物聯(lián)網(wǎng)通信傳輸設(shè)備多頻段信號源遠程切換控制技術(shù)

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(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，河南 南陽 473000)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和設(shè)備的日益普及，用戶在日常生產(chǎn)和生活中將會面對和使用越來越多的物聯(lián)網(wǎng)通信傳輸設(shè)備。這些設(shè)備自身所攜帶的信號和由他們所感知到的信號都是物聯(lián)網(wǎng)中的內(nèi)容，為方便使用，需要這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠支持遠程切換的配置和管理功能，以便可以建立一個物聯(lián)網(wǎng)信號切換控制系統(tǒng)來由專業(yè)人員遠程地配置和管理它們。然而在切換過程中存在很多問題，需要對其進行詳細的分析，有效控制信號源的遠程切換功能是保證通信傳輸設(shè)備正常運行的主要手段[1]。 傳統(tǒng)信號源遠程切換控制技術(shù)受限于網(wǎng)絡(luò)的接收速度，使數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)呈現(xiàn)單一形式，造成控制精準(zhǔn)度較低，尤其是移動終端的網(wǎng)頁，通信業(yè)務(wù)呈爆發(fā)式增長，無法滿足人們對通信的需求。為此，對物聯(lián)網(wǎng)通信傳輸設(shè)備多頻段信號源遠程切換控制技術(shù)進行研究，充分考慮不同業(yè)務(wù)對信號源遠程切換要求，完善不同業(yè)務(wù)服務(wù)需求，為物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備深入研究奠定了基礎(chǔ)。

1 物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備信號源控制框架

物聯(lián)網(wǎng)信號通信優(yōu)化整合，使現(xiàn)有通信設(shè)備和新設(shè)備全部都集中部署在一級與二級通信業(yè)務(wù)之中，對通信信號提出了更高的要求。為了改善傳統(tǒng)信號源遠程切換控制不佳的問題，采用了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備多頻段通信方式[2]。該方式主要針對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備層面的管理，實現(xiàn)基本業(yè)務(wù)層面的信號源遠程切換控制，這也成為了物聯(lián)網(wǎng)通信維護管理的重要支撐體系[3]。

物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備信號控制框架的基礎(chǔ)是電磁環(huán)境和場強覆蓋能力，信號源遠程切換控制主要位于框架中間層，每個層次都承載著以技術(shù)為指標(biāo)的業(yè)務(wù)，只有當(dāng)信號源遠程切換達到人們需求標(biāo)準(zhǔn)時，才可成為最終驗收依據(jù)。結(jié)合通信實際應(yīng)用環(huán)境，架構(gòu)通信控制體系，設(shè)計3個不同層次來實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)通信傳輸設(shè)備多頻段信號源遠程切換控制，具體架構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 通信信號控制框架

物聯(lián)網(wǎng)信號源遠程切換好壞絕大部分取決于電磁環(huán)境和場強覆蓋程度，為此，應(yīng)先對電磁環(huán)境和場強覆蓋程度進行控制，良好的電磁環(huán)境是保證信號源遠程切換控制的前提條件。如果在通信過程中受到外界電磁干擾影響，應(yīng)及時對干擾點進行清除，否則將會導(dǎo)致移動終端連接失敗，信號源遠程切換控制效果下降，無法接收到移動終端對另一終端所發(fā)送的信息[4]。根據(jù)無線場強覆蓋能力，對覆蓋面積進行調(diào)整，良好的場強覆蓋是保障信號源遠程切換的物理基礎(chǔ)[5]。然后根據(jù)上述控制結(jié)果對物聯(lián)網(wǎng)承載層進行控制，該層次主要承載所有通信信號的指令，采用空中指令狀態(tài)遷徙作為控制標(biāo)準(zhǔn)。最后對應(yīng)用層進行控制，排查根本原因之后，完成對命令信息的控制。

2 多頻段信號源遠程切換控制

2.1 端到端通信設(shè)備信號切換節(jié)點監(jiān)控

物聯(lián)網(wǎng)通信傳輸設(shè)備多頻段通信中，對網(wǎng)絡(luò)任意一個IP節(jié)點的多個信號源遠程切換狀態(tài)進行監(jiān)控，為此，采用節(jié)點監(jiān)控的方式對多頻段信號源遠程切換進行控制[6]。利用物聯(lián)網(wǎng)信號中心監(jiān)控功能對多頻段信號源進行監(jiān)控，可滿足本地接入層到一級通信業(yè)務(wù)層的所有信號節(jié)點監(jiān)控。該方法在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上添加對各個信號節(jié)點的采集和報警功能，具體監(jiān)控節(jié)點如圖2所示。

圖2 信號源遠程切換節(jié)點監(jiān)控

探測節(jié)點是對物聯(lián)網(wǎng)終端的固定設(shè)備進行探測，并對通信信號業(yè)務(wù)往來進行識別與統(tǒng)計，進而生成探測數(shù)據(jù)；接入節(jié)點是對物聯(lián)網(wǎng)終端傳輸?shù)男盘栠M行采集，并傳輸?shù)较乱还?jié)點之中；匯聚節(jié)點是對一次性通信的所有信號進行匯總，待全部信號傳輸結(jié)束后，傳遞到骨干節(jié)點之中；骨干節(jié)點是對所有通信信號進行總結(jié)，并確定傳輸?shù)腎P地址，根據(jù)該地址向另一物聯(lián)網(wǎng)終端傳輸。

物聯(lián)網(wǎng)多頻段通信業(yè)務(wù)需要實現(xiàn)端到端通信業(yè)務(wù)感知節(jié)點監(jiān)控，在物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備中，如果某一種通信信號出現(xiàn)故障，需及時對故障位置和發(fā)生原因進行分析[7]。為此，綜合物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備中對所有業(yè)務(wù)狀態(tài)的感知情況，監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)通信傳輸設(shè)備中的任何一個節(jié)點，具體節(jié)點監(jiān)控設(shè)置如圖3所示。

圖3 具體節(jié)點監(jiān)控設(shè)置

由圖3可知：物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備的監(jiān)控信號節(jié)點遍布在整合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之中，因此在任意兩個節(jié)點之間出現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)信號源遠程切換差的問題都可以通過上述節(jié)點監(jiān)控部署發(fā)現(xiàn)[8]。端到端通信設(shè)備信號源遠程切換還體現(xiàn)在，隨時監(jiān)控業(yè)務(wù)流量轉(zhuǎn)發(fā)的每一段物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備信號狀態(tài)，進而發(fā)現(xiàn)信號源遠程切換中出現(xiàn)問題的信號節(jié)點位置。

2.2 問題信號節(jié)點定位

根據(jù)上述可發(fā)現(xiàn)端到端信號源遠程切換中出現(xiàn)問題的信號節(jié)點位置，需結(jié)合通信性能與信號特性定位出現(xiàn)信號源遠程切換差的具體位置。如果監(jiān)控通信信號時，沒有出現(xiàn)信號源遠程切換差的問題，那么信號監(jiān)控可生成物聯(lián)網(wǎng)信號分析報表，主要用于對通信時間長度的度量，該度量可用于分析未來通信設(shè)備的發(fā)展趨勢，為信號源遠程切換的擴展提供支持[9]。

物聯(lián)網(wǎng)通信信號控制中可設(shè)定相關(guān)信號動態(tài)閾值，如果該通信設(shè)備在物聯(lián)網(wǎng)承載中壓力較大，就說明信號源遠程切換超過了限制的最低閾值范圍，此時需設(shè)立預(yù)警機制，通過擴展信號來降低物聯(lián)網(wǎng)承載能力。如果在控制過程中發(fā)現(xiàn)了業(yè)務(wù)存在信號源遠程切換差的問題，那么需要對控制結(jié)果進行處理[10]。根據(jù)上述對端到端信號源遠程切換的監(jiān)控可知，兩個物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備之間出現(xiàn)丟包的概率最大，那么間接說明該信號節(jié)點存在的問題較為嚴(yán)重，此時需在一定范圍內(nèi)對該節(jié)點設(shè)置預(yù)警裝置，通過報警信號來通知物聯(lián)網(wǎng)的維護人員。如果發(fā)現(xiàn)在通信信號中存在信號鏈路差的問題，需先設(shè)定預(yù)警條件，為長期預(yù)警提供穩(wěn)定支持，也可利用發(fā)送幀為重點業(yè)務(wù)鏈路差問題提供穩(wěn)定性預(yù)警支持。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和預(yù)警條件，對該節(jié)點處的所有信號進行智能分析，依據(jù)分析結(jié)果，對問題節(jié)點產(chǎn)生的原因進行總結(jié)，針對不同預(yù)警條件，設(shè)置不同處理行為，及時對問題信號節(jié)點進行準(zhǔn)確定位。

2.3 定位節(jié)點處信號源遠程切換控制

2.3.1 丟包率問題解決

對于出現(xiàn)的問題信號節(jié)點可依據(jù)動態(tài)流量控制機制進行信號源遠程切換控制。當(dāng)通信主要鏈路信號出現(xiàn)異常情況時，可通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)策略，將問題鏈路上的全部流量轉(zhuǎn)移到正常狀態(tài)下的鏈路上，通過控制協(xié)議完成信號節(jié)點中的流量動態(tài)控制。依據(jù)該控制原理計算信號丟包情況：

丟包量LP為：

LP=[T(i)-T(i-1)]-[S(i)-S(i-1)]

(1)

式(1)中，T為地方數(shù)據(jù)包；S為節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包，i為時間；

根據(jù)式(1)可計算信號丟包率RLP：

(2)

根據(jù)式(2)可知，如果丟包率較大，那么說明物聯(lián)網(wǎng)通信傳輸設(shè)備多頻段信號在遠程切換中出現(xiàn)了時延問題；如果丟包率較小，那么說明物聯(lián)網(wǎng)通信傳輸設(shè)備多頻段信號遠程切換無問題。

根據(jù)以上分析可完成信號丟包率造成的信號源遠程切換控制誤差較大的問題，這一步驟可作為本研究中的創(chuàng)新點，為實現(xiàn)信號源遠程切換控制提供依據(jù)。

2.3.2 信號源遠程切換控制技術(shù)的實現(xiàn)

依據(jù)上述定位節(jié)點控制計算公式，綜合物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備信號存在的遠程切換差，對每一個信號在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面進行控制。在對問題信號進行控制時，需在物聯(lián)網(wǎng)通信信號節(jié)點中識別通信模式，統(tǒng)計流量走向，按照一定時間間隔或流量比率采集流量，利用Netflow數(shù)據(jù)交換方式定期采集物聯(lián)網(wǎng)終端的流量數(shù)據(jù)，進而獲取與其相關(guān)的通信信息。具體采集到的信息如下所示：

1)物聯(lián)網(wǎng)終端信息源IP地址、傳送目的IP地址、端口信息、三層數(shù)據(jù)包服務(wù)信息、協(xié)議信息和目的語言編譯信息等IP流量相關(guān)的信息地址。

2)通信流量包字節(jié)大小、出口信息、接口信息、入口信息。

Netflow是比較成熟的流量交換采集技術(shù)，需要通過統(tǒng)一管理平臺去采集。由于物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備十分復(fù)雜，可通過IP地址、物聯(lián)網(wǎng)端口、三層數(shù)據(jù)包服務(wù)或信息組合來確定具體通信信號應(yīng)用情況。通過采集結(jié)果，對各個信號源遠程切換情況進行分析，并觀察信息通信節(jié)點是否出現(xiàn)問題，如果出現(xiàn)，則說明該節(jié)點處的信號源遠程切換較差；如果沒有，則需對下一個通信節(jié)點繼續(xù)控制。

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)通信傳輸設(shè)備多頻段信號源控制節(jié)點，設(shè)置具體節(jié)點監(jiān)控，并監(jiān)控任意兩個節(jié)點之間的流量傳輸，及時發(fā)現(xiàn)端到端的每一段物聯(lián)網(wǎng)中出現(xiàn)問題的信號節(jié)點位置。根據(jù)該位置，設(shè)定相關(guān)信號動態(tài)閾值，如果閾值過小，那么說明物聯(lián)網(wǎng)無法承載通信信號源的遠程切換，說明該處出現(xiàn)信號源遠程切換問題；反之，如果閾值過大，那么物聯(lián)網(wǎng)同樣無法承載信號源的遠程切換，也說明該處出現(xiàn)信號源出現(xiàn)了切換問題。

如果在控制過程中發(fā)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備存在信號源遠程切換差的問題，那么需要對切換結(jié)果進行控制。依據(jù)控制的具體內(nèi)容，設(shè)置不同控制行為，及時對出現(xiàn)問題的信號節(jié)點進行準(zhǔn)確定位，根據(jù)動態(tài)控制機制和丟包計算公式，實現(xiàn)對定位節(jié)點處的信號源遠程切換控制。

3 實驗結(jié)果分析

為驗證本文所提的基于節(jié)點監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)通信傳輸設(shè)備多頻段信號源遠程切換控制方法的可行性。選擇某公司使用物聯(lián)網(wǎng)通信傳輸設(shè)備多頻段通信方式作為研究對象，取自2018年1月1日0:00至2月1日24:00時間段50組通信信號作為案例分析樣本，并對比以往歷史信息，將通信信號進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

3.1 信號源遠程切換控制時延

在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備多頻段通信過程中，如果信息發(fā)送與接收出現(xiàn)延遲，那么說明某個信息節(jié)點的信號源遠程切換出現(xiàn)問題。在此情況下，應(yīng)主要分析主機與服務(wù)器的路由情況，如果路由跳動頻數(shù)過快，那么流量在相同時間內(nèi)傳輸較多，造成物聯(lián)網(wǎng)無法承載信號的遠程切換，導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)通信效果降低；同樣，如果路由跳動頻數(shù)過慢，也會造成物聯(lián)網(wǎng)通信信號源遠程切換效果降低。以上這兩種問題產(chǎn)生，都是受到網(wǎng)絡(luò)時延影響而導(dǎo)致的信號源遠程切換效果降低，采用基于節(jié)點監(jiān)控的信號源遠程切換控制方法可準(zhǔn)確定位出現(xiàn)長時延問題的節(jié)點，而傳統(tǒng)方法缺少問題信號定位步驟，導(dǎo)致控制效果較差。為了驗證網(wǎng)絡(luò)時延問題是否對控制效果造成影響，將傳統(tǒng)控制方法與基于節(jié)點監(jiān)控的控制方法進行對比，對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)時延問題下不同方法控制誤差對比示意圖

根據(jù)圖4可知：傳統(tǒng)方法的控制誤差較大，整體處于0.6～0.8之間，而本文方法大體控制誤差在0.2以下，很少數(shù)可達0.35。針對分析結(jié)果可知，在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)時延問題時，采用節(jié)點監(jiān)控的控制方法誤差較小，相對于傳統(tǒng)方法來說，可很大程度實現(xiàn)多頻段信號源的遠程切換控制。

根據(jù)上述結(jié)果可獲取不同時延情況下的信號源遠程切換控制結(jié)果，如表1所示。

表1 兩種方法信號源遠程切換控制結(jié)果

由表1可知：采用本文所提節(jié)點監(jiān)控方法對物聯(lián)網(wǎng)通信傳輸設(shè)備多頻段信號源遠程切換控制與標(biāo)準(zhǔn)信號源遠程切換控制結(jié)果基本一致，優(yōu)化傳統(tǒng)方法控制結(jié)果。

3.2 丟包問題

通信過程中，數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)包為單位進行傳遞的，一旦網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)時延問題，那么信號數(shù)據(jù)包會出現(xiàn)丟失的現(xiàn)象。在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備多頻段信號源遠程切換過程中，如果出現(xiàn)大量丟包現(xiàn)象，那么說明物聯(lián)網(wǎng)通信傳輸設(shè)備多頻段信號源遠程切換出現(xiàn)了時延問題；如果出現(xiàn)少量丟包現(xiàn)象，那么說明物聯(lián)網(wǎng)通信傳輸設(shè)備多頻段信號源遠程切換無問題。采用基于節(jié)點監(jiān)控的信號源遠程切換控制方法可準(zhǔn)確定位出現(xiàn)丟包問題的節(jié)點，而傳統(tǒng)方法缺少問題定位步驟，導(dǎo)致控制效果較差。為了驗證丟包問題是否對控制效果造成影響，將傳統(tǒng)控制方法與基于節(jié)點監(jiān)控的控制方法進行對，對比結(jié)果如圖5所示。

圖5 丟包問題下不同方法控制誤差對比示意圖

根據(jù)圖5對比示意圖可知：當(dāng)丟包數(shù)量小于等于60字節(jié)時，采用傳統(tǒng)方法控制誤差最大值為0.87，而采用節(jié)點監(jiān)控的控制誤差最大值為0.43；當(dāng)丟包數(shù)量大于60，小于等于140字節(jié)時，采用傳統(tǒng)方法控制誤差最大值為0.9，而采用節(jié)點監(jiān)控的控制方法誤差最大值為0.6；當(dāng)時丟包數(shù)量大于140，小于160字節(jié)時，采用傳統(tǒng)方法控制誤差最大值為0.89，而采用節(jié)點監(jiān)控的控制方法誤差最大值為0.4；當(dāng)丟包數(shù)量大于等于140，小于160字節(jié)時，采用傳統(tǒng)方法控制誤差最大值為0.82，而采用節(jié)點監(jiān)控的控制方法誤差最大值為0.39。針對分析結(jié)果可知，在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)丟包問題時，采用節(jié)點監(jiān)控的控制方法誤差較小。

根據(jù)上述對比結(jié)果可得出分析結(jié)論：基于節(jié)點監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)通信傳輸設(shè)備多頻段信號源遠程切換控制效果較好。

4 結(jié)論

針對傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)通信傳輸設(shè)備信號源切換控制誤差大的問題，提出基于節(jié)點監(jiān)控的多頻段信號源遠程切換控制技術(shù)。

監(jiān)測問題節(jié)點位置，采用Netflow數(shù)據(jù)交換方式對問題節(jié)點信號源進行遠程切換控制。通過實驗分析可知，該方法與傳統(tǒng)方法控制誤差最大相差0.71，能夠在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)時延和丟包問題下，依然保持良好的控制效果。