物聯網通信傳輸設備多頻段信號源遠程切換控制技術

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(河南工業職業技術學院 電子信息工程學院，河南 南陽 473000)

0 引言

隨著物聯網應用和設備的日益普及，用戶在日常生產和生活中將會面對和使用越來越多的物聯網通信傳輸設備。這些設備自身所攜帶的信號和由他們所感知到的信號都是物聯網中的內容，為方便使用，需要這些物聯網設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網信號切換控制系統來由專業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備正常運行的主要手段[1]。 傳統信號源遠程切換控制技術受限于網絡的接收速度，使數據業務呈現單一形式，造成控制精準度較低，尤其是移動終端的網頁，通信業務呈爆發式增長，無法滿足人們對通信的需求。為此，對物聯網通信傳輸設備多頻段信號源遠程切換控制技術進行研究，充分考慮不同業務對信號源遠程切換要求，完善不同業務服務需求，為物聯網通信設備深入研究奠定了基礎。

1 物聯網通信設備信號源控制框架

物聯網信號通信優化整合，使現有通信設備和新設備全部都集中部署在一級與二級通信業務之中，對通信信號提出了更高的要求。為了改善傳統信號源遠程切換控制不佳的問題，采用了物聯網設備多頻段通信方式[2]。該方式主要針對物聯網設備層面的管理，實現基本業務層面的信號源遠程切換控制，這也成為了物聯網通信維護管理的重要支撐體系[3]。

物聯網通信設備信號控制框架的基礎是電磁環境和場強覆蓋能力，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為指標的業務，只有當信號源遠程切換達到人們需求標準時，才可成為最終驗收依據。結合通信實際應用環境，架構通信控制體系，設計3個不同層次來實現對物聯網通信傳輸設備多頻段信號源遠程切換控制，具體架構框圖如圖1所示。

圖1 通信信號控制框架

物聯網信號源遠程切換好壞絕大部分取決于電磁環境和場強覆蓋程度，為此，應先對電磁環境和場強覆蓋程度進行控制，良好的電磁環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，應及時對干擾點進行清除，否則將會導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送的信息[4]。根據無線場強覆蓋能力，對覆蓋面積進行調整，良好的場強覆蓋是保障信號源遠程切換的物理基礎[5]。然后根據上述控制結果對物聯網承載層進行控制，該層次主要承載所有通信信號的指令，采用空中指令狀態遷徙作為控制標準。最后對應用層進行控制，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 端到端通信設備信號切換節點監控

物聯網通信傳輸設備多頻段通信中，對網絡任意一個IP節點的多個信號源遠程切換狀態進行監控，為此，采用節點監控的方式對多頻段信號源遠程切換進行控制[6]。利用物聯網信號中心監控功能對多頻段信號源進行監控，可滿足本地接入層到一級通信業務層的所有信號節點監控。該方法在物聯網基礎上添加對各個信號節點的采集和報警功能，具體監控節點如圖2所示。

圖2 信號源遠程切換節點監控

探測節點是對物聯網終端的固定設備進行探測，并對通信信號業務往來進行識別與統計，進而生成探測數據；接入節點是對物聯網終端傳輸的信號進行采集，并傳輸到下一節點之中；匯聚節點是對一次性通信的所有信號進行匯總，待全部信號傳輸結束后，傳遞到骨干節點之中；骨干節點是對所有通信信號進行總結，并確定傳輸的IP地址，根據該地址向另一物聯網終端傳輸。

物聯網多頻段通信業務需要實現端到端通信業務感知節點監控，在物聯網通信設備中，如果某一種通信信號出現故障，需及時對故障位置和發生原因進行分析[7]。為此，綜合物聯網通信設備中對所有業務狀態的感知情況，監控物聯網通信傳輸設備中的任何一個節點，具體節點監控設置如圖3所示。

圖3 具體節點監控設置

由圖3可知：物聯網通信設備的監控信號節點遍布在整合物聯網設備之中，因此在任意兩個節點之間出現了物聯網信號源遠程切換差的問題都可以通過上述節點監控部署發現[8]。端到端通信設備信號源遠程切換還體現在，隨時監控業務流量轉發的每一段物聯網設備信號狀態，進而發現信號源遠程切換中出現問題的信號節點位置。

2.2 問題信號節點定位

根據上述可發現端到端信號源遠程切換中出現問題的信號節點位置，需結合通信性能與信號特性定位出現信號源遠程切換差的具體位置。如果監控通信信號時，沒有出現信號源遠程切換差的問題，那么信號監控可生成物聯網信號分析報表，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備的發展趨勢，為信號源遠程切換的擴展提供支持[9]。

物聯網通信信號控制中可設定相關信號動態閾值，如果該通信設備在物聯網承載中壓力較大，就說明信號源遠程切換超過了限制的最低閾值范圍，此時需設立預警機制，通過擴展信號來降低物聯網承載能力。如果在控制過程中發現了業務存在信號源遠程切換差的問題，那么需要對控制結果進行處理[10]。根據上述對端到端信號源遠程切換的監控可知，兩個物聯網通信設備之間出現丟包的概率最大，那么間接說明該信號節點存在的問題較為嚴重，此時需在一定范圍內對該節點設置預警裝置，通過報警信號來通知物聯網的維護人員。如果發現在通信信號中存在信號鏈路差的問題，需先設定預警條件，為長期預警提供穩定支持，也可利用發送幀為重點業務鏈路差問題提供穩定性預警支持。根據物聯網業務拓撲結構和預警條件，對該節點處的所有信號進行智能分析，依據分析結果，對問題節點產生的原因進行總結，針對不同預警條件，設置不同處理行為，及時對問題信號節點進行準確定位。

2.3 定位節點處信號源遠程切換控制

2.3.1 丟包率問題解決

對于出現的問題信號節點可依據動態流量控制機制進行信號源遠程切換控制。當通信主要鏈路信號出現異常情況時，可通過網絡轉發策略，將問題鏈路上的全部流量轉移到正常狀態下的鏈路上，通過控制協議完成信號節點中的流量動態控制。依據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為地方數據包；S為節點發送數據包，i為時間；

根據式(1)可計算信號丟包率RLP：

(2)

根據式(2)可知，如果丟包率較大，那么說明物聯網通信傳輸設備多頻段信號在遠程切換中出現了時延問題；如果丟包率較小，那么說明物聯網通信傳輸設備多頻段信號遠程切換無問題。

根據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新點，為實現信號源遠程切換控制提供依據。

2.3.2 信號源遠程切換控制技術的實現

依據上述定位節點控制計算公式，綜合物聯網通信設備信號存在的遠程切換差，對每一個信號在物聯網設備的控制面和轉發面進行控制。在對問題信號進行控制時，需在物聯網通信信號節點中識別通信模式，統計流量走向，按照一定時間間隔或流量比率采集流量，利用Netflow數據交換方式定期采集物聯網終端的流量數據，進而獲取與其相關的通信信息。具體采集到的信息如下所示：

1)物聯網終端信息源IP地址、傳送目的IP地址、端口信息、三層數據包服務信息、協議信息和目的語言編譯信息等IP流量相關的信息地址。

2)通信流量包字節大小、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，需要通過統一管理平臺去采集。由于物聯網通信設備十分復雜，可通過IP地址、物聯網端口、三層數據包服務或信息組合來確定具體通信信號應用情況。通過采集結果，對各個信號源遠程切換情況進行分析，并觀察信息通信節點是否出現問題，如果出現，則說明該節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點繼續控制。

根據物聯網通信傳輸設備多頻段信號源控制節點，設置具體節點監控，并監控任意兩個節點之間的流量傳輸，及時發現端到端的每一段物聯網中出現問題的信號節點位置。根據該位置，設定相關信號動態閾值，如果閾值過小，那么說明物聯網無法承載通信信號源的遠程切換，說明該處出現信號源遠程切換問題；反之，如果閾值過大，那么物聯網同樣無法承載信號源的遠程切換，也說明該處出現信號源出現了切換問題。

如果在控制過程中發現了物聯網通信設備存在信號源遠程切換差的問題，那么需要對切換結果進行控制。依據控制的具體內容，設置不同控制行為，及時對出現問題的信號節點進行準確定位，根據動態控制機制和丟包計算公式，實現對定位節點處的信號源遠程切換控制。

3 實驗結果分析

為驗證本文所提的基于節點監控的物聯網通信傳輸設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網通信傳輸設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，將通信信號進行標準化處理。

3.1 信號源遠程切換控制時延

在物聯網設備多頻段通信過程中，如果信息發送與接收出現延遲，那么說明某個信息節點的信號源遠程切換出現問題。在此情況下，應主要分析主機與服務器的路由情況，如果路由跳動頻數過快，那么流量在相同時間內傳輸較多，造成物聯網無法承載信號的遠程切換，導致物聯網通信效果降低；同樣，如果路由跳動頻數過慢，也會造成物聯網通信信號源遠程切換效果降低。以上這兩種問題產生，都是受到網絡時延影響而導致的信號源遠程切換效果降低，采用基于節點監控的信號源遠程切換控制方法可準確定位出現長時延問題的節點，而傳統方法缺少問題信號定位步驟，導致控制效果較差。為了驗證網絡時延問題是否對控制效果造成影響，將傳統控制方法與基于節點監控的控制方法進行對比，對比結果如圖4所示。

圖4 網絡時延問題下不同方法控制誤差對比示意圖

根據圖4可知：傳統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，很少數可達0.35。針對分析結果可知，在網絡出現時延問題時，采用節點監控的控制方法誤差較小，相對于傳統方法來說，可很大程度實現多頻段信號源的遠程切換控制。

根據上述結果可獲取不同時延情況下的信號源遠程切換控制結果，如表1所示。

表1 兩種方法信號源遠程切換控制結果

由表1可知：采用本文所提節點監控方法對物聯網通信傳輸設備多頻段信號源遠程切換控制與標準信號源遠程切換控制結果基本一致，優化傳統方法控制結果。

3.2 丟包問題

通信過程中，數據是以數據包為單位進行傳遞的，一旦網絡出現時延問題，那么信號數據包會出現丟失的現象。在物聯網設備多頻段信號源遠程切換過程中，如果出現大量丟包現象，那么說明物聯網通信傳輸設備多頻段信號源遠程切換出現了時延問題；如果出現少量丟包現象，那么說明物聯網通信傳輸設備多頻段信號源遠程切換無問題。采用基于節點監控的信號源遠程切換控制方法可準確定位出現丟包問題的節點，而傳統方法缺少問題定位步驟，導致控制效果較差。為了驗證丟包問題是否對控制效果造成影響，將傳統控制方法與基于節點監控的控制方法進行對，對比結果如圖5所示。

圖5 丟包問題下不同方法控制誤差對比示意圖

根據圖5對比示意圖可知：當丟包數量小于等于60字節時，采用傳統方法控制誤差最大值為0.87，而采用節點監控的控制誤差最大值為0.43；當丟包數量大于60，小于等于140字節時，采用傳統方法控制誤差最大值為0.9，而采用節點監控的控制方法誤差最大值為0.6；當時丟包數量大于140，小于160字節時，采用傳統方法控制誤差最大值為0.89，而采用節點監控的控制方法誤差最大值為0.4；當丟包數量大于等于140，小于160字節時，采用傳統方法控制誤差最大值為0.82，而采用節點監控的控制方法誤差最大值為0.39。針對分析結果可知，在網絡出現丟包問題時，采用節點監控的控制方法誤差較小。

根據上述對比結果可得出分析結論：基于節點監控的物聯網通信傳輸設備多頻段信號源遠程切換控制效果較好。

4 結論

針對傳統物聯網通信傳輸設備信號源切換控制誤差大的問題，提出基于節點監控的多頻段信號源遠程切換控制技術。

監測問題節點位置，采用Netflow數據交換方式對問題節點信號源進行遠程切換控制。通過實驗分析可知，該方法與傳統方法控制誤差最大相差0.71，能夠在網絡出現時延和丟包問題下，依然保持良好的控制效果。