智能城市通信工程中大數據傳輸技術研究

中圖分類號：TN919.3 文獻標志碼：A 文章編碼：1672-7274（2025）07-0051-03

Research on Big Data Transmission Technology in Communication Engineering Based on SmartCities

LIANG Xiaoling （ShenyangMedicalCollege，Shenyang11oo34，China）

Abstract： This paper develops a wireless transmission scheme integrating the AES encryption protocol based on the Python framework. Through theoptimization of the encryption algorithm and the signal enhancement technology， the stability and anti-interference performance of data transmission are improved.The research shows that this scheme，while ensuring informationsecurityoptimizes thedata throughput eficiencyand provides asolution for the technological upgrading of the communication infrastructure in smart cities.

Keywords： smart city; communication engineering; big data transmission; AES encryption algorithm

0 引言

智能城市通過物聯網設備、傳感器網絡和大數據平臺實現資源高效管理，核心在于數據的采集、傳輸、存儲與分析，這要求通信網絡支持大規模實時數據傳輸。交通、環境監測、能源調配等應用場景對大數據傳輸技術提出更高要求，尤其在快速響應、安全加密、抗干擾能力和跨區域協同方面。如何在復雜通信環境中實現高效穩定的數據傳輸，成為智能城市通信工程亟待解決的關鍵問題。

1 智能城市數據傳輸技術

智能城市數據傳輸技術通過高效、穩定的通信網絡實現大規模數據的采集、傳輸和處理。其核心原理是利用先進的通信協議和傳輸架構，將城市各個角落的感知設備和終端采集的數據傳遞到中央處理系統或云平臺進行分析與應用。該技術具有高效性、靈活性和兼容性，能覆蓋交通管理、環境監測、公共安全等多個領域，實現實時監測與動態調度[1]。然而，智能城市數據傳輸網絡面臨諸多挑戰，如網絡負載、節點協同和信號干擾等。由于數據量大且多為敏感信息，其安全性尤為重要。現有加密技術難以完全避免復雜網絡環境中的數據泄露風險。因此，結合優化的加密算法與高效錯誤校正技術，對于提升數據傳輸的安全性和穩定性至關重要。通過引入先進的傳輸機制與優化算法，確保數據在復雜環境中的可靠傳遞。

2 數據加密算法

數據加密算法是用于將原始數據通過特定算法轉化為不可讀的密文形式，只有授權用戶才能解密還原。以AES（AdvancedEncryption Standard）為例，它是一種對稱加密算法，通過固定長度的密鑰對數據進行加密和解密操作。加密過程包括多輪字節代換、行移位、列混淆和輪密鑰加等步驟，確保數據在傳輸過程中難以被破解。AES加密算法將輸入的數據分組為固定長度（通常為128位）的塊，并結合128位、192位或256位的密鑰執行多輪加密操作。在傳輸過程中，數據通過加密處理生成密文，接收方則利用相同的密鑰進行解密，以還原原始數據，確保數據的完整性和保密性[2]。假設輸入明文塊為 p=（p₁，p₂，…，p_n） ，密鑰塊為K=（k₁，k₂，…，k_n） ，AES加密函數定義為

C=E_K（P）

式中， c 為加密后的密文塊； E_K 表示以密鑰 K 為參數的加密操作。解密過程則是：

P=D_K（C）

式中， D_K 為對應的解密函數。AES的核心操作包括有限域上的加法與乘法。例如，對于一個數據塊

p=（p₁，p₂，…，p_n） 和密鑰 K=（k₁，k₂，…，k_n） ，其輪密鑰加操作計算如下：

r_i=p_i⊕k_i（1?i?n）

式中， ⊕ 表示逐位異或操作。為增強抗干擾能力，可以結合非線性變換和多輪加密操作。假設S-Box表示字節代換表，數據塊的替換計算如下：

式中，SS為AES中預定義的替換規則。合理優化加密算法參數，可有效平衡安全性與性能之間的關系，使數據加密算法在智能城市通信工程中實現高效應用。

3 基于Python框架的大數據傳輸架構設計

本文基于Python框架設計了大數據傳輸架構。在智能城市通信系統中，采集到的傳感器數據首先轉換為標準化的JSON格式，便于后續傳輸和處理。數據經過編碼模塊處理，轉為字節流格式，并傳遞到加密模塊，采用AES加密算法對數據進行加密，確保傳輸安全性。密文數據、時間戳和校驗碼在數據打包模塊中封裝成數據包，并通過網絡接口模塊傳輸至通信鏈路。接收端解封裝數據包，解密模塊利用預設密鑰還原數據，并校驗數據完整性和準確性。如果校驗碼匹配，系統輸出“數據傳輸成功”；否則輸出“數據異常”并記錄錯誤信息。為提高數據傳輸的高效性與標準化，系統采用字節流和JSON格式進行數據交換，支持多平臺和分布式部署。通過Python的多線程和優化網絡協議，系統能在大數據量傳輸中保持較高效率。

4 無線通信中的信號增強與干擾抑制

在智能城市通信系統中，信號增強與干擾抑制是確保大數據穩定、高效傳輸的關鍵技術。無線通信環境復雜，容易受到多徑效應、設備間干擾及外部噪聲的影響，導致信號衰減和數據丟失。因此，為了提高數據傳輸的可靠性，本文采用自適應波束成形技術和頻譜濾波技術，通過信號增強與干擾抑制的協同應用，改善無線數據傳輸的質量。智能城市無線信號增強與干擾抑制系統如圖1所示。

在發送端，自適應波束成形技術通過多天線陣列智能調整信號發射方向和幅度，形成定向波束，最大化信號強度并抑制干擾。系統根據接收端位置信息和信道反饋，動態優化發射信號，提升傳輸效率并降低能量損耗。接收端使用帶通濾波器過濾復合信號，去除噪聲后，信號處理模塊結合自適應算法增強信號，消除外部干擾。通過濾波和增強，接收端能夠準確還原數據，確保數據傳輸的完整性和穩定性。系統實時監測信道狀態，動態調整波束傳輸路徑，降低信號衰減和干擾。研究表明，自適應波束成形與頻譜濾波技術結合，可顯著提升抗干擾能力和傳輸穩定性，特別適用于智能城市中對高質量數據傳輸要求的應用，如交通監控、環境采集和公共安全管理。

圖1智能城市無線信號增強與干擾抑制系統

5 智能城市環境下大數據傳輸模式分析

5.1數據傳輸流程設計

在智能城市通信系統中，大數據傳輸主要包括數據采集、傳輸、接收和校驗四個環節。前端設備（如物聯網傳感器、高清攝像頭等）采集數據，將原始數據打包成標準化的數據包。數據包包含傳輸內容、時間戳、唯一標識碼和加密校驗值等關鍵信息，確保數據的可追溯性和安全性。數據經過加密模塊處理后，通過無線通信網絡進行傳輸。在傳輸過程中，系統結合信號增強技術和抗干擾算法，對無線信號進行實時優化，減少數據傳輸中的丟失與延遲[3]。接收端通過解密和解封裝模塊，還原原始數據，并通過校驗算法比對數據完整性，判斷數據是否被篡改或丟失。如果數據與發送端完全一致，系統輸出“數據傳輸成功”的信息；如果出現誤差，系統觸發警示機制，輸出“數據異常”信息。

5.2傳輸性能測試與數據分析

為了全面評估系統的傳輸性能，實驗通過模擬三種不同干擾環境（低干擾、中等干擾、高干擾）下的數據傳輸情況，并測量平均傳輸速率、丟包率、傳輸延遲及信號強度等關鍵指標。智能城市無線通信系統在不同干擾環境下的傳輸性能見表1。

表1智能城市無線通信系統在不同干擾環境下的傳輸性能

在低干擾環境下，系統的平均傳輸速率接近30 Mbps，丟包率僅0.5%，傳輸延遲控制在12.5 ms以內，表現出較高的傳輸效率與穩定性。在中等干擾環境下，傳輸速率略降，丟包率稍增，但傳輸成功率保持在97.8%。在高干擾環境中，受噪聲和干擾影響，平均速率降至15.4Mbps，丟包率升至6.7%，傳輸延遲增加至35.8ms，但傳輸成功率仍達93.1%，顯示系統具備較強的抗干擾能力。

5.3 干擾抑制與系統優化

在高干擾場景下，為提高數據傳輸穩定性，系統結合自適應信號增強和頻譜濾波技術。自適應信號增強動態調整發射信號方向與功率，集中能量向目標接收端傳輸，避免能量擴散引起的衰減。頻譜濾波模塊實時剔除無關頻段的噪聲，提高信噪比（SNR）。為降低數據丟失概率，系統在接收端引入錯誤檢測與重傳機制，確保數據的完整性與準確性。結果表明，本文設計的無線通信系統能有效解決智能城市環境中的信道干擾問題，保證大數據傳輸的高效與穩定性。

6 結束語

本文針對智能城市環境下的大數據傳輸需求，結合自適應信號增強與干擾抑制技術，提出了一種基于無線通信系統的數據傳輸方案，重點解決數據傳輸過程中存在的信號衰減與干擾問題。研究表明，本文提出的無線通信數據傳輸方案能夠有效提升數據傳輸的穩定性與抗干擾能力，即使在高干擾環境下依然保持較高的傳輸成功率，滿足了智能城市多樣化場景下的大數據傳輸需求。

參考文獻

[1]許子恒，李王睿，張立東，張菁博，基于信息備份技術提升城市軌道交通數據單向傳輸可靠性的設計方法[J].城市軌道交通研究，2024.27（9）：227-230.

[2]張帥，于忠臣，劉勇，等.數字孿生城市大數據平臺數據流轉安全模型研究[J].信息安全研究，2023.9（01）：48-56.

[3]孫全濤，崔曉軍，杜振振，等.城市軌道交通車輛制動系統的車地無線通信數據傳輸各環節常見問題分析及解決方法[J].城市軌道交通研究，2022，25（08）：162-165.