工业无线网络认知型路由协议研究

曹健 高静 李枫 王艺潼

摘 要：为了提高工业无线网络的自适应能力，本文提出在路由协议的设计中引入“认知”元素。首先简要介绍了认知网络的起源和概念，接下来介绍了国内外认知网络的研究现状，最后分析和讨论了在工业无线网络认知型路由协议设计中的关键技术。

关键词：认知；工业无线网络；工业4.0；路由协议

1 概述

“中国制造2025”、“工业互联网”和“工业4.0”等是主要的工业国家面向新一轮工业革命提出的国家发展战略。在这些战略中，网络与传统产业深度融合成为了提高企业管理水平和生产效率的大势所趋[1，2]。

工业无线网络技术能够在恶劣的工业环境中为智能设备和机械装置等提供宽带的数据链路和灵活的拓扑结构，节省了布线所需成本，方便了旧设备的改造升级，它是新一轮工业革命的重要基础。

路由協议是网络研究的关键技术之一。工业无线网络通常由大量资源受限的无线节点组成，它们的通信环境非常复杂，不仅存在高强的噪声和电磁干扰，而且往往处于高温、高危和高腐蚀等环境，此外，新的工业革命对网络性能等方面也都提出了更高的要求，这些特征迫切的需要在网络中加入“认知”元素，赋予网络“智慧”的特性，使网络具备自适应、自管理、学习和推理等智能功能，使得网络能够根据当前环境和状态及时做出相应的路由决策。因此，研究工业无线网络的认知型路由协议具有迫切性和重要性。

2 认知技术的起源和概念

认知网络是在认知无线电技术的基础上发展而来的，Mitola等人在1999年提出了认知无线电的概念，认知无线电具有学习能力，能够感知空间内的可用频谱资源，并根据环境的变化进行自适应调整，认知无线电网络的研究目标是物理层和链路层技术。[3]

2005年美国弗吉尼亚工学院的W.Thomas等人总结了认知网络的定义[4]：认知网络具有智能的认知过程，能够感知网络自身的状态，然后分析、决策并对网络做出自适应的规划和调整，直到达到预期的端到端目标和网络整体性能的提高。[5]目前，认知网络的概念已经被IEEE标准化学会采用。

3 认知技术研究现状

近年来，认知网络得到了国内外的学者越来越多的关注。文献[6]在网络中引入了知识平面使网络具有认知能力，网络通过观察、学习、推理等认知行为对环境变化做出合理反应。文献[7]指出认知网络应能适应运行参数的变化并做出前瞻性决策。文献[8]提出了认知网络中一种具有链路可用性预测机制的路由协议，以节点负载和链路质量为度量进行路由选择。上述路由协议的研究均是在传统互联网环境下进行的，在工业无线网络中引入认知型路由协议仍处于起步阶段，具有一定的先进性和实用性。

4 关键技术

4.1 环境感知技术

认知网络依据感知信息进行学习、推理和路由决策等行为，因此在工业背景下的环境感知技术直接影响了网络路由协议的性能，它是认知网络的基础。在未来的工业场景中，网络规模较大，如何在大规模节点间同步更新感知信息、确定信息采集方式和周期以及形式化的表达等，实现主动感知是一项关键技术。

4.2 学习技术

学习机制是认知网络的核心，运用学习机制进行问题处理时需要依据所学知识建立适合的学习模型，例如决策树、博弈论、神经网络和概率论等理论方法。在工业场景中，如何选择收敛速度较好的自学习算法，构建适合的学习模型，是提高路由协议性能的关键。

4.3 SDN技术

软件定义网络（SDN，Software Defined Network）技术[9]分离了控制平面和数据平面，降低了设备的复杂度和硬件成本；控制平面集中式的管理使得网络可以基于全网视图进行网络资源优化，提高了网络资源的利用率。在采用SDN体系结构的工业无线网络中，控制平面可以感知网络的全局状态，通过学习和推理机制进行路由决策，从而优化网络性能。但面向工业无线网络的SDN技术仍面临诸多技术难点需要解决。

5 总结

本文简要介绍了认知网络的起源、概念以及国内外在认知路由协议领域的研究现状，最后总结出在工业无线网络认知型路由协议的设计中具有环境感知技术、学习技术和SDN技术等关键技术。为认知型路由协议在工业无线网络中的发展提供了思路。

参考文献：

[1]周济.智能制造——“中国制造2025”的主攻方向[J].中国机械工程，2015，26（17）：2273.2284.

[2]曹健，高静.面向智能制造的工业无线网络研究[J].科学技术创新，2017（30）：95.96.

[3]Joseph Mitola.Cognitive Radio：An Integrated Agent Architecture for Software Defined Radio[D].PhD thesis，Royal Institute of Technology，2000.

[4]Thomas R W.Cognitive networks[C].First IEEE International Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks.IEEE，2005：352.360.

[5]顾成杰，张顺颐，孙雁飞.基于业务感知和策略选择的认知路由算法[J].通信学报，2011，32（11）：168.175.

[6]Clark D D.A knowledge plane for the internet[C].Conference on Applications，Technologies，Architectures，and Protocols for Computer Communications.ACM，2003：3.10.

[7]Mahmoud Q.Cognitive Networks：Towards Self.Aware Networks[M].Wiley.Interscience，2007.

[8]Zhang Y.The Stable Routing Protocol for the Cognitive Network[C].IEEE GLOBECOM Workshops.IEEE，2014：1090.1095.

[9]张朝昆，崔勇，唐翯翯，等.软件定义网络（SDN）研究进展[J].软件学报，2015，26（1）：62.81.

作者简介：第一作者曹健（1984.），男，讲师，研究方向：无线网络、认知计算等。

*通讯作者：高静（1985.），女，博士，研究方向：网络优化算法。