基于层次化网络编码的无线物联网协作切换机制研究

谢燕

摘 要：无线物联网是基于多种协议的无线网络整合产物，为满足移动终端在无线物联网中的漫游切换，需构建完善的切换机制。文章从无线物联网切换机制现状入手，分析传统切换机制的不足，提出基于层次化网络编码的无线物联网协作切换机制，论述其物理模型与构建思路、要点，并实施仿真模拟，验证该机制的可行性与可靠性。

关键词：层次化网络编码;无线物联网;协作切换

0 引言

在无线物联网的实践应用中，各个网络接入点的数量有限，要想使用户获得理想的使用效果，需满足移动终端的漫游切换要求。无线物联网的漫游切换，表现出多路径、多中继特点，而传统切换机制不支持多跳切换，漫游切换的成功率较低，故需技术人员提出一种更可靠的切换机制。

1 无线物联网切换现状

为满足无线物联网的漫游切换需求，工作者设计了多种切换机制。从是否应用第三方协作而言，可划分为两类：    （1）不应用第三方协作。该模式下，切换操作由移动终端和基站完成，无需实施第三方基础设施的建设工作，但对移动终端间的距离和无线传输速度有一定要求。（2）应用第三方协作。该模式下，切换操作不受移动终端间的距离和无线传输速度影响，但需实施第三方基础设施建设工作，并做好升级改造。从切换协议的网络层次而言，可划分为4类：（1）基于链路层切换协议的切换机制。该机制通常选择紧耦合框架，包括3G和WLAN兩个网络。利用3G网络移动性管理，实现无线物联网切换目标。（2）基于网络层切换协议的切换机制。以移动IP协议为基础，研发垂直解决方案，从网络层实现无线物联网的有效切换。（3）基于传输层切换协议的切换机制。通过多路径构建网络切换解决方案，获得聚合带宽。（4）基于应用层切换协议的切换机制。该机制以会议初始协议为基础，在一定程度上提高了移动终端的移动性与灵活性[1]。

在以上模式下的网络切换机制均存在局限性，特别是频繁移动的终端切换成功率较低。为解决该问题，本文提出基于层次化网络编码（HNC）的无线联网协作切换机制，以网络编码为基础，根据各个中继节点的特点，将其合理划分至对应的多层中继圈中，管控切换中数据包的传输数量和传输方向，降低网络切换中的冗余问题，显著提高切换可靠性[2]。

2 基于层次化网络编码的无线物联网协作切换机制

本文从层次化网络编码入手，设计一种无线物联网协作切换机制，阐述协作切换机制的基本模型与设计思路，改进算法，提高协作切换成功率，进而实现无线物联网切换机制的优化。

2.1 层次化网络编码

网络编码是整合路由与编码的信息交换技术。在数据传输过程中，应用最大流与最小割定理，确保信息传输双方均保持最大通信速率，实现高效可靠的数据通信。在无线物联网切换中，网络编码的应用可实现多播路由传输，显著提升通信效率，有效节约带宽。层次化网络编码是将网络编码划分为不同层次，在无线物联网切换中，利用其规范的网络层次，加强对切换中的数据传输控制，避免数据传输受移动终端影响，实现准确数据传输，提高切换成功率。

2.2 物理模型与基本思路

本文针对链路有衰减工况下的无线物联网实施切换机制研究。在该运行状况下，可使用如下公式，分别表示用户移动终端与基站间的链路衰减状况，以及用户移动终端接收的信号强度[3]。

其中，L（vj）是指链路衰减;ω是指链路衰减指数;δ（vj）是高斯随机变量;RSS是指信号强度;SE（vj）是指基站的载波发射功率。本文设计的HNC协作切换机制以上述公式为物理模型。

在无线物联网中，以移动终端为结构中心，与网络接入点共同构成多层中继圈。在HNC协作切换机制中，引进层次化网络编码，优化中继节点间的协作，提高多中继连接的可靠性，进而保障移动终端和网络接入点的可靠通信。

2.3 协作切换算法分析

在HNC机制中，针对多层中继圈结构特点，为各层中继圈及其下层中继圈设定独立编码数据包传输策略。本机制采用分布式算法来满足移动终端切换需求。算法原理如下：将各层次中继圈的中继节点个数设定为N，以无线物联网切换时不同中继圈层次网络信息量之和最大，即Isum为目标，选择其中（M-1）个最优中继节点，使不同层次间存在丢包率的运行工况下，无线物联网的容量不会显著减少[4]。

2.4 协作切换数据分析

在明确HNC机制后，应确定协作切换数据的分析方法，计算无线物联网切换的成功率，为HNC机制的投入使用奠定基础。协作切换数据的处理与计算流程如下：

（1）切换失败概率计算。切换失败概率的计算应在明确无线物联网切换的工况下进行，切换的判定条件：将移动终端的移动速度设置为固定值，移动终端朝着同个方向移动;在此情况下，对比移动终端移动距离的预测值与设定距离门限，如果预测值超过设定距离门限，即可判断无线物联网切换。基于上述切换条件，可将移动终端位置点接收的信号强度作为移动距离的评估指标，根据信号强度和预设门限间的关系，计算以基站为圆心的蜂窝域发射半径;再应用速度估计算法LCR，计算移动终端的瞬时速度，结合该速度预测移动终端在基站蜂窝域内的移动距离，构建移动距离的概率分布函数;最后将移动距离的概率分布函数与设定距离门限对比，计算切换失败概率。

（2）切换偏差概率计算。在无线物联网切换中，切换偏差是指编码数据包传输至邻接域的中继节点内，判定切换偏差的条件为移动终端和基站的信号强度低于设定阈值。在切换偏差概率计算时，技术人员可以δ（vj）为基础，设定信号强度的计算函数。

（3）切换发动成功率计算。在无线网络切换中，切换发动成功是指除切换失败与切换偏差两种状况以外的切换结果，概率=1-切换失败概率-切换偏差概率。

3 基于层次化网络编码的无线物联网协作切换机制实践

在明确基于层次化网络编码的无线物联网协作切换机制基础理论与基本内容后，本文应用OMNet++4.0平台，模拟无线物联网运行环境，进行无线物联网切换的仿真分析，验证本文设计协作切换机制的可行性与可靠性。

3.1 仿真条件

在OMNet++4.0平台中，设置用户步行与驾车两种测试状况，测定传统无线物联网（基于实用编码PNC的无线物联网切换机制）、多中继切换机制（用“Takeover”表示）、HNC机制三者的切换结果。其中，在用户步行测试状况下，移动终端的移动速度设置为2 m/s;在用户驾车测试状况下，移动终端的移动速度设置为15 m/s。

3.2 仿真结果

在用户步行状况下，无线物联网网络环境变差，3种切换机制的切换成功率均有所减少。Takeover机制切换成功率下降的幅度最大，PNC机制次之，HNC机制最低。在该情况下，可见HNC机制的切换成功率处于较高水平。说明Takeover和PNC机制在切换中，不能有效支持移动终端的移动，一旦中继节点和原本区域距离加大，会影响编码数据包的运输。而HNC机制通过多层中继圈，对全部中继节点实施层次化界定，為编码数据包指明传输方向，确保其传输至纬度最低的网络接入点，提高切换成功率。

在用户驾车状况下，随着丢包率的加大，Takeover的切换成功率逐渐下降，甚至可达到0;但PNC机制的切换成功率基本稳定，普遍超过50%。而HNC机制的切换成功率略有下降，但稳定在80%以上。在该情况下，HNC机制的优势更为显著。说明Takeover和PNC机制因未划分中继节点，使其处于同等地位，而车辆运行速度较快，中继节点随之频繁移动，使传输方向出现偏差。HNC机制可确保编码数据包始终正确运输，车辆运行速度对切换成功率的影响不大。

根据上述仿真分析可知，HNC机制的切换成功率显著高于Takeover机制和PNC机制，可在无线物联网切换中推广应用，提高传输可靠性。

4 结语

综上所述，在无线物联网切换中，可根据多层中继圈的特点，引进层次化网络编码，为数据包传输设定明确方向，在不显著增加网络运行成本的基础上，能提升网络通信效率，为用户提供良好的移动终端使用体验。

[参考文献]

[1]陈超，张士兵，李业.低信噪比场景下基于网络编码的多跳中继传输方案[J].电讯技术，2021（2）：21-13.

[2]唐思宇.面向物联网应用的边缘控制系统关键技术研究与验证[D].南京：南京邮电大学，2020.

[3]朱振宇.物联网大规模终端接入算法研究与验证[D].南京：南京邮电大学，2020.

[4]卢志豪，程良伦.基于工业无线异构网络的主动网络切换算法[J].物联网技术，2020（6）：36-38.

（编辑 姚 鑫）