异构工业网络环境下的多通道切换控制方法及装置与流程

本发明涉及工业控制、通信技术相关领域。

背景技术：

随着计算机技术、通信技术、信息技术的不断发展，计算机网络的种类越来越多。消费领域的通信方式如2G、3G，4G，ADSL，EPON/GPON，WIFI，蓝牙等技术已经广泛使用。用于工业环境下(如电力、能源、交通等领域)的通信方式也越来越丰富，以太网、光网、无线局域网、2G/3G/4G公网、行业专网等各种有线、无线、公网、专网互相融合，互相补充。在众多的通信模式并存的情况下，用户对网络的选择趋向于异构融合。然而，将异构网络融合在一起，各自发挥其优势，需要解决一系列的问题，其中，网络侧的多通道切换控制是一个非常重要的问题，对提高通信资源利用率，提高通信可靠性、稳定性，从而提高业务应用的灵活性、可靠性、实时性等具有重要的意义。

异构工业网络环境，可以从这几个方面来定义：

异构是指多种不同网络制和网络结构的融合通信，从应用层来看，具体应用的通信过程由哪种通信方式来承载是不关心的，采用无线公网、有线公网，无线专网，有线专网等多种模式都可以达到目的。异构网络通常有同网异构与异网异构两种环境。同网异构是指在同一网络运营商控制之下的通信网络，如某运营商的2G，3G，4G，在通信制式上是异构，但同属于一个运营商的控制平台之上。异网异构是指不同运营商之间的同种或者不同种网络制式所构成的通信网络，如A运营商的2G网络与B运营商的2G网络联合构成的通信系统，或者是A运营商的2G网络与B运营商的3G或者4G网络联合构成的通信系统，两个网络在融合通信时，其控制平面各归属于不同的网络运营商，并且双方是互盲的。

工业网络环境是指用户的业务具备工业领域的实时控制、非实时控制等特性。不同于电信级网络的商业服务(如话音、短信、移动数据服务等)，工业控制网络需要要有端到端的刚性可控需求，网络的各层都需要向最终业务的结果负责。并且，用户的业务终端和通信终端部署于广域的地理位置。从整个业务系统和网络结构来看，其特征符合广域网的通信特征。

多通道切换控制装置是指网络侧具备多个通道，并且在业务通信过程中，具备根据各种策略进行网络通道切换的能力。运营商或者移动通信终端称之为多模终端或者多模通信终端，通常指具备2G、3G、4G的多种通信和切换能力(如常见的双待、双通手机)，但这一定义与本发明不一致，移动通信的多模终端是本发明所定义的多通道切换控制装置的一个子集。

目前，国内移动运营商(移动、联通、电信)的蜂窝网络2G、3G、4G并存。在某些行业内部，如电力行业，部署有自身的有线专网，以及无线专网(230数传电台，230M LTE专网，1.8G LTE专网)。这样，工业行业用户在选择自身的通信技术体制时，必然面临行业专网、运营商的公网、有线、无线的复杂环境下进行部署。在某一个具体的场景下，可能同时存在多种通信接入能力，如运营商同时提供2G，3G，4G的数据通道，自身的有线专网(以太网、EPON)，无线专网，并且工业行业的用户，其应用的地理位置是相对固定的，不会像个人消费者使用移动终端时地理位置处于频繁的移动状态。

当前市场上，尤其是消费电子领域存在大量的多模通信终端(如全网通手机)，也有大量的基于移动状态下多模的切换方法，这些方法均是基于终端与无线通信的基站之间的测量与判决，以及利用无线蜂窝网络相关的网元(如ePDG，PGW，MIP，HA，PMIP等)来实现多模切换控制。通信系统中，网络的切换主要涉及到水平切换和垂直切换两类。水平切换为网络内部的切换，异构网络的切换为垂直切换。现有的多通道切换技术主要是基于移动基站与移动台之间的交互关系进行判决，比如用户在从一个小区基站移动到另一个小区基站，通信模式从4G切换到3G或者2G时的切换策略。

但是，工业控制要求应用能够由复杂的异构网络进行承载，基于现有的多模的切换方法，业务方不能够独立于具体的通信技术来部署具体的应用，不能够实现无缝切换。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种异网异构的广域工业控制网络环境下的多通道切换控制方法及装置，使得该场景下的工业控制应用能够由复杂的异构网络进行承载，业务方能够独立于具体的通信技术来部署具体的应用，业务应用能够在多种不同的网络环境下无缝切换。通过本发明的方法和装置，能够提高通信的可靠性、实时性，提高业务应用部署的灵活性、可靠性、实时性。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，参见图1，一种异构工业网络环境下的多通道切换控制装置，其特征在于:

该装置包括网络侧的通信接口、设备侧的现场总线接口、测量模块、执行模块、存储模块、运算模块和供电模块；

设备侧的现场总线接口对业务终端提供现场总线接口，业务终端通过现场总线接口获得网络运营商提供的网络服务；

网络侧的通信接口至少两个通信接口；这些通信接口通过网络运营商提供的网络服务，连接业务系统；每一个通信接口对应不同的网络服务；

测量模块用来检测多个网络侧的通信接口的物理层通信参数，测量电路将上述参数传递给CPU作为切换决策的依据之一。

CPU、RAM、ROM及其附属的电路和软件模块，通过网络侧的各通信接口来测量链路层、网络层、传输层、应用层的通信参数；

获取通信过程的参数之后，切换决策由CPU进行决策运算，由运算结果来决定通道的切换；RAM和ROM用来存储测量相关参数，以及通道决策切换过程的运算所需变量以及运算结果存储；RAM当中还要缓存通道切换时需要发送的应用层数据包，以解决切换过程的丢包、重包；

该装置的多通道切换功能是指网络侧的多个通信接口，在业务终端与业务系统传输数据时，能够依据多种测量数据和多种切换决策的策略，通过多种切换执行的方法对网络侧的通道进行切换；

通道切换的执行为人工手动执行或程序逻辑执行。

上述设备侧提供现场总线接口能够接入RS232、RS485、RS422、以太网、CAN、USB、WIFI、ZigBee、蓝牙。

该装置对网络侧提供至少两个通信接口；这些通信接口通过网络运营商提供的网络服务，连接业务系统；每一个通信接口对应不同的网络服务；

上述网络侧的通信接口提供以太网、光纤、2G、3G、4G、数传电台、230LTE、1800LTE、WIFI、WIMAX、ZigBee。

上述物理层通信参数通信模块在位及工作状态，SIM卡在位及工作状态、码流速度和误码率等参数。

上述的通过各种网络侧的通信接口来测量链路层、网络层、传输层、应用层的通信参数包括链路层的丢包率，无线网络的运行状态机，TCP断开、重连、重传的时间与次数，TCP活动窗口的调整时间与大小，应用层的心跳响应时间和应用层的断开重连。

本发明公开一种异构工业网络环境下的多通道切换控制方法：

首先，搭建如1～5任意一项权利要求所述的异构工业网络环境下的多通道切换控制装置；

参见图2，应用时，包括以下步骤：

1)通道参数测量，采样多维度组合测量方式，其测量数据源来自网络的多个通信层：

1.1)所测量的通道参数包括物理层参数测量，链路层参数测量，网络层参数测量，传输层参数测量和/或应用层参数测量。通过同时采集多个通信接口的各层的通信参数，可以获取物理层、链路层、网络层、传输层、应用层的信道信息和数据通信情况。

1.2)采用的测量方法包括定时测量、随机测量或突发故障测量；测量的参数包括物理层信号强度、误码率，通信模块状态，和/或应用层业务数据情况；

1.3)测量的方式包括通信接口硬件电路提供的物理信号(如电压信号、电流信号、差分信号等)特征测量，通信接口模块提供的查询命令，和/或通信过程中链路层、网络层、传输层、应用层数据交互时的随路测量。

2)通道参数测量的输出是量化参数，作为通道切换决策模块作为决策过程的运算参数据。通道切换决策包括多种策略，按优先级和组合逻辑进行判决。

通道切换决策的主要特性如下：

2.1)通道切换决策的具体一策略包括但不限于人工判决，优先策略判决，历史参数判决，实时参数判决，禁止切换判决。这些策略是可以预先配置的，也可以由切换决策的控制器自行调整其优先级和权重。

2.2)因通道测量的多样性，测量信息是多元、耦合的，通道切换决策时需要将采样的多源信息进行融合，对测量信息进行综合判决，并且大量测量信息是与时间相关的，需要对一定时间内的历史统计数据加以分析。

3)通道切换决策输出结果是下一次数据通信时，当前通道切换到哪一个通道；通道切换执行有多种方式，可按不同的需求进行不同的切换执行。

通道切换执行的主要特征如下：

3.1)通道切换执行包括人工切换执行，冷备切换执行，热备切换执行，传输层通道切换执行或应用层通道切换。

3.2)根据不同的业务需求和通信接口特性，依据数据稳定性、切换实时性、通道稳定性和功耗参数选择不同的切换执行方法。比如：功耗优先的模式下，采用冷备切换模式，同一时刻只有一个通信接口工作；实时性优先模式下，采用热备切换模式，或者传输层通道切换模式，以最快的速度切换通信链路；稳定性优先模式下，在一定时间内不允许通信接口切换，尽可能维持当前通道，避免乒乓切换。

进一步，通道切换执行时，采用主站控制模式或自主控制模式。在主站控制模式下,由终端测量、主站决策、终端执行三个功能组成；在自主控制模式下，由终端独立完成测量、决策和执行三个功能。

进一步，通道切换执行时，由人工本地实现硬件强制切换，或者主站侧人工干预的强制切换，强行关闭终端的自主决策过程。

本发明的多通道切换方法和装置，不只是依赖于终端与网络之间的交互测量，而是提供网络上多层状态采集(包含物理层、链路层、网络层、应用层)、多策略(用户预设策略，人工干预策略，自动优先策略，防止乒乓切换策略)的联合判决，以及多种控制方式(手动控制，主动决策的硬件控制，主动决策的逻辑控制，远程人工干预控制)，联合实现多通道的切换控制。

附图说明

图1为多通道切换控制装置结构示意图；

图2为多通道切换控制方法流程图；

图3为实施例1的双GPRS通道切换控制装置结构示意图；

图4为实施例2的GPRS和230/1800LTE专网双通道切换控制装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例为双GPRS通道切换。

双GRPS通道切换装置结构如图3所示，该装置设备侧的接口为RS485和以太网接口，网络侧的接口为中国移动和中国联通的两个GPRS接口，CPU与两个GPRS模块之间的连接为TTL串行接口。该装置不包括测量电路，对网络参数的测量不通过硬件电路方式完成。

双GPRS通道切换控制实施过程如下：

(1)本实施例通道切换参数测量由该装置中内置的软件模块

完成，实现以下通道参数的测量。

(1.1)该测量模块通过TTL接口与GPRS模块进行交互，利用标准AT指令和GPRS模块厂商提供AT指令集从模块获取公开的GPRS模块与移动网络交互的状态信息以及信号强度等物理信息，并记录GPRS模块注册到移动网络的时间与过程、信号强度的随时间的变化过程。

(1.2)该测量模块随业务数据流测量GPRS与业务系统之间TCP连接，即时检测TCP连接状态，并记录其断开与重连的时间。

(1.3)该测量模块随业务数据流测量其缓冲区数据的发送时间与速度，并记录每一个模块数据的数据发送个数与发送的起止时间。

(2)本实例通道切换决策由该装置中内置的软件模块完成，实现以下通道切换决策的方法。

(2.1)本实施例提供人工判决。可由人工干预切换策略，远程强制切换，并关闭自动切换策略。

(2.2)本实施例提供实时参数和历史参数判决。可以根据参数测量模块记录的数据进行自动切换判决。

(2.3)本实施例提供禁止切换判决。即永远只使用一个通道，除人工干预之外，不允许进行自动切换判决。

(3)本实施例中，通道切换执行提供两种方式，一种由该装置的拨码开关电路完成切换，一种由该装置内置的软件模块控制相应的执行电路完成切换。本实施例实现以下切换执行的方法。

(3.1)手动切换：通过硬件拨码开关的控制GPRS模块电源的通断，实现人工手动切换通道。

(3.2)冷备切换：在能耗优先的情况下，实时性要求不高时，同一时刻只接通一个GPRS模块的电源，在需要切换时，对目标模块重新上电、注册网络，最后关闭另一个GPRS模块。

(3.3)热备切换：在实时性和可靠性优先的情况下，一个GPRS模块处于业务数据传输状态，另一个GPRS模块处于随时可以发起TCP连接的状态。在需要切换时，将业务数据重新定位到另一个GPRS模块，此GPRS模块回退到可以发起TCP连接的状态。

(3.4)传输层通道切换：在实时性要求很高的情况下，两个GPRS模块一直同主站侧保持TCP连接状态，在需要进行切换时，直接将业务数据流从另一个GPRS模块的TCP连接通道上将数据发出去，此GPRS继续维持原有的TCP通道。

实施例2

本实施例为GPRS+230LTE或者1800LTE通道切换：

GRPS和230/1800LTE双通道切换装置结构如图4所示，该装置设备侧的接口为RS485和以太网接口，网络侧的接口为中国移动或者中国联通的一个GPRS接口，CPU与该GPRS模块之间的连接为TTL串行接口；另一个接口为230M或者1800M的LTE行业专网通信模块，CPU与该专网模块之间的连接为TTL串行接口或者mini PCI-E接口。该装置不包括测量电路，对网络参数的测量不通过硬件电路方式完成。

GPRS和230/1800LTE专网双通道切换控制实施过程如下：

(1)本实施例通道切换参数测量由该装置中内置的软件模块完成，实现以下通道参数的测量。

(1.1)该测量模块通过TTL接口与GPRS模块进行交互，通过TTL或者Mini PCI-E接口与230/1800LTE通信模块交互，利用标准模块提供的标准AT指令或者模块厂商提供AT私有指令集，从而获取通信模块与移动网络交互的状态信息以及信号强度等物理信息，并记录通信模块注册到移动网络的时间与过程、信号强度的随时间的变化过程。

(1.2)该测量模块随业务数据流测量通信模块与业务系统之间TCP连接，即时检测TCP连接状态，并记录其断开与重连的时间。

(1.3)该测量模块随业务数据流测量其缓冲区数据的发送时间与速度，并记录每一个模块数据的数据发送个数与发送的起止时间。

(2)本实例通道切换决策由该装置中内置的软件模块完成，实现以下通道切换决策的方法。

(2.1)本实施例提供人工判决。可由人工干预切换策略，远程强制切换，并关闭自动切换策略。

(2.2)本实施例提供实时参数和历史参数判决。可以根据参数测量模块记录的数据进行自动切换判决。

(2.3)本实施例提供禁止切换判决。即永远只使用一个通道，除人工干预之外，不允许进行自动切换判决。

(3)本实施例中，通道切换执行提供两种方式，一种由该装置的拨码开关电路完成切换，一种由该装置内置的软件模块控制相应的执行电路完成切换。本实施例实现以下切换执行的方法。

(3.1)手动切换：通过硬件拨码开关的控制GPRS模块电源的通断，实现人工手动切换通道。

(3.2)冷备切换：在能耗优先的情况下，实时性要求不高时，同一时刻只接通一个GPRS模块的电源，在需要切换时，对目标模块重新上电、注册网络，最后关闭另一个GPRS模块。

(3.3)热备切换：在实时性和可靠性优先的情况下，一个GPRS模块处于业务数据传输状态，另一个GPRS模块处于随时可以发起TCP连接的状态。在需要切换时，将业务数据重新定位到另一个GPRS模块，此GPRS模块回退到可以发起TCP连接的状态。

(3.4)传输层通道切换：在实时性要求很高的情况下，两个GPRS模块一直同主站侧保持TCP连接状态，在需要进行切换时，直接将业务数据流从另一个GPRS模块的TCP连接通道上将数据发出去，此GPRS继续维持原有的TCP通道。