通过所述驱动电机1驱动水平转动，支撑板405通过铰接轴铰接于所述支撑底座401上，驱动电机2403安装于所述支撑底座401上并且输出端与所述铰接轴固连，所述驱动电机2403驱动铰接轴转动进而驱动支撑板405俯仰转动，天线立柱406设于所述支撑板405上。本发明利用驱动电机1402驱动天线立柱406水平转动，利用驱动电机2403驱动天线立柱406俯仰摆动，从而实现其位置调节。
本发明所述的无线网络自优化方法，基于远端站信道质量的实时监测与计算，实现了无线网络故障的提前预判，可在无线网络环境出现恶化趋势时，提前实现网络的自动维护策略，消除了无线网络故障导致的长时间通信中断、数据丢失等问题。系统通过自主学习模块记录邻居信息、实现邻居接入优先级排序，可以在无线网络出现异常时进行快速的中心站切换，整个切换过程可在30秒内完成，减少了大量的网络自维护时间。本发明可以实现工业现场无线网络的快速自诊断、自优化与自维护功能，有效提高工业无线网络维护效率、降低网络维护人工成本。

Claims (6)

1.基于信道质量监测的无线传输系统网络自优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
网络环境检测模块，根据通过WIA-FA远端无线传输单元首次开通时进行无线网络环境监测的监测结果生成接入邻居表；
信道监测模块，执行信道监测，当监测到的信道信息符合设定要求时，进入自动功率控制模块；
自动功率控制模块，根据信道信息对WIA-FA远端无线传输单元进行自动功率控制；
中心站自动切换模块，根据接入邻居表自动切换中心站；
自主学习模块，对于某个中心站，通过自主学习控制天线调节执行机构，使天线旋转到自主学习的最优位置；
所述信道监测模块，执行以下步骤：
2-1)周期读取WIA-FA远端无线传输单元采集到的服务端WIA-FA中心无线传输单元的包括信号质量值和信号强度值的信道信息；
2-2)将采集的信道信息分组，对每组分别统计信号质量值和信号强度值的平均值作为后续步骤的信号质量值、信号强度值；将信号质量值、信号强度值分别与预设阈值比较；当信号质量值、信号强度值中至少一个超过预设阈值时，进入自动功率控制模块；否则，返回步骤2-1)；
所述中心站自动切换模块，执行以下步骤：
4-1)查找接入邻居表，并控制天线调节执行机构使天线转向下一个优先级中心站方向；
4-2)将所述中心站的信道号写入WIA-FA远端无线传输单元，使WIA-FA远端无线传输单元切换到所述中心站的WIA-FA中心无线传输单元；
4-3)执行信道监测模块的步骤2-1)；
当信号强度值与信号质量值均在阈值范围内时，执行天线水平角度微调、天线垂直角度微调程序，完成天线的对准，并将原接入的中心站点信息从接入邻居表中删除，其余邻居优先级依次进行升级；
当信号强度值与信号质量值不在阈值范围内时，返回步骤4-1)以进行下一优先级中心站切换，直至接入邻居表中可用邻居数量为0时，进入自主学习模块；
所述执行天线水平角度微调程序，包括以下步骤：
1)控制天线调节执行机构(17)顺时针水平旋转1°，并在当前位置停留若干秒钟；
2)多次采集WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的服务端WIA-FA中心无线传输单元的水平信号强度值；
3)将采集到的水平信号强度值取平均值，并保存；
4)循环执行步骤1)～步骤3)M次；
5)控制天线调节执行机构(17)逆时针水平旋转M°回到原点；
6)控制天线调节执行机构(17)逆时针水平旋转1°，并在当前位置停留若干秒钟；
7)多次采集WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的服务端WIA-FA中心无线传输单元的水平信号强度值；
8)将采集到的水平信号强度值取平均值，并保存；
9)循环执行步骤6)～步骤8)M次；
10)将天线在原点位置、2M个悬停点位置的信号强度采样值进行比较，选取其中的极大值，极大值对应的天线旋转位置即为天线最优水平微调角度；
11)控制天线调节执行机构(17)旋转到天线最优水平微调角度；
所述自主学习模块，执行以下步骤：
控制天线调节执行机构，使定向天线旋转到安装时的初始位置，开始自主学习：
7-1)控制天线调节执行机构(17)水平方向顺时针旋转10°；
7-2)记录天线调节执行机构(17)的当前水平旋转角度，控制天线调节执行机构(17)保持静止T秒钟；
7-3)采集WIA-FA远端无线传输单元(19)在天线调节执行机构(17)保持静止时间内所搜索到的、与WIA-FA远端无线传输单元(19)具有相同SSID的中心站WIA-FA中心无线传输单元包含水平信号强度值、信道质量值的信道信息N次，并记录信道号；
7-4)如果未采集到中心站的信道信息，则返回步骤7-3)；
如果采集到中心站的信道信息，则将采集到的水平信号强度值、信道质量值分别去掉2个最大值，去掉2个最小值，其余6个采样值取平均值，按照当前水平旋转角度、所搜索到的中心站WIA-FA中心无线传输单元信道号、水平信号强度值、信道质量值的列表结构进行保存；
7-5)返回步骤1)，循环执行36次，使天线调节执行机构(17)旋转一周回到原点；记录定向天线(16)水平旋转一周搜索到的所有中心站WIA-FA中心无线传输单元的信道信息；
7-6)对采集到的信道信息进行信道质量量化计算：
根据信道质量量化值YQ大小对36个步进点进行降序排序；当数组中出现YQ值相同时，进行信号强度值PR值比较，根据PR值进行降序排序以表示优先级降序，按照排序结果生成并更新接入邻居表。
2.根据权利要求1所述的基于信道质量监测的无线传输系统网络自优化方法，其特征在于，所述自动功率控制模块，执行以下步骤：
当信号强度值PR大于信号强度上门限值PU时，向WIA-FA远端无线传输单元射频模块写入PR-PU+5的衰减值，返回信道监测模块；
当信号强度值PR小于信号强度下门限值PD时，查询WIA-FA远端无线传输单元射频模块的衰减值Q衰；
当Q衰≥PD-PR+5时，向WIA-FA远端无线传输单元射频模块写入Q衰-PD+PR-5的衰减值，返回信道监测模块；
当Q衰＜PD-PR+5时，将WIA-FA远端无线传输单元射频模块衰减值清0，进入中心站自动切换模块；
当信号强度值PR在信号强度上门限值PU与信号强度下门限值PD之间时，将WIA-FA远端无线传输单元射频模块衰减值清0，监测信号质量值；如果信号质量值大于门限值，则返回信道监测模块；否则，进入中心站自动切换模块。
3.根据权利要求1所述的基于信道质量监测的无线传输系统网络自优化方法，其特征在于，所述执行天线垂直角度微调程序，包括以下步骤：
6-1)控制天线调节执行机构(17)垂直方向向上旋转1°，并在当前位置停留若干秒钟；
6-2)多次采集WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的服务端WIA-FA中心无线传输单元的垂直信号强度值；
6-3)将采集到的垂直信号强度值取平均值，并保存；
6-4)循环执行步骤6-1)～步骤6-3)2M次；
6-5)控制天线调节执行机构(17)垂直方向向下旋转2M°回到原点；
6-6)控制天线调节执行机构(17)垂直方向向下旋转1°，并在当前位置停留若干秒钟；
6-7)多次采集WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的服务端WIA-FA中心无线传输单元的垂直信号强度值；
6-8)将采集到的垂直信号强度值取平均值，并保存；
6-9)循环执行步骤6-6)～步骤6-8)2M次；
6-10)将天线在原点位置、4M个悬停点位置的垂直信号强度采样值进行比较，选取其中的极大值，极大值对应的天线旋转位置即为天线最优垂直微调角度；
6-11)控制天线调节执行机构(17)旋转到天线最优垂直微调角度。
4.根据权利要求1所述的基于信道质量监测的无线传输系统网络自优化方法，其特征在于，所述信道质量量化计算如下：
YQ＝(100+PR)*2/100+QR
其中，YQ表示信道质量量化值，PR表示信号强度值，QR表示信号质量值。
5.基于信道质量监测的无线传输系统网络自优化系统，其特征在于，包括以下步骤：
网络环境检测模块，用于根据通过WIA-FA远端无线传输单元首次开通时进行无线网络环境监测的监测结果生成接入邻居表；
信道监测模块，用于执行信道监测，当监测到的信道信息符合设定要求时，转入自动功率控制模块；
自动功率控制模块，用于根据信道信息对WIA-FA远端无线传输单元进行自动功率控制；
中心站自动切换模块，用于根据接入邻居表自动切换中心站；
自主学习模块，用于对于某个中心站，通过自主学习控制天线调节执行机构，使天线旋转到自主学习的最优位置；
所述信道监测模块，执行以下步骤：
2-1)周期读取WIA-FA远端无线传输单元采集到的服务端WIA-FA中心无线传输单元的包括信号质量值和信号强度值的信道信息；
2-2)将采集的信道信息分组，对每组分别统计信号质量值和信号强度值的平均值作为后续步骤的信号质量值、信号强度值；将信号质量值、信号强度值分别与预设阈值比较；当信号质量值、信号强度值中至少一个超过预设阈值时，进入自动功率控制模块；否则，返回步骤2-1)；
所述中心站自动切换模块，执行以下步骤：
4-1)查找接入邻居表，并控制天线调节执行机构使天线转向下一个优先级中心站方向；
4-2)将所述中心站的信道号写入WIA-FA远端无线传输单元，使WIA-FA远端无线传输单元切换到所述中心站的WIA-FA中心无线传输单元；
4-3)执行信道监测模块的步骤2-1)；
当信号强度值与信号质量值均在阈值范围内时，执行天线水平角度微调、天线垂直角度微调程序，完成天线的对准，并将原接入的中心站点信息从接入邻居表中删除，其余邻居优先级依次进行升级；
当信号强度值与信号质量值不在阈值范围内时，返回步骤4-1)以进行下一优先级中心站切换，直至接入邻居表中可用邻居数量为0时，进入自主学习模块；
所述执行天线水平角度微调程序，包括以下步骤：
1)控制天线调节执行机构(17)顺时针水平旋转1°，并在当前位置停留若干秒钟；
2)多次采集WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的服务端WIA-FA中心无线传输单元的水平信号强度值；
3)将采集到的水平信号强度值取平均值，并保存；
4)循环执行步骤1)～步骤3)M次；
5)控制天线调节执行机构(17)逆时针水平旋转M°回到原点；
6)控制天线调节执行机构(17)逆时针水平旋转1°，并在当前位置停留若干秒钟；
7)多次采集WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的服务端WIA-FA中心无线传输单元的水平信号强度值；
8)将采集到的水平信号强度值取平均值，并保存；
9)循环执行步骤6)～步骤8)M次；
10)将天线在原点位置、2M个悬停点位置的信号强度采样值进行比较，选取其中的极大值，极大值对应的天线旋转位置即为天线最优水平微调角度；
11)控制天线调节执行机构(17)旋转到天线最优水平微调角度；
所述自主学习模块，执行以下步骤：
控制天线调节执行机构，使定向天线旋转到安装时的初始位置，开始自主学习：
7-1)控制天线调节执行机构(17)水平方向顺时针旋转10°；
7-2)记录天线调节执行机构(17)的当前水平旋转角度，控制天线调节执行机构(17)保持静止T秒钟；
7-3)采集WIA-FA远端无线传输单元(19)在天线调节执行机构(17)保持静止时间内所搜索到的、与WIA-FA远端无线传输单元(19)具有相同SSID的中心站WIA-FA中心无线传输单元包含水平信号强度值、信道质量值的信道信息N次，并记录信道号；
7-4)如果未采集到中心站的信道信息，则返回步骤7-3)；
如果采集到中心站的信道信息，则将采集到的水平信号强度值、信道质量值分别去掉2个最大值，去掉2个最小值，其余6个采样值取平均值，按照当前水平旋转角度、所搜索到的中心站WIA-FA中心无线传输单元信道号、水平信号强度值、信道质量值的列表结构进行保存；
7-5)返回步骤1)，循环执行36次，使天线调节执行机构(17)旋转一周回到原点；记录定向天线(16)水平旋转一周搜索到的所有中心站WIA-FA中心无线传输单元的信道信息；
7-6)对采集到的信道信息进行信道质量量化计算：
根据信道质量量化值YQ大小对36个步进点进行降序排序；当数组中出现YQ值相同时，进行信号强度值PR值比较，根据PR值进行降序排序以表示优先级降序，按照排序结果生成并更新接入邻居表。
6.一种基于信道质量监测的自组网无线传输装置，其特征在于，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如权利要求1-4任一项所述的基于信道质量监测的无线传输系统网络自优化方法。
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