网络突发数据传输技术（共9篇）
网络突发数据传输技术 篇1
摘要：对网络上行信道的特性及数据传输技术进行了研究。在基于CATV接入的网络的多用户接入信道上,需要采用突发模式传送技术来支持随机多址接入。文章首先分析了现有网络数据传输技术研究的现状及存在的问题,为合理选择网络模型、标准以及设计网络提供了理论和技术保证,从网络的MAC协议出发,分析了网络目前相关标准的冲突解决算法,找出了影响网络系统性能的主要因素,提出了改进网络性能的新算法和技术。
关键词：上行信道,突发数据,同步技术
1 引言
近年来,各种因特网接入技术层出不穷,尤其是广电系统基于CATV网络的接入技术,成为计算机网络领域的一个研究热点。CATV网已从最初由同轴电缆组成的模拟电视分配网发展成为现在的光纤同轴混合(HFC)网。对网络上行数据传输技术进行研究,实现可靠的数据传输,为基于CATV的因特网接入提供了技术保障,使用户能够通过有线电视网络可靠地传输IP通信量。本文将对网络的上行信道突发数据传输技术进行研究。
2 网络概述
CATV-HFC网络是在传统的同轴电缆CATV网络基础上发展起来的。采用双向传输技术,在CATV网络中进行计算机联网是一种可行方案。对于一个较大的CATV系统,尽管从原理上讲,在一个全同轴电缆网络中进行双向通信是可能的,但是上行信道在的噪声漏斗效应使得这种方法实际上是不可行的。因此传统的CATV系统的干线同轴电缆逐渐被光纤取代,形成了HFC网络结构。HFC网络不仅使电视传输质量有了很大的改善,网络的可靠性和稳定性有了明显的提高,更主要的是形成了一个双向通信能力极大提高了的系统基础结构,具备了导入语音和数据通信业务的基础,使上行信道具备了相应的通信能力。HFC系统除了能提供数量更多、质量更好的传统电视节目外,还有足够的系统资源来提供各种新型的交互式视频娱乐业和双向话音数据通信业务。
3 网络的缺陷
HFC网络虽然减少了级联深度和可靠性及均衡问题、比ISDN和纯同轴网提供更多的带宽,是对目前己有的CATV进行改造实现高速宽带传输的一种较好的方法,但仍存在一些问题:(1)反向噪声,由于HFC网络共享媒体的反向通道,容易导入噪声尤其是来自户内的噪声,并严重影响大量用户的服务质量;(2)故障隔离,在共享环境中准确确定出现故障的用户设备,以实现系统的自动增益控制;(3)协议和标准,目前有多个标准在运作,标准的统一也是重要的工作之一;(4)信息安全,总线环境下,各种信息的安全存在漏洞。
4 网络的上行信道
4.1 网络的上行多址接入信道
根据IEEE 802.14协议和DOCSIS协议,同轴电缆总的频率带宽可达1GHz,其中5-42MHz频带用于传输多用户上行接入信号,50-860MHz频带用于传输下行信号,860MHz以上频带可用于将来业务拓展。HFC网络的上行信道和下行信道是非对称的。从前端到用户端的下行信道是一对多的广播信道。下行信道条件好,一般采用频带利用率高的64QAM/256QAM调制和时分复用方式传输信息,在6MHz或8MHz带宽内,可取得30M-40Mbp S的数据传输速率。从用户端到前端的上行信道是多对一的多址接入信道,上行信道存在许多噪声、干扰、失真及其特有的噪声漏斗效应,通信环境非常恶劣,需要采用QPSK等抗噪声干扰性能较好的调制方式。对于同轴电缆上行信道,可以采用的多址接入方式有FDMA,TDMA和CDMA。
4.2 网络上行信道数据突发模式传输
多址接入信道的拓扑一般是点对多点的结构。多址接入信道的资源由所有用户共享,需要采用突发模式传输技术来支持随机多址接入。在多址接入信道上,采用突发模式传输技术和普通的连续模式传送技术相比,前者支持包通信模式工作,因此可以获得更大的系统容量并且可以更有效地支持突发数据源的可变比特率业务。突发接收机对突发同步算法的性能有非常苛刻的要求,原因在于:一方面,与普通的连续模式传输系统不同,多址接入信道控制前端接收的相连突发数据包一般来自不同的用户终端站点,这些数据包无论是信号电平还是噪声特性都各不相同,解调前一个数据包所得到的同步信息不能为解调下一个数据包所利用,因此对每一个接收的数据包,接收机都需要重新估计同步参数。另一方面,接收机解调一个突发数据包可获得的时间是非常短的,如果不能在尽可能短的时间内有效地捕获同步参数,接收机将丢失整个数据包,这对相应的同步算法提出了很高的要求。
4.3 数据传输竞争的解决
对于数据传输的竞争,网络常采用P--坚持算法和n--重树型算法。
P法由前端选择一个随机值P并把传送它所有的工作站。在一个工作站试图传输之前,在0和1之间产生一个随机数。如果这个数小于P,工作站就传输,否则工作站就等待。该算法的一个重要特征是与以前的冲突状态无关。在前端和工作站中都没有状态被存储,冲突请求是以一个概率P被重新传输的,这个过程被重复直到所有请求被前端成功地接收。
n--树型算法的原理是:当发生冲突时,冲突的各工作站点构成一个树型结构,并根据树型结构中所具有权值来确定冲突的各工作站的冲突解决顺序。在这个基于树型的机制中,每个工作站都设置一个计算器,每个工作站的计算器按冲突时隙的结果调整:(1)如果在该冲突时隙中工作站是冲突的,计算器的值=随机数[0,n-1],若计算器的值为0,该工作站被允许在下一个时隙中传输;(2)如果工作站是不相关的,计算器的值=计算器的值+(n-1);(3)如果工作站成功传输,且是不相关的,计算器的值=计算器的值-l。
5 网络传输规则(FTR)
HFC网络未发生冲突时的FTR采用:优先权+FIFO方案。其中,优先机制用于区别不同优先顺序的请求,FIFO机制用于防止额外的冲突,其核心算法是基于P-坚持算法。FTR也可以分为非阻塞接入和阻塞接入两种类型。非阻塞方式允许新来的工作站请求立即参与冲突,这显然会增加系统的整体时间。阻塞接入方式有两种改进算法,R接入和由R接入改进的T接入。所谓R-坚持算法,是由前端计算出一个范围参数R,它决定一个工作站可以随机选择新CRI中一个时隙的范围。在该方法中,新来工作站中仅有MS(j+1)/R部分被允许在当前j+1循环的新CRI中传输。MS(j)是在该CRI中的冲突微时隙的数量,如果这个随机数选择大于MS,工作站在下一个循环重复这个过程。
当网络冲突后,IEEE 802.14标准采用的解决方案为所谓树型阻塞方案。具体方法是先是采用3-重树型算法作随机选择,而后用P-坚持算法进行检查,即:若请求传输后发生冲突,该工作站保存来自前端认证信息中提供的请求值,当前端分配下一个微时隙簇时,该工作站检查微时隙簇中各组的请求值看其中是否有小于或等于所保存的请求值的,若有该工作站则参加符合条件的请求值最大的组中冲突,否则继续等待。
此外,多重竞争解决引擎也是一种竞争的良好解决方法。并发方法覆盖冲突解决阶段和数据传输阶段,数据微时隙部分和请求时隙部分混合传输。交织方式在每个冲突解决间隔(CR1)中可以有多个微时隙簇,而每个帧中包含了多个CRI,每个竞争解决方案引擎独立地操作,以减少网络的接入延迟和冲突解决延迟。若在一个CRI中有k个微时隙簇,则交织因子为k,可以有k个竞争解决引擎并行运行,这样可以极大减少冲突解决延迟。
6 结束语
在基于CATV接入的网络的多用户接入信道上,需要采用突发模式传送技术来支持随机多址接入。文章首先分析了现有网络数据传输技术研究的现状及存在的问题,为合理选择网络模型、标准以及设计网络提供了理论和技术保证,从网络的MAC协议出发,分析了网络目前相关标准的冲突解决算法,找出了影响网络系统性能的主要因素,提出了改进网络性能的新算法和技术。
参考文献
[1]窦剑,吴庚生.基于HFC网的宽带业务接入及其解决方案[J].电视技术,2000[9]:17-21.
[2]杨东生,张金艺,林如俭.码分多址在HFC网中的应用[J].电视技术,2000[11]:22-24.
[3]郭金生.双向HFC网上行通道的噪声与干扰[J].电视技术,1999[5]:39-41.
[4]赵问道,宋耀光,姚庆栋.同轴电缆网络上行信道噪声漏斗效应及其对调制技术的影响分析[J].浙江大学学报,1999,33[5]:535-539.
[5]蔡文杰,苏祥芳,王延平.光纤同轴电缆混合网技术[J].武汉大学学报,2000,46[5]:617-620.
网络突发数据传输技术 篇2
随着科技的快速发展，现代通信网络光纤传输技术在我国已经得到了广泛的应用，特别是在光纤通信体系中的应用更为普遍。
在移动互联网快速发展的背景下，我国的光纤通信也得到了快速发展，现已实现三网融合的状态。
在实际应用过程中，现代通信网络光纤传输技术还可分的更细致，包括单纤双向传输技术、双纤传输技术及光纤到户接入技术等。
单纤传输和双纤传输的主要区别就在于信号在几条光纤中传输，单纤传输的信号是在同一光纤中传输，这主要是因为理论上光纤传输的容量是巨大，甚至可以说是无限的，不过在实际的应用过程中，也可能因为设备的原因，使得光纤传输容量没有达到最佳状态。
目前我国的光纤传输还主要采用双纤传输，不过这种传输方式造成了很大程度的光纤资源浪费，如果采取单纤传输技术则可以节省很多光纤资源，在整个光纤通信系统中，这个节省的光纤资源就是巨大的。
单纤传输技术已经开始被逐渐采用，并且该技术主要应用于光纤末端接入设备;光纤到户接入技术也是现代通信网络光纤传输技术的一种，随着人们生活质量的提高，宽带业务也得到迅速发展，为了更好地满足人们的生活需求，高质量视频通信也极大程度的发展。
宽带业务的发展需要依靠光纤到户接入技术。
总之，现代通信网络光纤传输技术的应用越来越广泛，也越来越成熟[1]。
2.2 现代通信网络光纤传输技术的应用缺陷
虽然现代通信网络光纤传输技术在通信网络中发挥着重要的作用，但是现代通信网络光纤传输技术在应用过程中还存在一定的缺陷。
这些缺陷主要体现在以下两个方面：第一，光纤损坏问题普遍存在，光信号在光纤中传输，信号强度会随着传输距离的.增加而逐渐减弱，这就是所谓光纤损耗。
产生损耗的原因有很多方面，其中也包含了光纤本身的原因，比如说散射损耗。
另外，光纤损耗还可能是因为传输线问题产生的，比如说传输线弯曲。
光纤损坏这个缺陷产生了较为严重的后果，而且给通信网络业带来了较高的成本;第二，光纤的色散产生的消极影响。
信号在光纤的传输过程中，可以以不同的形式进行传输，而且可以产生不同的频率，这种情况下可以引起传输信号的畸变，这对信号的传输是非常不利的，比如说光纤信号的传输可能会产生脉冲重叠，这样就可能造成通信质量的下降。
网络突发数据传输技术 篇3
信息网络的宽带接入成为网络技术发展的一个重要课题，有线电视(CATV)拥有丰富的带宽资源，并以其频带宽的特点被世界各国专家公认为“信息高速公路的最后一公里”的优秀解决方案，具有巨大的产业开发价值，如何充分利用CATV的宽带和交互资源，构筑基于CATV的Internet宽带信息网是现在的研究热点。传统的CATV传输的电视信号是广播式的，而数据传输强调的是双向交互，即用户在接收信息的同时，还需回传上行信息[1]。CATV网已从最初由同轴电缆组成的模拟电视分配网发展成为现在的光纤同轴混合(HFC)网。要实现基于HFC (Hybrid Fiber Coax)的CATV网络的双向通信，关键技术在于上行信道上。对CATV网络上行数据传输技术进行研究，实现可靠的数据传输，为数字广播电视交互式业务的扩展提供了技术保障，使用户能够通过有线电视网络可靠地传输IP通信量，使用视频点播、远程教育、图文电视、数据通信、计算机通信等在上行通道中开展的CATV扩展业务和增值业务。本文将对CATV-HFC上行信道突发数据传输技术进行研究。
2 HFC网络概况
HFC网络是在传统的同轴电缆CATV网络基础上发展起来的，而CATV网络是美国从40年代末创建共用天线系统以后逐步发展起来的[2]。在CATV系统发展的早期，人们就开始考虑该网络的综合利用问题。采用双向传输技术，在CATV网络中进行计算机联网是考虑较多的例子。对于一个较大的CATV系统，尽管从原理上讲，在一个全同轴电缆网络中进行双向通信是可能的，但是上行信道(从用户到前端)存在的噪声漏斗效应使得这种方法实际上是不可行的。因此，有线电视在相当长的一段时间内几乎没有什么的突破性发展。1989年左右，高度线性的分布反馈(DFB)激光器的研制成功，使低成本的AM-VSB(幅度-残留边带调制)多频道电视光纤传输系统进入实用化阶段，从此，有线电视进入一个新的发展阶段。传统的CATV系统的干线同轴电缆逐渐被光纤取代，形成了HFC网络结构，如图1所示。
HFC网络不仅使电视传输质量有了很大的改善，网络的可靠性和稳定性有了明显的提高，更主要的是形成了一个双向通信能力极大提高了的系统基础结构，具备了导入语音和数据通信业务的基础，使上行信道具备了相应的通信能力[3]。HFC系统除了能提供数量更多、质量更好的传统电视节目外，还有足够的系统资源来提供各种新型的交互式视频娱乐业和双向话音数据通信业务。HFC网络结构的出现不仅带来了更高的网络可靠性和更好的图象质量，更为重要的是，通过减少光电节点的服务区大小，使有线电视网络具备了良好的上行通信可能性，是目前较为经济的宽带接入综合业务网平台。
用HFC这种网络结构建立宽带网的原因有很多方面。因为它既是电话网络结构，也是CATV网络结构，它能使电话和CATV两方面都充分运用该网络。HFC支持全部现存的和发展的窄带和宽带业务，可成为所谓的全业务宽带网络，而且HFC可以简单地过渡到FTTH网络，为光纤用户环路的建设提供了一种渐进的手段。双向HFC网的传输通道，按频率可划分为上行通道和下行通道，在下行通道中，传输传统的电视节目，在上行通道中则可以开展其它扩展业务和增值业务，如视频点播、远程教育、图文电视、数据通信、计算机通信等。此外HFC网络还有以下优点：HFC网具有很好的数模兼容性;HFC网能满足平滑过渡到全数字化、全光纤的远期需求;HFC网络的技术方案可以根据市场的需求分期分批地扩容和升级，还可以边建设边扩容;HFC综合信息网带宽可达1GHz，比其它宽带接入优势明显。
3 HFC网络的上行信道
3.1 HFC网络的上行多址接入信道
根据IEEE 802.14协议和DOCSIS协议，HFC网络同轴电缆域的频率配置如图2所示。同轴电缆总的频率带宽可达1 GHz，其中5～42 MHz频带用于传输多用户上行接入信号，50～860 MHz频带用于传输下行信号，包括模拟电视、数字电视及其下行语音和数据信息，860 MHz以上频带可用于将来业务拓展。
HFC网络的上行信道和下行信道是非对称的。从前端到用户端的下行信道是一对多的广播信道。下行信道条件好，一般采用频带利用率高的64QAM/256QAM调制和时分复用(Time Division Multiplex)方式传输信息，在6 MHz或8 MHz带宽内，可取得30～40 Mbit/s的数据传输速率。从用户端到前端的上行信道是多对一的多址接入信道，上行信道存在许多噪声、干扰、失真及其特有的噪声漏斗效应，通信环境非常恶劣，需要采用QPSK等抗噪声干扰性能较好的调制方式。相应地，上行信道的数据传输速率较低[5]。同时，由于连接于同一同轴电缆的所有用户共享上行信道资源，需要采用一定的多址接入方式和MAC协议来解决用户之间的有效接入，因此决定HFC网络性能的不是下行信道的性能，而是上行多址接入信道的性能。对于同轴电缆上行信道，可以采用的多址接入方式有FDMA(频分多址)，TDMA(时分多址)和CDMA(码分多址)。
3.2 HFC网络上行信道数据突发模式传输
多址接入信道的拓扑一般是点 (中心控制前端，HUB) 对多点 (用户终端) 的结构。多址接入信道的资源由所有用户共享，需要采用突发模式 (Burst Mode) 传输技术来支持随机多址接入。在多址接入信道上，采用突发模式传输技术和普通的连续模式 (Continuous Mode) 传送技术相比，前者支持包通信模式工作，因此可以获得更大的系统容量并且可以更有效地支持突发数据源的可变比特率业务。突发接收机对突发同步算法的性能有非常苛刻的要求，原因在于：一方面，与普通的连续模式传输系统不同，多址接入信道控制前端接收的相连突发数据包一般来自不同的用户终端站点，这些数据包无论是信号电平还是噪声特性都各不相同，解调前一个数据包所得到的同步信息不能为解调下一个数据包所利用，因此对每一个接收的数据包，接收机都需要重新估计同步参数。另一方面，接收机解调一个突发数据包可获得的时间是非常短的，如果不能在尽可能短的时间内有效地捕获同步参数，接收机将丢失整个数据包，这对相应的同步算法提出了很高的要求。
为了帮助接收机更快地捕获载波、位时钟等同步参数，一般的处理方法是在发送的数据包前插入一个特定图案的报头，接收端以报头作为数据来先后进行载波恢复和位时钟恢复。一直以来，人们对载波和位时钟恢复算法的研究工作主要集中于经典的以锁相环路PLL为基础的递归反馈式结构。由于锁相环路存在hang-up，同步捕获和保持性能对环路带宽的要求相互矛盾等问题几乎是无法克服的。因此，这些基于PLL的同步参数恢复算法往往需要数百个符号的报头才能获得理想的性能。而突发数据包的长度一般只有几十到上千个符号。这种沉重的报头开销大大降低了信道传输效率，造成吞吐量、时延等多址接入性能下降。这种状况直到全数字接收技术的出现才得到根本改变。全数字接收机解调用的本地参考载波和采样时钟都振荡于固定的频率，不需要将信号反馈到模拟部分进行反馈控制，因此接收机对信号的响应时间大大加快，能更快地获得同步。
4 HFC上行信道突发数据传输技术研究
在HFC网络交互系统中，前端的CMTS面对众多的CABLE MODEM，在MAC控制下，下行传输多为稳定信息，即下行信道属于媒介共享。而CM上行的任何操作亦受控于CMTS，即CM采用突发的数据传送模式。为了快速有效地解调CM的突发信息，HFC网络支持带有报头的数据包业务。报头部分的码字及长度在CATV网络传输的头端是可以编程的，不同特性的报头检测算法也不同。
为了提高多址接入信道的性能，在多址接入信道上，往往需要实现两级同步：网络同步和突发同步[5]。网络同步是要求各用户发送的突发信号在多址接入信道中心控制前端突发接收机的输出处保持同步。网络同步操作可以减少时隙间的保护时间，从而提高时隙信道的传送效率。突发同步是指系统在取得网络同步后，突发接收机将在一个个时隙窗口内接收突发数据包，如图3所示。由于信号传输时延以及发射机和接收机时钟频率漂移变化等因素，到达接收机的突发数据包在时隙窗口内的位置是不确定的。因此需要对突发数据包进行有效解调并确定其在时隙窗口内的具体位置也即突发同步。突发同步主要包括载波同步、位时钟同步和数据包3个过程。
因此，快速、有效地进行同步参数恢复是突发同步的关键因素。为帮助接收机更快地捕获载波、位时钟等同步参数，一般的处理方法是在发送数据包前插入一个特定图案的报头，接收端以它作为辅助数据来先后进行载波恢复和位定时恢复。当然也可以采用联合载波恢复和时钟恢复技术，此时的报头中的CR和BTR子串不进行严格区分。然而，对仅含数十到上百个符号的突发数据包，这种报头开销是不合理的，它将大大降低信道的传送效率。此时，往往采用无报头突发模式数据传送系统。由于不存在作为辅助数据的报头，无报头突发接收机一般先需要存储整个突发数据包，然后进行载波恢复、位时钟恢复等同步工作。因此接收机的复杂度与数据包长度密切相关，并且整个突发同步过程会引入较大的处理延时 (1～2个时隙左右) ，但此时信道传送效率得到提高。无报头的突发模式传送系统一般适合于突发数据包应用场合，其已在卫星系统中得到应用。
5 结束语
在HFC-CATV网络的多用户接入信道上，需要采用突发模式传送技术来支持随机多址接入。为提高多址接入性能，在多址接入信道上，往往需要实现两级同步，也即网络同步和突发同步。本文给出了突发同步问题的解决思路，为下一步的具体工程实现提供了方向。
参考文献
[1]窦剑, 吴庚生.基于HFC网的宽带业务接入及其解决方案, 电视技术.2000 (9) :17-21
[2]杨东生, 张金艺, 林如俭.码分多址在HFC网中的应用, 电视技术2000 (11) :22-24
[3]郭金生.双向HFC网上行通道的噪声与干扰, 电视技术, 1999 (5) :39-41
[4]赵问道, 宋耀光, 姚庆栋.同轴电缆网络上行信道噪声漏斗效应及其对调制技术的影响分析, 浙江大学学报, 1999.33 (5) :535-539
有线电视网络IP传输技术比较 篇4
摘要：在有线电视网络中的IP传输技术有IP over ATM、IP over SDH、IP over WDM三种形式，本文详细地介绍了这三种IP传输技术并对它们进行了比较。
关键词：IP技术，有线电视网络，IP over ATM，IP over SDH，IP over WDM。
随着全球互联网（Internet）的迅猛发展，上网人数正以几何级数快速增长，以因特网技术为主导的数据通信在通信业务总量中的比列迅速上升，因特网业务已成为多媒体通信业中发展最为迅速、竞争最为激烈的领域。二十一世纪是信息产业持续发展的时期，IP技术使得信息汇集和现有网络整合成为可能，IP over everything已成为无可争辩的事实。
目前，Internet通过电信拨号的接入速度极其缓慢，一般电话的Modem只能提供几十Kbit/S的传输速率，其速率和带宽不可能很好地支持多媒体信息等宽带业务。
随着多媒体通信的发展，因特网接入宽带化的需求日益迫切。而有线电视网拥有丰富的带宽资源，同时，目前我国有线电视用户已经达到了8000万户，有线电视网络的里程超过了240万公里，中国已经成为世界第一大有线电视用户国。有线电视网络具有巨大的产业开发价值，构筑基于有线电视网的Internet宽带信息网，不仅仅是广大用户的企盼，更是有线电视网实现第二次腾飞的关键所在。
在有线电视网络中用何种技术传输IP，取决于有线电视网络所采用的传输技术。在有线电视网络中的IP传输技术有IP over ATM、IP over SDH、IP over WDM三种形式。
一、IP over ATM
ATM是一种高速率、低时延的多路复用交换技术。它是在分析、总结电路交换和分组交换的技术优缺点的基础上发展起来的，它融合了两者的优点，即面向连接、保证服务质量和统计复用以实现高带宽。它采用固定长度的短分组在网络中传送各种通信信息，便于硬件的高速处理，实现高速、大容量的宽带交换。而且，具有相当完善的流量控制功能和拥塞控制功能，保证带宽利用率，保证网络的安全性和可靠性。在有线电视网络中，应用ATM的流量控制可以实现视频传输的分级服务，ATM还可以实现电视节目实时的非对称传输，目前，部分省内和地市以下的有线电视传输网仍采用ATM技术。
IP over ATM是IP与ATM的结合，当前有两种技术方式：即重叠技术和集成技术。重叠技术是将IP网络层协议重叠在ATM之上，即ATM网与现有的IP网重叠，在ATM端点同时使用ATM和IP两种地址的映射功能，发送端在得到接收端ATM地址后，便可建立ATM/SVC连接，传送LAN数据包。集成技术是将IP路由器的智能和管理性能集成到ATM交换机形成一体化平台，仅要求标识IP地址，无须ATM的地址解析协议，简化了ATM的路由选择功能，提高了IP转发效率，同时保留了路由的灵活性。
IP over ATM技术的优点是可充分利用ATM的快速交换和完善的QoS功能，保证网络的服务质量；网络具有很好的扩展性和灵活性；支持多种业务、数据、语音、视频汇集到一个网络上，为不同业务类型提供不同的服务质量QoS；有很好的网络流量管理和控制性能，表现在ATM流量控制方面非常精细，这一点对带宽是非常宝贵的、线路费用非常高的广域网来说就显得非常重要，这是目前ATM能在广域网中被广泛采用的原因之一。
IP over ATM技术的缺点：由于IP数据包必须映射成ATM信元，由此形成的传输开销称为“信元税”，故传输效率低；网络管理比较复杂，设备昂贵；不太适用于超大型IP骨干网。
二、IP over SDH
ATM能支持多种业务曾经是它独一无二的特点，但随着IP技术的发展和网络硬件的不断完善，今天的IP已成为各种业务的核心，数据语音和视频业务都可由IP承载，ATM的优点已由IP技术取代，特别是当数据业务量超过语音和视频时，更显得ATM没有存在的必要，况且去掉ATM还可以提高传输效率。因此，IP over SDH应运而生，这一技术也极大地动摇了ATM在广域网中的地位。
SDH传送网的概念最初于1985年由美国贝尔通信研究所提出，称之为同步光网络（Synchronous Optical NETwork,SONET）。它是由一整套分等级的标准传送结构组成的，适用于各种经适配处理的净负荷（即网络节点接口比特流中可用于电信业务的部分）在物理媒质，如光纤、微波、卫星等上进行传送。该标准于1986年成为美国数字体系的新标准。国际电信联盟标准部（ITU—T）的前身国际电报电话资询委员会（CCITT）于1988年接受SONET概念，并与美国标准协会（ANSI）达成协议，将SONET修改后重新命名为同步数字系列（Synchronous Digital Hierarchy,SDH）,使之成为同时适应于光纤、微波、卫星传送的通用技术体制。
SDH传输网是由一些SDH网络单元组成的，在光纤、微波或卫星上进行同步信息传送，融复接、传输、交换功能于一体，由统一网络管理操作的综合信息网。可实现网络有效管理、动态网络维护、对业务性能监视等功能，能有效地提高网络资源的利用率，能满足广播电视干线传输网的信息传输和交换的要求，对提高广播电视传输质量有了质的飞跃，因而SDH技术正成为广播电视领域传输技术方面的发展和应用热点。
IP over SDH以SDH网络作为IP数据网络的物理传输网络。它使用链路及点到点协议（PPP：Point To Point Protocol）对数据包进行封装，根据RFC1662规范把IP分组简单地插入到PPP帧中的信息段。然后再由SDH通道层的业务适配器把封装后的IP数据包映射到SDH同步净荷中，然后经过SDH传输层和段层，加上相应的开销，把净荷装入一个SDH帧中，最后达到光网络，在光纤中传输。IP over SDH，也称为PACKET over SDH（PoS），它保留了IP面向无连接的特征。
IP over SDH的优点是：对IP路由的支持能力强，具有很高的IP传输效率；符合Internet业务的特点，如有利于实施多播方式；能利用SDH技术本身的环路和网络自愈合能力达到链路纠错的目的；同时又利用OSPF协议防止链路故障造成网络停顿，提高网络的稳定性；将IP网络技术建立在SDH传输平台上，可以很容易地跨越地区和国界，兼容不同技术标准实施全球联网；声略了ATM层，简化了网络结构，降低了运行成本。在有线电视网络平台上IP over SDH适用于省际网络和省内网络上的IP传输。
IP over SDH的缺点是：IP over SDH目前尚不支持虚拟专用网VPN和电路仿真；在所有包交换技术中，ATM的QoS是最好的，它可以做到电路仿真，而IP over SDH技术只能进行业务分级，不能提供较好的QoS；对大规模的网络必须处理庞大、复杂的路由表，而且查找困难，路由信息占用比较大的带宽。
从光通信技术发展趋势看，SDH/SONET未来将让位于波分复用技术，因此，IP over SDH将最终发展成为IP over WDM（IP over OPTICAL）
三、IP over WDM 随着传输技术的发展，以IP业务为主对网络的进一步优化设计将是IP over WDM。
波分复用技术（WDM）是在一根光纤中能同时传输多个波长的光信号的一种技术，其原理是：在发送端将不同波长的光信号组合，在接收端又将组合的光信号分开送入不同的终端，这意味着，原来只能采用一个波长作为载波的单一信道，变为数个不同波长的光信道同时在光纤中传输，从而使光通信的容量成倍提高。WDM技术的实现主要由波分复用器来完成。波分复用器是一个无源光学器件，器件结构简单、体积小、易于和光纤耦合。WDM系统有三种基本结构，即光多路复用单向单纤传输，光多路复用双向单纤传输和光分路插入传输。组网灵活，对开发带宽新业务，充分挖掘和利用光纤带宽的能力，实现高速通信具有十分重要的意义。
IP over WDM就是让IP数据包直接在光路上跑，减少网络层之间的冗余部分。由于省去了中间的ATM和SDH层，其传输效率最高，节省了网络运行成本，同时也降低了用户的费用，是一种最直接、最经济的IP网络结构体系，非常适用于特大型骨干网。
IP over WDM具有以下优点：充分利用光纤的带宽资源，极大地提高了带宽和相对传输效率；对传输码率、数据格式及调制方式透明，可以传送不同码率的ATM、SDH/SONET和千兆以太网格式的业务；不仅可以和现有通信网络兼容，而且还可以支持未来的宽带业务网及网络升级，并且有可推广性和高度生存性等特点。
IP over WDM的缺点是还没有实现波长的标准化，WDM系统的网络管理应与其传输的信号和网管分离；WDM系统的网络管理还不成熟；目前WDM系统的网络拓扑结构只是基于点对点的方式，还没有形成“光网络”。
四、IP over ATM、IP over SDH、IP over WDM的比较
IP的三种传输方案各有优缺点，在实际应用中需要根据具体情况分别对待，若主干网原已采用了ATM设备，则可以采用IP over ATM方案，由于ATM端口速率高，有完善的QoS（服务质量）保证，产品成熟，因而可提高IP网交换速率，保证IP网的服务质量；若主干尚未涉及ATM，则采用IP over SDH方案，由于去掉了ATM设备，投资少，见效快而且线路利用率高。因而就目前而言，IP over SDH是较好的选择。而在城域主干网中，IP over SDH技术相对而言投入较高，采用IP over WDM技术会更实用。IP over WDM的优势是减少网络各层之间的中间冗余部分，减少SDH、ATM、IP等各层之间的功能重叠，减少设备操作、维护和管理费用。并且IP over WDM技术能够极大地拓展现有的网络带宽，最大限度地提高线路利用率，在外围网络千兆以太网成为主流的情况下，这种技术能真正地实现无缝接入，这预示着IP over WDM代表宽带IP主干网的未来。
网络突发数据传输技术 篇5
目前所讨论的无线传感器网络拥塞主要分为节点本地拥塞和网络区域拥塞。前者主要因为节点缓存资源有限,数据包到达速率超过节点服务速率导致队列长度过长而产生拥塞,一般发生在sink节点附近或网络中数据流量较大的某些关键节点;后者是指多个节点同时感知事件发生,同时竞争信道,并都以较高速率发送突发数据,冲突导致信道资源利用率降低,数据包传输时延增大、网络吞吐量降低,通常发生在事件发生区域。上述两种拥塞机制互相影响,节点本地拥塞因队列长度过长缓存溢出,从而使更多节点竞争信道,加剧网络区域拥塞;反之,网络区域拥塞严重时,信道碰撞、 竞争加剧,节点长时间得不到信道资源而导致队列溢出,加剧节点本地拥塞。
对于节点本地拥塞,一般通过调节拥塞节点速率降低网络流量而减缓拥塞,相关算法有CODA[1]、 Sen TCP[2]等,但采用速率控制方式会影响网络监测的逼真度,仅适用于小规模网络。对于网络区域拥塞,大都采用多路径、数据融合等网络资源控制方法,如CO- TA[3]、BGR[4]等一般采用多路径分流方法避免拥塞,其区别在于多路径建立方法与多路径撤销时机不同,然而这种建立多路径方式比较复杂,能量开销过大,不太适合网络中出现的短暂拥塞;又如CONCERT[5]、PREI[6]等算法,根据数据包中时间、地点或其他有价值信息, 数据源节点采取一定融合策略从而降低网络数据流量,从根本上减缓网络区域拥塞,然而数据融合方式同样会降低数据逼真度;还有Funneling- MAC算法[7],针对sink节点附近容易拥塞的问题,从另外一个角度提出了解决办法,在sink节点拥塞区域运行本地TDMA算法[8]减缓拥塞,然而Funneling- MAC仅能解决sink节点附近的拥塞,并没有考虑网络其他区域的拥塞,且不适用多sink节点的情形。由此可见,目前尚没有公认完善的办法来解决面向事件监测领域无线传感器网络区域拥塞问题。根据事件发生区域数据具有突发性特点,考虑到网络区域拥塞主要是由短时高负载加上信道无序竞争造成,利用TDMA适用于高负载的优点,本文提出了一种面向事件监测无线传感器网络的突发数据拥塞控制协议BCCP(Burstiness- data Conges- tion Control Protocol),在拥塞区域节点自动嵌入基于时隙的TDMA调度算法,在不降低源节点发送速率的情况下分时隙转发数据从而避免冲突、减缓拥塞,当拥塞减轻或消除后,则恢复以前的CSMA/CA调度机制。由于TDMA仅在拥塞区域工作,且无需全网时间同步开销,能够很好的解决因突发信息造成的网络拥塞问题。
1突发数据拥塞控制机制协议
假设事件发生区域,某时刻有许多上行节点同时需要经过传感器节点n进行大量信息转发,上行节点通过CSMA/CA竞争有限信道资源,导致数据包频繁发生碰撞而丢失,此时节点n的缓存队列并没有发生溢出,但收不到上行节点发来的数据。传统基于队列长度检测或者拥塞度(服务速率与到达速率比值)检测方法, 并不能准确、有效地检测出这种由于碰撞造成的网络拥塞,因此需要重新设计拥塞检测方法。下面我们从分析非时隙CSMA/CA算法执行流程入手,试图找到一种新的网络区域拥塞检测机制。
1.1非时隙CSMA/CA算法分析
为了降低能耗,IEEE 802.15.4标准规定了传感器节点底层MAC协议采用无信标的非时隙CSMA/CA工作模式。该工作模式涉及两个关键参数:
(1)退避次数NB(Number Of Backoff)。如果发送数据前节点检测到信道忙,则进行退避,每退避一次,退避次数加1,直到达到最大退避次数mac Max CS- MABackoffs(默认值为4),则丢弃该数据。
(2)退避指数BE (Backoff Exponent)。节点在0~ 2BE- 1之间随机选取退避时延。
非时隙CSMA/CA算法执行流程如图1所示。当节点需要发送数据时,首先置NB=0,BE=mac Min BE, 接着在0~2BE- 1之间随机选取退避时延;退避结束后,通过空闲信道评估CCA(Clear Channel Assessment) 检查信道是否空闲,若空闲则发送数据。反之如果信道繁忙,则置NB=NB+1,BE=min {BE+1,Max BE},其中Max BE取BE的最大默认值5;然后判断NB是否超过了最大退避次数mac Max CSMABackoffs,若超过则放弃发送,否则继续在0~2BE- 1之间随机选取退避时延, 直到信道空闲才可发送数据。
分析上述非时隙CSMA/CA算法执行流程可知,事件发生区域拥塞严重、碰撞加剧时,节点发送数据时检测到信道繁忙的概率会增大,节点退避次数必将增多, 节点中数据包的排队时延也将增大。因此,我们可以根据数据包在节点中的排队时延来检测事件发生区域的网络拥塞。
1.2网络突发数据区域节点数据包排队时延
首先我们分析数据包从节点ni传输至节点nj的时延。假设长度为L的数据包到达节点ni的时间为Tini,数据包到达节点后在队列中等待发送,其排队时延为Ti,节点处理时延为Tiproc,一旦竞争信道成功则立即发送数据,数据包离开节点ni时间为Touti,则数据包在节点ni的总滞留时延Tistay,如公式(1)所示。
已知无线传感器网络带宽为B,节点ni发送长度为L的数据包所需发送时延为Tsend=L/B;节点ni至节点nj的距离为di,j,电磁波在空气中传播速度为C,则数据包从节点ni传输至nj的传播时延为Ttran=di,j/C。计算数据包从节点ni传输至节点nj的总时间开销T,如公式(2)所示。
资源受限的无线传感器节点,通信距离通常在百米以内,因此传播时延Ttran一般控制在微秒级;而处理时延则由传感器节点选取的处理器处理能力决定,在实际测试环境中处理时延在微秒级,Ttran与Tiproc一般可忽略不计。节点的滞留时延Tistay容易通过记录数据包到达节点和离开节点的时间获得。因此,对于任意接收节点nj通过公式(1) 可以很容易获得来自发送节点ni数据包的排队时延Ti,如公式(3)所示。
为减少瞬时突发采样对平均排队时延的影响,nj每接收到一个新的数据包都按公式(4)对排队时延进行更新。
其中Wk为第k个观测值Ti(k)的权重,M为平滑窗口,且满足。其中M、Wk取值可综合考虑时延变化敏感度和噪声去除因素灵活设置。
1.3网络突发数据区域拥塞判断
假设节点nj的上行节点集合为Kj,任意上行节点ni接收到数据后按公式(3)计算排队时延,并将时延信息捎带在数据包中;当nj每接收到一个来自节点ni的新数据包时,按照公式(4)进行更新,节点nj根据基本准则1判断事件发生区域是否发生拥塞,根据基本准则2判断事件发生区域拥塞是否消除。
准则1:当有节点nj的任何一个上行节点ni的排队时延大于门限 δ 时,则拥塞发生。
t>δ,(存在ni∈Kj)
准则2:当节点nj的所有上行节点的排队时延均小于门限 θ 时,则拥塞消除。
t <θ,(任意ni∈Kj)
1.4网络突发数据区域拥塞控制
根据判断事件发生区域是否拥塞,传感器节点可以选择工作在两种不同的模式:CSMA正常工作模式和TDMA拥塞工作模式。BCCP并不需要调整源节点速率,节点可以根据网络状况按需进行调度方式切换, 当拥塞发生时在拥塞区域嵌入TDMA工作模式,直到拥塞消除而重新恢复至CSMA工作模式。每个节点用标志位flag记录当前工作模式,flag初始值为CSMA; 当节点nj根据准则1检测到区域拥塞后,按照下列步骤在拥塞区域节点嵌入TDMA调度算法,其过程如图2所示。
(1)为了避免nj的邻居节点检测到拥塞而同时发送调度请求信息产生冲突,节点nj在随机退避一段时间 ξ 后再广播发起TDMA调度请求信息request。
(2)nj的上行节点ni收到请求信息request后回复应答信息response,应答中包含数据优先级、自身带宽需求等信息。
(3)nj收到应答信息response,根据相关信息为上行节点ni分配时隙,然后发送广播调度信息message, 其中包含参与局部TDMA的节点个数,nj节点自身时钟,各节点地址以及为它们分配的时隙。
(4)nj的上行节点ni回复调度信息message的应答ACK,并设置flag=TDMA,进入TDMA工作模式,并提取nj节点时钟与其同步,然后在为其分配的时隙完成数据发送。
(5)nj收到调度信息应答ACK后,设置flag=TD- MA,进入TDMA工作模式。
进入TDMA工作模式后,拥塞区域内各上行节点按照nj为其分配的时隙发送数据,这样就缓解了拥塞区域由于碰撞造成的网络拥塞。如果节点nj因自身资源不足而造成队列拥塞,那么还可以通过多路径分流、 降低源速率等其它措施进行拥塞处理。
当节点nj根据准则2检测到拥塞消除后,则按下列步骤恢复到CSMA正常工作模式,其过程如图3所示。
(1)为了避免冲突,nj节点随机退避 ξ 时间后发送TDMA撤销信息cancel,并设置flag=CSMA。
(2)节点nj的上行节点ni收到撤销信息,回复撤销应答,并设置flag=CSMA,此时表明网络负载已减轻,可以恢复到CSMA正常工作模式了。
2协议测试及性能分析
2.1实验环境搭建
为了测试BCCP性能,在传感器节点Waspmote节点上应用BCCP,节点采用低功耗处理器Atmega128L, 集成符合IEEE802.15.4标准的CC2420无线射频芯片,工作频率2.4GHz,最大发送速率250kbps。实验测试场景如图4所示,事件发生时数据源S1、S2、S3有大量数据需要转发至Sink节点,正常周期性速率是1包/ 秒,Sink通过网关与服务器连接,在服务器端对接收到的数据进行统计分析。
在正常工作模式传感器节点运行非时隙IEEE 802.15.4 MAC协议,影响MAC协议性能的NB、BE等参数及BCCP相关实验参数见表1。
2.2实验结果分析
如图4所示实验场景,三个数据源S1、S2、S3分别建立三条到汇聚节点的路径:S1- A- E- H- Sink、 S2- B- E- H- Sink、S3- C- E- H- Sink,S1、S2、S3分别在0s、60s、120s时刻产生突发数据包,数据包长度为100Byte,突发数据速率为100包/ 秒,实验持续时间180s。数据在节点E汇聚并导致区域拥塞,下面以B节点作为参考节点,从丢包率、吞吐量、延时等方面对BCCP与CSMA/CA性能进行比较分析。
2.2.1丢包率
在IEEE802.15.4 CSMA/CA正常工作模式,传感器节点发送数据帧后如果在重传计时器规定的时间没有收到确认帧ACK,就必须重传此数据帧,直到收到确认为止,或者经过mac Max Frame Retries次的重传失败后放弃发送,丢弃该数据帧。每隔10s统计一次丢包率,统计结果如图5所示,0~60s内,网络负载较轻,丢包率几乎为0; 在60s S2开始发送数据时,IEEE 802.15.4CSMA/CA在无序竞争状态下丢包率将显著增加至0.2左右,在120s S3开始发送数据时,丢包率升至0.3左右,这表明网络拥塞时,各节点都试图占用信道发送数据,竞争越激烈发生碰撞的可能性越大,数据包丢失率也越高。而BCCP检测到拥塞后,各节点嵌入到TDMA工作模式,节点按所分配的时隙轮流占用信道,丢包率几乎为0,有效缓解了节点因无序竞争造成的网络拥塞。
2.2.2吞吐量
吞吐量指单位时间内网络数据的传送能力。三个数据源节点S1、S2、S3的突发速率为100包/ 秒,每数据包长度为100Byte,这样相当于突发速率为80kbps, 每间隔10s在服务器端对吞吐量进行统计,单个源节点S1的吞吐量如图6所示。在0~60s低负载网络环境下,IEEE 802.15.4非时隙CSMA/CA与BCCP都能取得比较理想的吞吐量76kbps,但分别在60s、120s随着S2、S3突发数据的产生,两者的吞吐量均有大幅度下降,但我们通过图6发现BCCP的吞吐量下降得更厉害,这是因为60s后,在拥塞区域节点嵌入局部TDMA调度机制,S1与S2、S3轮流占用信道发送数据,而CSMA/CA工作模式下源节点S1在较高丢包率情况下与其它节点无序竞争信道,发生碰撞后发送了大量数据包,从而获得了比BCCP更高的吞吐量。
包括三个数据源节点S1、S2、S3在内的整个网络吞吐量如图7所示。实验期间,BCCP因为拥塞发生时S1、S2、S3按照TDMA分配的时隙轮流占用信道,一个节点发送时其他节点暂停发送,因此吞吐量一直稳定在单个节点发送数据时的数值76kbps左右;而采用IEEE 802.15.4非时隙CSMA/CA机制因为多个节点无序竞争信道发送了大量数据包,60s后吞吐量迅速增加,增加到一定程度后其吞吐量稳定在120kbps左右, 然而其吞吐量增加是以较高的丢包率为代价的。
2.2.3延时
延时主要指事件发生区域网络拥塞发生时节点竞争信道发生退避,数据包在节点队列中的排队延时。 在服务器端对成功接收到的数据包排队时延进行统计分析,结果如图8所示。IEEE 802.15.4非时隙CS- MA/CA机制,在前60s以内,只有S1节点发送数据, 延时稳定在5ms左右;在60s~120s区间,S1和S2节点同时发送数据,延时急剧增加并出现较大波动;在120s以后,S1、S2、S3同时发送数据产生无序竞争,造成更为严重的退避时延,延时在0ms到100ms之间剧烈抖动。而对于BCCP而言,当多个节点同时竞争信道,节点E检测到网络区域拥塞后,在拥塞区域嵌入局部TDMA调度机制,节点S1、S2、S3按所分配时隙有序发送数据,其排队时延几乎没有变化,且一直维持在单个节点发送时延5ms左右的稳定状态。
3结束语
本文提出了一种面向事件监测的突发数据拥塞控制协议。通过数据包在节点中的排队时延实现对事件发生区域的拥塞判断,从而实现了TDMA调度算法与CSMA/CA工作机制的互相切换。相对于IEEE 802.15.4非时隙CSMA/CA,测试结果表明BCCP大大降低了数据传输时延及丢包率,保持了吞吐量稳定,能够很好的处理网络中因突发数据造成的短时拥塞问题,提高数据传输的可靠性。但本文BCCP是在假设sink节点唯一且位置固定的前提下提出的,然而在事件监测应用领域,有时出现多个sink节点并且存在移动的可能。 因此,在此基础上研究适用于多个且可移动的sink节点的突发数据拥塞控制是值得进一步深入研究的内容。
摘要：针对基于竞争的CSMA/CA信道接入方式无法适应高负载网络下数据流传输,容易形成较为严重的短时区域拥塞问题,提出了一种面向事件监测无线传感器网络突发数据拥塞控制协议BCCP,将节点由于竞争退避引起的时延作为拥塞检测的依据,利用TDMA适用于高负载的优点,在拥塞区域节点嵌入TDMA调度算法,拥塞减轻或消除后恢复CSMA/CA机制。BCCP实现简单、开销小。仿真测试结果表明,BCCP能够很好的解决突发数据造成的网络拥塞,降低数据传输时延及丢包率,提高数据传输的可靠性。
关键词：事件监测,无线传感器网络,突发数据,拥塞控制
参考文献
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网络突发数据传输技术 篇6
1 大数据时代网络舆情的发展现状
1.1 大数据信息的产生及相关特征
随着信息化时代的到来,大数据的出现存在着必然性。在网络时代,信息化的基础设施不断增强,存储能力不断扩大,这是大数据产生的必要条件。通过移动终端系统产生的信息化数据具有多样性,是大数据存在的重要来源。随着信息化程度的不断加深,大数据理论也变得越来越重要,主要特征有以下几个方面:第一,数据的容量大。第二,速度变得更快,能及时产生数据且处理数据能力很强。第三,有多样的数据,数据类型丰富。第四,具有一定的的运用价值,能及时对相关数据进行预测,从而在数据分析开展之前找到有用的信息,并将这些统计的信息与之前的信息进行对比,找到有用的数据,提高了数据的使用价值。
1.2 大数据时代网络舆情的现状
随着互联网发展程度的不断加深,我国网民数量也不断增多。根据相关报告统计,截至2015年年底,我国网民数量已经达到6亿之多,其中有5.3亿是手机网民,手机上网的比例首次超过电脑上网比例,由此可见,在移动互联网时代,移动智能终端已经迅速在人民群众中推广普及,我国已经进入全面的大数据时代[1]。
社交网络平台中拥有着大批基础用户,很多舆论的产生来自于其中,这是公共网络舆情需要进行重点监督的区域。在网络社交平台上,每个网民都可以表达对公共事件的自由看法,因此,在网络社交平台上,充斥着各种虚假的、非理性的或非真实的言论,这对互联网监管工作来说,是个巨大的挑战。
2 大数据时代下的网络舆情发展特点
2.1 言论自由导致信息相对开放
由于社交网络平台的开放,网民有了更多的话语权,打破了新闻媒体的主要地位,因此,网络舆情的发展也越来越大众化、普遍化[2]。
2.2 舆论信息传播迅速
在突发事件发生时,网民可以通过互联网在社交平台及时地发表言论,事件在网络上快速传播,从个人意见的表达到群体意见的汇集,在信息化时代这就是“核裂变”式的“蝴蝶效应”的过程。
2.3 舆论信息丰富
在网络社交平台,有大量的信息充斥着整个网络。在内容分类上,既有积极向上的言论,也有一些过激的个性化言论。从传导方式上来看,微博与微信等相关应用软件广泛传播,其应用软件的交流方式也很多,不同于传统的传播方式,不仅仅是文字的交流方式,更是结合了摄像、拍照、语音等一系列多媒体的应用,使得网络舆论信息更加多元化。
3 网络舆情信息处理中存在的问题
3.1 对舆情信息分析不足
在网络平台下,收集的一些相关信息真实性程度不是很高,相关部门没有采取有效的手段对其整理收集,对事件发展的背景没有进行详细分析,信息的情报价值和参照价值不够明显[3]。
3.2 舆情检测的方式过于落后
在绝大多数单位,对于舆情的网络检测只停留在人工收集资料的阶段,由于人工检测方式范围相当有限,一些网上事件难以及时发现。
3.3 对舆情的分析评判不准,对未来事件的预警能力差
对于网络舆情工作的评论开展一定要及时,目前很多单位对网络舆情工作的评测缺乏专业见解,一些工作人员的专业素养有限,对大多数事件中产生的隐含信息还缺乏相应的掌握能力,一些事件的发生不在公共突发事件发生的范围之内,相关工作人员对其追踪的灵敏度就大大减弱,因此,相关工作人员的专业素养还有待提高。
4 大数据技术在网络舆情工作中的相关应用
4.1 加强对网络社交平台的监控
大数据的应用既是一种新的技术方法又是一种全面的理论,网络舆情工作的开展要根据当前的事态发展,运用大数据的技术优势,为舆论的检测提供信息搜集,对一些较为流行的社交平台,诸如微博中的数据进行快速定位,识别其中有价值的信息,通过对事件背景的分析,分析事件背后隐藏的规律,提供相关公共突发事件的技术支持[4]。
4.2 大数据信息化平台的数据处理
大数据对海量的信息进行搜索与采集,这些数据的来源和种类都是多样化的,有系统化的数据也有非系统化数据,需要对这些搜集的数据进行归类和分析,将一些相似的数据进行归类,不同的数据之间进行转换,以便下一步的数据挖掘和整理。
5 结语
大数据不仅仅是一项技术手段,更是一种方法论,它的出现给信息技术带来了一场技术革新,它代表了信息化时代的全面到来。从其本身的特征来看,它所引导的不仅仅是信息的概括和速度的处理,更重要的是对信息的处理,将大数据技术应用在对网络舆情的检测工作中,是新时期相关部门对突发公共事件处理的最好途径,也适应当前的环境。本文通过分析新时期,大数据时代的网络舆情现状,以及新时期公共网络舆情突发事件的需求,着重分析了网络舆情的现状及存在的问题,提出了相应的看法,对大数据技术进行初步分析,结合突发事件发生的特点,运用大数据技术的优势为其提供相应的服务。
摘要：近些年来,我国公共突发事件不断频发,给人民的财产安全和社会经济发展造成了巨大的损失。随着信息化技术的不断加深,网民数量不断增加,一些新型的社交媒体也走进了人们的生活并受到广泛应用,而突发事件在网上传播的速度也越来越快,相关部门应如何快速收集网络舆情信息,及时向有关部门进行汇报,是当下必须要解决的问题。新时期,网络舆情的发展错综复杂,它的信息安全工作直接关乎着社会的安定和国家的安全。
关键词：大数据,突发公共事件,网络舆情
参考文献
[1]陈浩,李纲.突发公共事件网络舆情在网络媒体中的传播过程[J].图书情报知识,2015,(01):116-123.
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[3]张,孙霄凌,朱庆华.突发公共事件舆情传播特征与规律研究——以新浪微博和新浪新闻平台为例[J].情报杂志,2014,(04):90-95.
飞行器单站突发定位数据修正技术 篇7
单站突发定位系统是一种不依赖于卫星导航、可与通信系统合为一体的飞行器航迹定位设备, 具有规模小、布站简便和成本较低等特点, 已应用于许多场合。为了降低被截获的概率, 系统采用突发工作模式, 通过在信号突发时间内测量飞行器与地面站的斜距和夹角来估算飞行器的位置, 实现对飞行器的航迹定位。
由于受无线信道特征、飞行器姿态、多路径传输和噪声干扰等因素的影响, 无线链路定位结果会出现不连续和非法数据, 而这些不连续和非法数据不能直接供用户使用, 必须进行平滑和修正。结合数据突发的特点, 针对定位数据出现的跳点、断点和毛刺问题, 提出了基于3б准则和卡尔曼滤波策略的数据修正技术, 来提高定位数据的连续性和平滑性。
1单站突发定位体制
单站突发定位方法如图1所示。
单站突发定位采用测量斜距和方位角相结合的方法实现对飞行器的定位。假设观测站位置在O点, 飞行器在T点, 分别测出观测站到飞行器的斜距r, 与真北的夹角φ, 并结合飞行器的高度h, 就可以确定飞行器T在观测站站心坐标系下的坐标 (x, y, z) 。
在观测站站心坐标系中, 目标点的位置 (x, y, z) 可以表示为:
式中, ε为飞行器的仰角。将观测站坐标系下的目标位置 (x, y, z) 通过坐标转换, 得到目标在WGS84坐标系下T点的经纬度。
单站突发定位体制中, 斜距r采用帧测距方法, 测距脉冲信息包含在通信链路的上行和下行数据中, 观测站通过测量测距脉冲从观测站到飞行器, 再从飞行器返回观测站的时间间隔, 利用距离方程得到距离r;真北角φ测量采用长短基线匹配的干涉仪体制, 长基线用来保证测向精度, 短基线用来解相位模糊;高度h由飞行器提供。
在利用斜距和方位对飞行器定位的体制下, 飞行器距离越远, 定位误差越大, 此时测向误差成为影响定位精度的主要因素。但是受无线电波传输特征的制约, 测距数据和测向数据会产生跳变、中断和抖动, 定位结果就表现为跳点、断点和毛刺, 这种不连续和非法数据不能供用户使用, 必须要进行修正, 必须要保证送给用户的数据是连续、有效和可靠的。基于此, 提出了采用3σ准则和卡尔曼滤波策略相结合的数据修正技术来提高定位数据的连续性、有效性和可靠性。
2定位数据的修正
2.13б剔除野值准则
3σ准则通过利用残差序列的统计特性, 用统计决策的方法来判别是否出现野值。设飞行器的真实位置为
当定位误差服从高斯正态分布时, 由正态分布误差函数可知, 大误差出现概率较小, 定位误差落在±3σ范围内的概率为99.73%。也就是说, 如果系统定位误差的绝对值按照3σ作为是否野值的衡量标准, 那么还可以保留99.73%的测量数据进一步参与修正。由于定位方式是突发的, 持续时间较短, 系统能够获取的数据量较少, 因此保证足够的样本量对于突发定位尤为重要, 这是数据有效性的基础。假设一个突发周期内测的试定位数据量10个, 各周期之间数据不关联, 3σ准则剔除野值过程如下:
① 根据同一时刻的距离值、角度值和高度数据, 解算出对应的定位结果。为了保证实时性, 定位结果采用实时解算, 即在下一组距离、角度和高度数据到来之前, 当前定位数据必须解算完成。设前3个定位数据为
② 将前3个数据的均值作为第4个数据的估计值, 利用式 (1) 计算测量值与估计值之间的均方根误差均值σ′;
③ 当σ′值大于设定的3倍均方根误差 (3σ) 时, 则认定此测量值为野值, 予以剔除。
2.2卡尔曼滤波修正算法
卡尔曼是在最小均方误差准则下的线性系统最优估计方法, 通过迭代算法对状态向量做出线性和无偏估计。选择卡尔曼滤波算法对定位数据进行修正, 具有以下优点:
① 提高了定位数据估计精度。卡尔曼滤波算法不仅利用了当前时刻的定位数据的测量值, 而且还利用了上一时刻的估计值, 这个附加信息使得估计误差大大的减小, 从而提高了定位数据的估计精度;
② 增加了定位数据处理的样品数量。利用上一时刻的位置信息作为参考点, 在定位数据个数少于解算要求样品量时也可以完成定位, 放宽了对样品数量的限制;
③ 提高动态数据滤波精度, 平滑定位数据中的毛刺。卡尔曼滤波具有很好的预测和跟踪能力, 设定的参数不同, 滤波器的响应精度也不同;
④ 重构由于断点或剔除野值后造成的航迹不连续。利用卡尔曼滤波的预测功能, 对断点和剔除野值后的的定位数据, 用该时刻预测值代替, 从而保证了定位数据的连续性。
利用卡尔曼滤波进行状态估计可以分为3个步骤:初始化、预测和更新。系统描述如下:
状态方程为:
Xk=FkXk-1+wk。
观测方程为:
Zk=HkXk+vk。
式中, k∈N为时间指标;Xk, Xk-1分别为时刻k, k-1的状态向量;Zk为时刻k的系统状态观测向量;Fk, Hk分别为状态转移矩阵和观测矩阵;wk, vk分别为状态噪声向量和观测噪声向量, 二者之间相互独立。
根据以上状态方程和观测方程, 建立卡尔曼滤波方程。一步状态预测方程为:
一步状态预测误差协方差矩阵为:
Pk|k-1=Fk-1Pk-1|k-1FTk-1+Qk-1。
状态滤波方程为:
增益矩阵为:
Kk=Pk|k-1HTk (HkPk|k-1HTk+Rk) -1。
状态滤波误差协方差矩阵为:
Pk|k= (I-kkHk) Pk|k-1。
由此得到滤波器的新息方程和新息方差为:
在利用卡尔曼滤波修正算法对动态定位数据滤波处理中, 根据新的样品值, 实时检测滤波器的新息值
① 利用估计的真值初始化卡尔曼滤波器。初始条件为:
② 利用3σ准则对观测数据剔除野值。新息值
③ 对新观测的数据进行最优估计。3σ准则和卡尔曼滤波处理算法通过对输入数据进行处理, 实时得到当前位置参数的估计值, 并预测下一个位置的估值, 当数据正常时, 则发送给用户;当数据出现断点、跳点或者目标暂时丢失时, 利用算法的记忆能力, 以目标丢失瞬间时的状态参量对输出数据进行估计, 并将结果送给用户。
3数据处理分析
为了验证上述方法的可行性和修正效果, 首先进行了仿真, 数据源采用实际飞行的定位结果。数据修正前后对比如图2所示。
由图2可以看出:
① 受飞行器大姿态动作影响, 通信天线受到遮挡, 定位结果出现了大跳点野值。采用3σ准则和卡尔曼滤波处理算法后, 有效剔除了野值, 并重构了剔除野值后定位数据的连续性;
② 对定位数据中出现的毛刺, 采用3σ准则和卡尔曼滤波处理算法后, 误差明显下降, 保证了定位数据的平滑性;
③ 当出现较多野值时, 滤波器没有发散, 仍对野值部分进行了有效剔除和预测。
4结束语
基于3б准则和卡尔曼滤波策略的修正技术不仅可以剔除无线电定位数据中的跳点, 还可以对定位数据中的毛刺进行平滑, 对定位数据中的断点进行重构, 算法处理过程简单, 实时性强。采用这种措施对设备改进后, 又进行了多架次飞行测试, 定位结果达到了技术指标要求。验证试验表明该方法对单站突发定位的数据修正可行、有效。
摘要：受无线信道特征、飞行器姿态、多路径传输和噪声干扰等因素的影响, 单站突发定位结果会出现不连续和非法数据。结合数据突发的特点, 针对定位数据出现的跳点、断点和毛刺问题, 提出了基于3б准则和卡尔曼滤波策略相结合的数据修正技术, 该技术可以有效地剔除跳点、重构断点、平滑毛刺, 提高定位数据的连续性、有效性和可靠性。论述了单站突发定位体制, 阐述了3б准则和卡尔曼滤波修正算法的处理流程, 通过对数据仿真分析和飞行试验, 验证了该方法对单站突发定位数据修正的可行性和有效性。
关键词：单站定位,突发定位,卡尔曼滤波,3б准则
参考文献
[1]孙仲康, 周一宇, 何黎星.单多基地有源无源定位技术[M].北京:国防工业出版社, 1996.
[2]田孝华, 周义建.无线电定位理论与技术[M].北京:国防工业出版社, 2011.
OBS网络中的虚拟突发交换技术 篇8
关键词：光突发交换,虚拟突发交换,虚拟突发分组,汇聚算法,数据信道调度算法
0 引言
光突发交换(OBS)技术的一个主要特点是实现了控制信息和数据信息的分离。它采用一个大的数据突发对应一个控制分组,控制分组提前为数据突发预留资源的一种基本模式,以避开目前光缓冲器不成熟的缺点,缩短处理时延,提高交换速度。在这种模式下,传输控制分组(BHP)可以实现精确控制,光路资源也可以准确预留;但随着网络复杂性的提高,突发数据在预留时发生冲突的可能性越来越大,网络性能反而下降[1]。因此有很多方案都围绕如何更有效的处理OBS分组展开研究[2-5],如核心节点的数据信道调度算法,边缘节点调整偏置时间,核心节点数据组调度等,不过都没有突破单个突发数据交换这种模式。
文献[6]提出了在发生资源预留冲突时对数据突发分段的方法,但并没有提出分段之后相应各段的处理办法,且对光信号进行分割和延迟,增加了光节点的复杂度。千兆以太网的IEEE802.12标准中有一种突发模式,节点每次可以发送多个包以提高传输效率。基于冲突时对突发数据分解的思路,并借鉴千兆以太网中的突发模式,多个小的突发分组组成一个大的虚拟突发,在出现链路资源预留冲突的时候,对小突发采用一定策略分开调度,而不是分段切割或是延迟,称为虚拟突发交换(Optical Virtual Burst Switching)。与传统的OBS交换方式相比,OVBS增加了突发分组调度的灵活性,可以提高链路利用率从而改善网络性能。
1 虚拟突发交换的OBS分组的格式及定义
OVBS的基本交换数据单元,包括控制分组BHP、虚拟突发分组和实体突发分组。一个BHP所对应的虚拟突发中包含的实体突发分组数目是根据网络状况决定的,而实体突发的大小也不全是相同的。这个虚拟突发的基本思想是减小单个突发分组大小,由几个去往同一目的地的实体突发分组组成一个逻辑突发,也称为虚拟突发,这个虚拟突发由一个控制分组控制。在核心节点中,这个虚拟突发将重新进行动态的分解和组合。
虚拟突发交换技术的边缘路由器由入节点和出节点组成,入节点负责虚拟突发的汇聚、突发控制分组的生成以及分组的电/光转换;出节点负责突发分组的光/电转换和虚拟突发的解汇聚。核心路由器负责BHP分组的处理以及数据信道资源的预留。当数据突发的资源预留出现竞争的时候,并不马上丢弃控制分组,而是将虚拟突发自动分解成多个实体突发分组,分别对实体突发分组进行资源预留。图1为虚拟突发控制分组BHP的编码格式。一个虚拟突发BHP除去前后的保护时间,可以分为两个部分,头部和实体突发BHP。需要说明的是,负载类型为0时表示虚拟突发中所有的实体突发是在一起传输,而负载类型为1时表示虚拟突发中的实体突发不全在同一条波长中传输。
2 虚拟突发交换算法
虚拟突发交换是在OBS机制基础上进行的扩展,在汇聚和调度机制上与OBS机制不同。汇聚时考虑到组装成实体突发后,再根据一定的组装算法把实体突发汇聚成虚拟突发数据。核心节点处进行调度时,实体突发可以自由分开和组合,大大提高了调度的灵活性。重调度和延迟调度技术也得到了很好的应用。
2.1 基于服务类别的虚拟突发汇聚算法
现有的突发汇聚算法都是在汇聚时间和突发分组大小上调整,以实现对网络流量的控制和服务的支持;但这些算法所产生的突发分组都可能因为容量过大发生拥塞而导致大量IP层数据丢失。在此本文提出基于服务类别进行虚拟汇聚,既能处理对延时和抖动要求严格的数据,同时也可处理普通数据流。另外,还可以根据实际流量到达边缘节点的速率对实体突发大小进行自适应调整。下文详细给出虚拟突发的汇聚算法。
(1)当长度为pk_size的分组到达入节点时,根据其类型进入相应队列进行突发汇聚。每一个队列的第一个分组进入时,当前装配的实体突发分组的计时器Tmember和当前装配的虚拟突发分组的计时器Tvirtuald开始计时,同时对实体突发和所属虚拟突发大小进行监控,当前的实体突发大小Smenber和虚拟突发大小Svirtual同时增加n。
(2)当实体突发计时器Tmember大于或等于实体突发分组的最大汇聚时间T,或当实体突发的大小Smember大于或等于实体突发的最大值Max时,一个实体突发汇聚结束,实体突发计时器Tmember和大小计数器Smember置零,等待下一个实体突发的第一个分组到达时触发。
(3)一个实体突发汇聚结束后,如果这个实体突发所属的虚拟突发的计时器Tvirtual或大小计数器Svirtual还没有达到极限值,则继续生成下一个实体突发。直到虚拟突发大小计数器Svirtual大于或等于Maxi(Max1、Max2、Max3分别为三种不同优先级业务流的最大虚拟突发),或虚拟突发的计时器Tvirtual大于或等于虚拟突发的最大汇聚时间T1i(其中T11对应优先级最低业务流,T12对应优先级较高业务流,T13对应优先级最高业务流;一般是实体突发最大汇聚时间的整数倍)时停止汇聚,并检查正在汇聚的实体突发。
(4)如果其大小Smember小于实体突发的最小值Min,则继续汇聚该实体突发,但是该实体突发将作为下一个虚拟突发的第一个实体突发,并且直接将这个实体突发的定时器Tmenber和大小计数器Smember设定给下一个虚拟突发的定时器和大小计数器。
(5)当前汇聚结束的虚拟突发生成对应的BHP并发送,然后在一定偏置时间内发送虚拟突发分组。
由于虚拟突发中所有的实体突发都可以单独交换处理,因此,BHP中的资源预留时间除了每个实体突发的保护时间外,还需要考虑实体突发之间的切换时间。
2.2 虚拟突发交换的数据信道调度算法
虚拟突发交换的数据信道调度算法重点在于灵活分解。当一个虚拟突发的BHP到达节点后,首先对整个虚拟突发提前进行数据信道选择,这时采用传统数据信道调度算法。当对虚拟突发由于资源竞争而不能进行整体信道选择的时候,才需要控制分组为每一个实体突发重新预留资源,修改BHP中每一个成功预留资源的实体突发所对应的信息,删除不能成功预留资源的实体突发对应的信息。对虚拟突发分组的数据信道调度,采用整体为主,按时间数据考虑调度实体突发的原则,这样可以减少分组丢失概率,提高链路利用率。
为了减少节点资源预留动作的复杂性,除了对虚拟突发的分解调度外,还有合并调度操作。合并针对的是那些属于同一虚拟突发分组却被调度到不同波长信道传输的实体突发。当这些实体突发在同一路由的不同数据信道上传输时,节点并没有为每一个实体突发都生成一个BHP,而是修改所属虚拟突发对应的BHP内容。当节点没有使用光纤延迟线或其它类型光缓存时,这些实体突发到达下一跳的顺序还将保持在虚拟突发中的顺序,不会打乱或者出现重叠。如果这些实体突发在下一跳被转换到相同波长,又将“还原”成为虚拟突发,因此BHP在到达下一跳后,可以优先在同一出口波长中为所有对应实体突发预留资源,使之重新合并为一个虚拟突发。这样既节约了波长资源,又减小了经过几跳之后,大量的虚拟突发都变成小的实体突发的可能性。
2.2.1 非抢占调度策略
考虑的主要问题是如何给优先级不同的虚拟突发数据合理分配信道。在已有的数据信道调度算法中,LGVF算法[7]是在综合两种针对不同业务类型的调度算法:最近可用未调度信道算法和最近可用未使用信道算法的基础上提出来的。当到来的是较高优先级的虚拟突发数据时,LGVF算法首先选择最近可用未调度信道来调度虚拟突发数据;如果到来的是较低优先级的虚拟突发数据,那么就选择最近可用未使用信道来调度虚拟突发数据。
在虚拟突发数据的调度算法中,LGVF算法适合对整个虚拟突发数据的整体调度。在业务量不是很大的情况下,采用LGVF算法进行虚拟突发数据的调度是较为有效的,且可以区分不同优先级的数据。但当业务量比较大,整个虚拟突发数据找不到合适的信道传输,这时只能灵活分开每个突发数据实体。对此,本文提出了BFD(break first and delay)算法。
为了适应虚拟突发包灵活分开的特点,定义突发实体之间的分割点为断点(breakpoint),并分等级,假设头部的实体突发和已调度的虚拟突发数据有重叠部分,则把处在头部的断点设为级别最高,尾部的断点级别为最低。整个算法的思想就是使尽量多的实体突发选择断点与空隙之间间隔最小的信道,这样避免了信道分成更小的“碎片”空隙,未能成功调度的实体突发选择最小延迟的信道来进行调度。算法先选择断点,按优先级从高到低选择;设置优先级的目的在于保证少部分实体突发延迟。接着,为实体突发寻找合适的信道,找到断点与空隙间间隔最小的信道,最后为分开的突发寻找延迟最小的信道。数据信道调度算法的步骤如下:
(1)先采用LGVF算法进行整体调度。
(2)若整体不能调度只能分开调度,运用BFD算法。寻找合适的断点,选择优先级较高的断点,原则上保持尽量多的实体突发数据在一起,这样就会只有少数的实体突发数据在断点分开,为以后把这些分开的突发包重新汇聚在一起奠定基础。
(3)把空隙的开始时间与switch time之和与断点进行比较,如果超过了所选断点的时间,则舍弃此候选信道。如果没有超过,就进行第四步的操作。比较结束后,没有一个候选信道,就舍弃此断点,而进行优先级次之的断点。
(4)选择断点时间与空隙开始时间和switch time之和间隔最小的信道为候选信道。没有分开的虚拟突发数据在这个信道上传输。这样可以使碎片空隙最小。
(5)调度分开的突发数据,如不成功可以选择延迟最小的信道。
2.2.2 抢占调度策略
先对比一下这两种调度策略。在非抢占调度策略中,已经调度好的虚拟突发数据分配的信道不会变化,对未调度的虚拟突发包进行信道选择。在抢占调度策略中,未调度的高优先级虚拟突发数据可以抢占低优先级突发数据的已经分配好的资源,低优先级的突发数据重调度或丢弃,考虑对网络性能的影响,尽量采用重调度方式。非抢占调度策略的好处是在一旦一个虚拟突发数据在某一数据信道上调度,就不会再被分成更小的实体突发。抢占调度策略把Qos引入了信道调度,它的好处是较高优先级的虚拟突发数据能抢占已经调度的低优先级突发包的资源,更好地支持区分服务。
该算法的基本思想是:当新到达的高优先级的虚拟突发数据不能够调度成功时,就将信道上某个已经调度好的低优先级的虚拟突发数据重新调度到其它的信道上,而新到达的虚拟突发数据调度到该信道上。如果重调度还不能保证突发数据选择合适的信道,就要采取适当丢弃策略。在业务量大的时候可以舍弃低优先级的虚拟突发数据。
3 仿真实验与结果分析
利用opnet仿真工具构建的OBS网络仿真平台研究链路交换模式的改进对整个网络性能的影响。其中有以下几类模块:source、ingress、core、egress、sink。source为数据源节点,ingress为突发汇聚节点,core为核心交换节点,egress为突发解汇聚节点,sink为目的端点。这种模型使用了两种仿真方案,一种是原有的基于区分服务的OBS,另一种是基于区分服务的光虚拟突发交换。这两种方案里面用的数据源都是两种业务源:高优先级和低优先级两种。仿真主要研究三种性能指标:端到端延迟,链路利用率以及出节点的吞吐量。
从图2可以看出,虚拟突发交换技术与OBS延迟基本一致,前者并没有增加分组的延迟。图3显示了各节点的平均链路利用率。OVBS1代表采用LGVF算法进行虚拟突发的信道调度,OVBS2代表采用BFD调度算法进行虚拟突发的信道调度。为了能更准确地反映链路利用情况,采用的是平均链路利用率。数据显示,当源负载超过0.6之后,OVBS采用BFD调度策略的平均链路利用率始终高于OBS利用率7%左右,这是由于数据调度算法失败后,虚拟突发分组分散成实体突发重新调度后增加的成功概率;OVBS采用BFD调度算法比采用LGVF算法链路利用率高4%左右,因为先合后分策略充分利用了链路资源,减少了碎片空隙的产生。当网络源负载低于0.6时,OVBS采用两种不同的调度算法和OBS的平均链路利用率基本上是一致的。主要原因是在这种负载下,突发数据的资源预留成功率和不组装成虚拟突发数据的预留成功率相差不大。
图4和图5是网络出口节点高优先级和低优先级业务数据流的吞吐量统计对比图,从图中看出仿真结果和分析结论相符。OVBS采用BFD调度算法与采用LGVF算法相比,对于高优先级业务在负载低于0.6时吞吐量相差不大;负载高于0.6时,BFD调度算法对网络性能改善比较大。对于低优先级业务也有类似结论。
4 结束语
OVBS技术是基于OBS交换技术基础上提出的,它将多个小的实体突发数据组成一个大的虚拟突发,有利于调度时灵活处理;进而提出虚拟突发交换实现的汇聚算法。在调度方式上,强调先整体再分开的策略。当虚拟突发分开成实体突发数据时,利用BFD算法可以有效防止信道空隙成为更小的碎片,保证了较高的链路利用率。对不同种类、不同级别的突发数据进行汇聚,并采用抢占调度能提供更好的QOS保证。仿真结果表明:该交换技术相对传统OBS提高了链路利用率,减少了丢包率,增加了整个网络的吞吐量。
参考文献
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网络突发数据传输技术 篇9
随着3G网络在全国大面积布设, 其运用服务也日益受到各方关注。3G网络与前代网络的显著区别是网络带宽显著地大, 从而为超视距视频运用提供一种便捷、便宜的数据链路。本文将着重论述基于3G网络的突发事件实时图像采集系统的设计与技术实现方式, 可为相关部门在图像传输应用中提供一种可选方案。
二.现有图像采集系统技术分析
目前现有的图像采集有两大类:一类为存储转发式, 另一类为实时传送式。前一种为先将现场实况用摄像机拍摄存储在闪存或硬盘等存储媒介上, 然后通过有线网络将实况传送到主中心。后一种是利用通讯卫星或CDMA-1X以及正在日益扩展的3G网络等无线通讯链路来实现。分析发现, 利用有线网络传输虽然传输带宽高, 但在突发事件发生时, 实时性的要求无法满足;而利用通讯卫星可同时满足带宽和实时性要求, 但部署和运行的费用高昂, 不能大范围布设;CDMA-1X的方式实时性和造价可接受, 但带宽不能满足。
下表综合比较了现有几种图像采集系统所依托的通讯传输方式的性能:
1) 卫星传输方式:
2) 公网传输方式:
从上述通讯传输方式的性能列表中可发现3G (CDMA EVD-Rev A) 具有实时性、造价可接受和带宽大等方面的优势。
三.基于3G网络的图像采集系统架构与设计
基于3G网络的移动图像采集系统包括如下四部分:图像采集单元 (摄像机) , 图像编码单元 (编码器) 、移动网络传输单元 (3G无线路由器, 含VPN功能及3G网卡) 、供电单元 (电池, 充电器, 电源适配器) 。
为保证建成后的系统具有良好的兼容性, 我们认为应提供标准的视频接口, 这样, 就可以保证在未来, 根据实际环境需要, 配置不同的图像采集单元, 比如DV、无线摄像等。图像编码单元 (编码器) 采用单路编码器, 编码器具备视频, 音频信号的编码, 可以实现对视频、音频的统一上传。移动网络传输单元采用支持IPsec协议的3G路由器, 实现与3G网络以及VPN设备的互连。
用支持IPsec协议的VPN路由器, 建立一套独立网络系统, 用于实现与移动网络传输单元的3G路由器互连, 并将基于3G网络的移动图像采集系统融合到调度系统的图像接入系统中, 实现移动图像的采集。基于3G网络的移动图像采集系统, 采集的图像信息与采集到的固定摄像图像一样, 可以根据具体情况将图像上传到上一级系统中, 或在指挥厅显示系统中显示, 或者通过图像接入系统软件客户端将图像转发给视频会议的MCU或视频会议终端, 供视频会议与会者观看。具体逻辑示意图如下图所示:
根据上述方案, 建成后的系统具有如下功能:
1) 实现基于3G网络的安全的移动图像采集。通过使用基于IPsec协议组建VPN网络, 可以将视频信息方便地传输到现有图像接入系统中。
2) 实现基于3G网络的安全的音频传输方案。通过使用基于IPsec协议组建VPN网络, 可以将音频信息方便地传输到现有图像接入系统中。
3) 实现独立 (无需外置电源) 的图像采集。由于内置了电池模块, 因此可以实现8小时以上的独立 (无需外置电源) 的图像采集, 可以适应突发事件快速反应的需求。并且根据不同的实际情况, 可以选配时间更久的电池模块。
4) 实现车载充电。系统配置了标准的220V充电模块, 可以实现通过汽车或其他方式对系统的内置电池进行充电, 保证系统可以长时间工作在野外。
5) 支持外接其他设备与主系统的通讯。由于系统VPN组网采用子网到子网的模式, 因此, 在将来有需要的时候, 可以将电脑或其他网络设备实现与主中心的联网。
6) 具备标准的视频接口, 可以与包括无线摄像设备在内的视频采集设备相接。
四.基于3G网络的图像采集系统关键技术
本系统关键技术包括三方面:无线宽带数据传输技术、图像实时编码技术、移动电源技术。
1) 本系统采用CDMA EVD-RevA作为无线宽带数据传输链路。在移动网络传输单元中集成了中兴的MC8630通讯模块, 利用Atmel的AT91sam DSP作为主控芯片负责数据传输链路的建立, 传输和设置。将设置B/S架构程序嵌入在一片S29GL032N Flash芯片中, 使用者可方便对无线数据链路进行设置。在通讯状况下可与控制中心建立虚拟专用通道即VPN, 保证图像等数据的实时保密传输。
2) 图像实时编码方式采用标准的H.264, MPEG4编码技术, 可实现视频帧率为CIF 10-20帧/秒。图像编码单元采用TI的SM320DM6446芯片架构。
3) 移动电源模块采用聚合物锂电池技术, 能保证装置在移动使用情况下有长久充足的电力;装置采用易拆装螺母, 可方便替换电池, 并配有车充和座充装置, 可方便进行充电操作。
五、结束语
基于3G网络的移动图像采集系统具有如下优点:
价格便宜, 宜于推广。传统的基于卫星的移动图像采集系统的价格昂贵, 主要包括两方面:一方面是卫星组网的设备十分昂贵, 组建一套卫星图像传输系统往往需要投资数十万;另一方面是资费贵, 卫星的使用或按流量、或按时段收费, 都是非常昂贵的。而按照上述方案建设的移动图像采集系统, 无论是设备还是资费都非常便宜, 目前一个月的网络使用费仅200多元, 设备投资也不过是卫星图像传输系统的百分之一, 因此, 这就为大规模的推广奠定了基础。
覆盖范围广。相较于无线局域网技术, 3G网络的覆盖范围要远远大于无线局域网的覆盖范围。因此, 保证了系统无论在繁华的城市, 还是偏远的乡镇都可以应用。
可扩充功能丰富。随着3G网络的提升, 未来可供扩充的功能非常丰富。在未来, 当网络带宽足够的情况下, 基于3G的移动图像采集系统不但是一个图像系统, 而且可以是一个小型调度中心, 实现在移动中对突发事件进行实时调度。
3G图像采集系统大大丰富了图像接入系统的图像资源。通过大量的推广, 在未来, 可以实现在几小时内快速反应, 及时将移动图像采集到相应的调度中心, 实时保障决策调度。
参考文献
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