虚拟无线电（共8篇）
虚拟无线电 篇1
软件无线电和虚拟仪表技术的出现使得多种仪器平台虚拟化成为现实, 利用计算机技术, 结合软件的强大功能为软件无线电和虚拟仪表提供了广阔前景[1]。在软件无线电系统开发中, 对基带数据进行实时信号分析和处理都采用了虚拟仪表技术。在发达国家虚拟仪表技术非常先进, 虚拟仪表产品广泛地应用在工业控制、通信、自动化等各种领域, 拥有成熟的商业软件产品, 其中最著名的是NI公司的Lab VIEW平台[2];但是在国内, 还处于传统测试仪器与计算机脱离的状态, 投入研究和使用的虚拟仪表主要分布在高校并且都依托专用平台Lab VIEW。参考文献[1-5]也都采用Lab VIEW来实现各自的设计。但是它只能在特定的使用环境中运行, 可移植性很差, 无法与其他设备相嵌[3,4]。
本文针对软件无线电的基带信号处理部分, 结合虚拟仪表技术, 在通用平台VC++6.0上实现了专门针对无线通信信号的虚拟频谱仪, 为软件无线电的测量提供了强大的软件平台支持。与真实频谱仪相比, 本设计的虚拟频谱仪操作简单易学, 且功能可以根据用户需求进行扩展, 灵活性很强。
1 虚拟频谱仪设计
1.1 软件无线电虚拟频谱仪框架
软件无线电虚拟频谱仪框架结构如图1所示。软件无线电体系结构主要划分为射频前端 (含天线) 、高速模数/数模转换器以及数字信号处理单元[5]三大部分。 (1射频 (RF) 是软件无线电不可替代的硬件入口, 主要功能是完成对空中信号的获取, 以及信号的放大、滤波和混频; (2) 中频主要实现对模拟信号与数字信号的转换、数字信号的预处理, 以及完成中频与基带的数据交互; (3) 数字信号处理单元主要完成对信号的接收、分析和处理。在信号分析处理中, 分析仪器是不可或缺的设备, 而传统的仪器仪表功能固定, 价格昂贵, 因而在软件无线电系统中, 对数字处理单元部分进行软件编程实现是本文设计的核心内容。
1.2 软件功能模块设计
根据软件无线电虚拟频谱仪架构, 本文的虚拟频谱仪软件功能模块设计如图2所示。
数据输入部分分为PCIe输入和文件输入两种方式。数据存储部分负责对数据进行存储操作, 以.txt格式将数据保存到文本中。命令控制部分负责对软件无线电系统前端进行控制。数据处理及分析部分包括窗函数选择和FFT变换。交互界面部分模仿真实仪器的工作面板, 其功能包括:提供用户直观的图形显示;在显示窗口中显示信号的参数信息, 如幅值、频率、分辨率等;进行参数设置以及图形显示变换等。
2 虚拟频谱仪实现
根据虚拟频谱仪的软件功能设计, 具体的实现过程如下所述:各模块经过系统初始化后, 开始根据不同数据输入方式分别进行处理, 并显示波形。
2.1 系统初始化
虚拟频谱仪软件通过窗口分割界面, 设计了3个视图窗口:波形显示窗口、频谱显示窗口和操作窗口。为了能方便地改变波形频谱的显示方式, 在软件界面中添加了一个工具条。程序中菜单页面主要分为菜单栏上的设置按钮加载和波形、频谱视图中响应鼠标右击的页面加载。
2.2 命令控制
命令控制的主要目的是保证FPGA与上位机的实时通信。本软件采用网口通信方式, 以实现FPGA与上位机的交互和命令控制。
通过系统初始化、参数设置、PCIe初始化等步骤后, 点击操作视图上的“Connection”按钮, 在消息响应函数中进行套接字的初始化, 连接FPGA服务器端。首先调用函数socket () 创建TCP套接字, 并设置地址结构体SOCKADDR_IN, 其中结构体成员变量中需要设置服务器端的IP地址和交互的端口号。然后再调用connect函数请求链接。当成功链接到FPGA后, 程序中调用Set Timer函数开启定时器, 系统会每隔一定时间发送WM_TIMER消息, 在消息响应函数On Timer中进行数据的发送与接收。
2.3 数据接收
数据接收过程主要包括参数设置、数据接收方式选择以及数据提取。图3为数据接收流程图。
由于串口、网口、USB等接口无法满足移动信号的高速率传输要求, 故本文采用PCIe接口对数据进行接收。其中, 数据接收采用PCIe总线传送, 在参数配置完成后, 首先对PCIe设备进行初始化, 成功打开PCIe设备后再准备数据接收。在FPGA端, 信号经过数字下变频后分为I、Q两路信号。此外, 根据单个数据的位宽为16 bit, 定义了short型变量real和image来分别提取I路和Q路数据。然后, 根据上位机命令控制接收相应的数据, 并对其进行处理与分析, 以最终实现对时域和频域波形图的显示。
2.4 数据存储
数据存储也是虚拟频谱仪软件的主要功能之一, 主要用于保存用户接收到的有用数据, 并为后续工作提供实时数据源, 且对研究无线通信信号的基带数据特征具有很大帮助。
2.5 数据处理与分析
该模块的主要功能是对软件输入信号进行数据处理与相应分析。该软件目前采用了FFT信号处理方式, 并同时使用加窗函数和重叠分段FFT优化频谱显示效果。此项功能主要在频谱视图类中处理实现, 此方法在对实时数据进行频谱分析时具有比较明显的改善效果。而窗函数的设置选择项进一步优化了频谱图。程序中主要加入了常用的矩形窗、三角窗、海明窗3个窗函数供用户选择。
2.6 图形显示
图形显示包括时域与频域波形显示。时域波形主要在具有示波器功能的CWaveform View类中实现;频域的频谱图则在CFre Spectrum View类中进行处理。
图形显示的位置由视图坐标系中的坐标值决定。为了能够正确地将波形绘制在视图中的网格坐标内, 需要把波形数据值转化为视图坐标值, 如图4所示。
在图4中, 外方框区域为视图区域, 左上角为视图区域的起始点 (0, 0) , 内方框为绘制的网格区域, 左上角的视图坐标起始点值为 (lefttop_x, lefttop_y) , 右下角的视图坐标值为 (rightbottom_x, rightbottom_y) , 且视图坐标值沿X轴、Y轴方向增大。程序中, 在频谱显示时只显示前N/2个点。
3 测试结果及分析
本文数据测试过程在软件无线电硬件测试平台上完成。利用SMJ100A信号发生器生成了一个频率为100 k Hz的正弦信号, 并以此为虚拟仪表软件的输入数据。然后用DS1102E示波器、FSL频谱分析仪进行显示, 并与软件产生的波形图、频谱图进行对比, 如图5所示。其中图5 (a) 、图5 (c) 分别为真实仪器的时域与频域显示, 图5 (b) 、图5 (d) 为本设计实现软件对应的显示图。
图6为参与测试的WCDMA信号在真实频谱仪上的显示结果。通过菜单栏下的设置功能选择文件输入项, 显示保存的WCDMA文本数据如图7 (a) 所示;通过动态设置X、Y坐标, 对信号的局部波形进行放大, 如图7 (b) 所示。图7 (a) 的时域参数显示结果为min=-0.36 m V, max=21.29 m V;频域参数显示结果为min=-33.55 d Bm, max=20.69 d Bm, 频率分辨率为7 500.00 Hz。而图8 (b) 的时域参数显示结果为min=0.80 m V, max=19.78 m V;频域显示结果为min=-33.55 d Bm, max=20.69 d Bm, 频率分辨率为7 500.00 Hz。
图8给出了通过PCIe和网口配置 (传送采样率为5.1 2 MHz, FFT点数为16 384, 设置无重复点, 且选择矩形窗) 的TD-SCDMA基带数据的波形频谱图。
在图5中, 图5 (a) 为示波器显示结果, 其峰值约为40 m V, 图5 (b) 显示结果峰值为43.20 m V;图5 (c) 为示波器显示结果, 其峰值约为40 m V, 图5 (d) 显示结果峰值为43.20 m V;图5 (c) 显示结果可知其信号频率为100 k Hz, 在图5 (d) 中显示的结果为100 000.29 Hz。对比以上结果可知, 本软件测试精度约为±0.30 d B, 完全符合频谱仪的性能指标。
当为文本输入时, 对比图6和图7可知, 本软件可以正确显示WCDMA信号, 且能观测其局部特征;当为PCIe输入时, 由图8的显示结果可知, 其波形显示结果与TD-SCDMA信号本身特征一致。综合说明, 本文设计的虚拟频谱仪软件能够正确、稳定地显示通信信号的波形。
与真实的频谱仪相比, 本设计的虚拟频谱仪不仅能够正确快速地显示常用简单波形, 而且可以准确地接收和测量通信信号, 测量精度为0.01 d B。与真实仪器相比, 能够直接接收实时数据, 不需要中间处理过程就能显示复杂的通信信号, 大大减少了工程工作量。
本文设计并实现了一种基于软件无线电的虚拟频谱仪软件, 实现了对文件的读取与数据存储功能并对它们进行了频谱分析。此外, 通过对网口传递参数配置, 利用PCIe接口对实时数据进行接收, 并完成对波形、频谱的正确、稳定显示。测试结果表明, 该软件可以有效满足软件无线电在数字信号处理与分析模块中的功能需求, 并且在课题要求范围内符合各个不同无线通信系统的实时接收数据需求, 能够完成测试要求。
参考文献
[1]张勇, 董浩斌.基于STM32和LabVIEW的地震数据采集卡的设计[J].电子技术应用, 2012, 38 (10) :72-74.
[2]马志飞, 张亚, 李波, 等.SLD光源可靠性试验数据采集系统设计[J].电子技术应用, 2013, 39 (9) :96-98.
[3]陈明星, 朱灵, 张龙, 等.基于LabVIEW的光纤傅里叶变换光谱仪数据处理技术[J].仪器仪表学报, 2010, 31 (3) :488-492.
[4]程乃平, 席有猷, 赵阳.基于Labwindows/CVI的虚拟频谱分析仪设计[J].电子测量技术, 2009, 32 (7) :109-111.
[5]何乐生.基于DDS算法的12导联心电信号发生器设计[J].仪器仪表学报, 2010, 31 (2) :275-279.
虚拟无线电 篇2
虚拟服务器
为保证局域网的安全，默认情况下，路由器会将局域网主机的IP地址隐藏起来，使因特网计算机无法主动与局域网计算机建立连接。因此，若要使因特网用户能够访问局域网内的服务器，需要设置虚拟服务器条目。
“虚拟服务器”定义了路由器的因特网服务端口与局域网服务器IP地址之间的对应关系。因特网所有对此端口的服务请求都会转发给通过IP地址指定的局域网服务器，这样既保证了因特网用户成功访问局域网中的服务器，又不影响局域网内部的网络安全。
需求介绍
因为外网用户不能直接访问到局域网中的服务器，只能访问到路由器的外网地址，所以“虚拟服务器”的本质，其实就是将局域网中的服务器发布到路由器的外网地址上的某个端口上，当外网用户来访问路由器的外网地址时，其实访问的就是内网的服务器。
下面，我们通过一个实例来看一下“虚拟服务器”的具体应用。
拓扑图如下所示：
配置步骤
1、WEB服务器
1) 内网搭建好服务器，保证内网pc可以正常访问，以及该服务器可以正常访问互联网;
2) 登陆路由器的管理界面，选择“转发规则”->“虚拟服务器”，进行对应的端口映射设置。如在外部使用8080端口访问内部80端口的WEB服务器。
◆服务名称：填入该虚拟服务器规则的名称，最多支持28个字符。
◆外部端口：填入路由器提供给广域网访问时使用的端口，如本例中使用8080端口。
◆内部端口：填入局域网中服务器的端口，如本例中是80端口。
◆服务协议：可以选择TCP，UDP协议，或者可以都选(根据内网服务器而定)。
◆内部服务器IP：填入局域网中WEB服务器的IP地址，如本例中是192.168.1.100。
◆启用/禁用规则：“启用”表示此规则生效，“禁用”表示此规则不生效，
填入所有的信息后，点击“新增”按钮，即可添加完成。添加后的规则信息如下：
3) 设置完成后，外网pc可以使用路由器的WAN口IP加外部端口号来访问内网的WEB服务器(假设本例WAN口IP为1.1.1.1，访问方式为http：//1.1.1.1：8080)。
4) 如果WAN口IP是通过PPPOE拨号或者动态获取的，用户可以通过申请花生壳动态域名，实现通过域名来访问内部服务器。
注意：若服务器对外开放端口是80端口，在实施端口映射前需要将路由器的管理端口更改，更改方法为：管理界面->系统服务->WEB服务器->服务端口->WEB服务端口，将默认的80端口修改为88或其他端口。修改后登陆路由器管理界面的方法为：LAN口IP地址:新端口。
DMZ主机
但在在某些特殊情况下，用户希望让局域网中的一台计算机完全暴露给广域网，以实现双向通信，此时可以把该计算机设置为DMZ主机。当外网用户访问路由器的外网地址时，其实访问的就是局域网中的计算机。www.dnzg.cn
局域网中设置DMZ(Demilitarized Zone，非军事区)主机后，该主机将完全暴露给广域网，可以实现双向无限制通信。
DMZ主机实际上就是一个开放了所有端口的虚拟服务器，当需要设置的虚拟服务器的开放端口不确定时，可以把它设置成DMZ主机。
选择菜单转发规则→DMZ主机，可以在图 5-28所示界面中设置DMZ主机。
▲ DMZ主机
DMZ状态： 选择是否启用DMZ主机功能。
DMZ主机IP地址： 输入要设置为DMZ主机的局域网计算机的静态IP地址。
完成设置后，点击保存按钮。
实例：把局域网中IP地址为192.168.0.10的计算机设置为DMZ主机，以实现它与Internet上另一台主机的双向通信。
设置方法：
当把主机设置成DMZ主机后，该计算机完全暴露于外网，防火墙对该主机不再起作用。外网用户访问路由器外网地址时，访问的就是192.168.0.10这台计算机。
注意：
1. 添加DMZ主机可能会给该主机带来不安全因素，因此不要轻易使用这一选项。
虚拟无线电 篇3
计算机虚拟化是资源的逻辑表示, 这种表示不受物理限制的约束, 它的主要目标是对包括基础设施、系统和软件等IT资源的表示、访问、配置和管理进行简化, 并为这些资源提供标准的接口来接收输入和提供输出。
计算机虚拟化技术包括两个层面, 一是硬件层面的虚拟化, 二是软件层面的虚拟化。实际上, 我们通常所说的虚拟化是指服务器虚拟化技术, 此外, 在应用层、表示层、桌面、存储和网络都可以做全方位的虚拟化。
二、计算机虚拟化技术分类
(1) 网络虚拟化。通常包括虚拟局域网和虚拟专用网。虚拟局域网是其典型的代表, 它可以将一个物理局域网划分成多个虚拟局域网, 或者将多个物理局域网中的节点划分到一个虚拟局域网中, 从而提供一个灵活便捷的网络管理环境, 使得大型网络更加易于管理, 可以通过集中配置不同位置的物理设备来实现网络的最优化。虚拟专用网帮助管理员维护IT环境, 防止来自内网或者外网中的威胁, 使用户能够快速、安全地访问应用程序和数据。目前, 虚拟专用网大量在办公环境中使用。
(2) 存储虚拟化。就是为主机的物理存储器创建虚拟存储资源的过程。通过虚拟化技术, 多个存储介质模块 (如硬盘、RAID) 通过一定的手段集中管理起来, 所有的存储模块在一个存储池中得到统一管理。
(3) 桌面虚拟化。桌面虚拟化技术 (Desktop virtualization或Vir t ual Desktop Inf rast r uct ure) , 是一种基于服务器的计算模型, 并且借用了传统的瘦客户端的模型, 让管理员与用户能够同时获得两种方式的优点:将所有桌面虚拟机在数据中心进行托管并统一管理;同时用户能够获得完整PC的使用体验。桌面虚拟化最大的好处在于能够使用软件从集中的某个位置来配置PC及其他客户端设备, 这样方便了企业用户集中管理计算机, 运维部门可以在数据中心加强对应用软件、系统补丁、杀毒软件的管理和控制。
(4) 应用程序虚拟化。即在一台计算机上显示和操作计算机桌面, 在另一台计算机上执行程序和存储信息。
(5) 服务器虚拟化。服务器虚拟化可以说是最为熟悉的, 也是应用最广泛的, 它让多个操作系统和应用程序同时运行在不同的虚拟机上, 而这些虚拟机建立在同一个物理服务器上。但是, 一个服务器上的虚拟服务器的数量取决于硬件的能力, 所有虚拟服务器共享相同的硬件, 但相互独立运行, 单独的虚拟服务器可以自行升级、启动, 不会影响到其他虚拟服务器。服务器虚拟化解决了物理服务器环境下存在的诸多问题, 通过虚拟化层可以隔离同一台机器上、不同操作系统中运行的程序, 避免资源的冲突。另外, 服务器虚拟化可以动态移动没有充分利用的硬件资源到最需要应用的程序中, 从而提高底层硬件资源的利用率。
本文重点介绍的虚拟化技术是服务器虚拟化技术和桌面虚拟化技术。
三、服务器虚拟化的实现方式
在服务器虚拟化技术中, 物理的计算机硬件和软件环境称为“服务器”, 而模拟出来的计算机称为虚拟机 (Virtual Machine, 简称VM) 。服务器虚拟化技术的实质是通过中间层次实现服务器计算机硬件和软件资源的管理和再分配, 实现资源利用的最大化。服务器虚拟化分区技术带来的最大好处是, 使同一物理平台能够同时运行多个同类或不同类型的操作系统, 以分别作为不同业务和应用的支撑平台。
在具体的服务器虚拟化实现技术中, 主要有纯软件的虚拟化技术和硬件辅助虚拟化技术两种。纯软件方式实现的虚拟机在测试、验证和管理维护方面比较费时, 同时二进制码的翻译需要消耗处理器的很多计算资源, 因此, 纯软件虚拟化运行时的开销会造成系统运行速度变慢。硬件虚拟化技术能达到与VM等软件虚拟化技术同样的虚拟效果, 但又有所不同, 硬件虚拟化技术是一个巨大的技术进步, 具体表现在减少软件虚拟机相关开销和支持更广泛的操作系统方面, 硬件虚拟化技术将核心的编译过程整合到了芯片中, 在编译速度和兼容性方面有了更高的提升。
服务器虚拟化具有如下的特点:
⊙减少服务器的数量, 提供一种服务器资源整合的方法, 减少初期硬件采购成本。
⊙简化服务器的部署、管理和维护工作, 降低管理费用。
⊙提高服务器资源的利用率, 提高服务器计算能力。
⊙提高可用性, 具有透明负载均衡、动态迁移、故障自动隔离、系统自动重构的高可靠服务器应用环境。
⊙在不中断用户工作的情况下进行系统更新。
⊙快速转移和复制虚拟服务器, 提供一种简单便捷的灾难恢复解决方案。
四、桌面虚拟化的构建架构
基于虚拟化技术的分布式应用处理分系统, 以桌面虚拟化方式构建在虚拟化服务之上, 允许多个虚拟化用户桌面以虚拟机的形式独立运行, 同时共享CPU、内存、网络连接和存储器等底层物理硬件资源。这种架构将用户彼此隔离开来, 使每位用户都拥有自己的操作系统, 同时可以实现精确的资源分配。在虚拟桌面中安装相应系统软件, 交付最终用户使用。使用虚拟桌面, 用户界面和原有使用模式相同, 同时所有桌面在后台进行托管, 可以达到良好管理和便于升级的效果。其体系架构如图1所示。
虚拟桌面系统在中心机房的虚拟化基础平台上运行, 所有系统与应用均部署在虚拟桌面系统中, 无需在用户桌面设备上安装, 维护管理工作均可在数据中心完成, 包括新应用部署、应用升级、补丁升级以及系统重置等操作;另外, 虚拟桌面具有硬件无关性特性, 即一个虚拟桌面可以在任何一个物理平台上运行, 因此可利用该特性实现桌面管理的标准化, 这些特性可大大简化桌面应用的管理维护工作。
另外, 同一部门的客户端所需的应用通常完全相同, 因此, 可以利用这一特点为相同类型的用户创建标准的虚拟桌面模板, 并利用链接克隆技术为相同类型的用户置备虚拟桌面。
五、虚拟化技术在短波监测和测向系统中的应用
国家无线电短波监测和测向定位系统具备对我国乃至全球短波无线电信号进行全时段、不间断的监测和测向分析能力。目前绝大多数短波测向系统采用相关干涉仪测向体制, 联网交会定位系统一般采用2～3站交会定位方式对短波发射源进行定位。
1. 在短波单站监测和测向系统中的应用
对于一个短波信号的监测和测向基本包含以下三大步骤:数据库遴选信号、在监听机上监听信号并利用测向系统对信号进行测向、在地理信息地图上利用单站定位或联网多站交会方法对信号进行准确定位。在利用桌面虚拟化之前, 往往需要三个工作人员分别在三台独立的工作站上相互配合完成上述工作, 消耗的人力和物力资源较多;然而, 使用桌面虚拟化技术后 (如图2) , 一个人在一台工作站上即可完成上述工作, 一套鼠标键盘等输入设备即可完成对三个步骤的完全操控, 达到了对资源的最优配置。
2. 在短波测向及联网交会定位系统中的应用
联网交会定位即通过2～3个固定测向站在同一时间对同一信号进行监测测向, 并由其中某一个站收集所有其他各站测向信息并利用交会方式确定发射源位置的一种无线电信号定位方式。利用服务器虚拟化技术, 在远端各站已建好监测和测向天线的基础上, 只需在本地建设一套工作站系统, 即可完成全部上述工作 (如图3) 。工作时, 本地工作站为远端所有站天线提供服务器级服务, 好比是每个远端站都各自拥有一套完整的工作站一样, 能够各自“独立”完成对同一信号的监测和测向工作, 然而在物理上, 仅有本地一套工作站系统而已, 最终本地工作站将综合远端各站及本站测试信息, 给出最终测试结果。这样不仅无形中节省了远端站工作站建设的开支, 并且在一定程度上加强了对系统的管理, 同时也便于对系统的维护和升级。
六、虚拟化技术在卫星干扰源定位系统中的应用
卫星干扰源定位系统采用了先进的“双星”定位原理, 利用测得的到达时间差 (TDOA) 和到达频率差 (FDOA) 参数, 结合测试时的两颗星的空间星历数据, 来推算发射源在地面的地理位置。
由于卫星干扰源定位系统对测时精度和测频精度要求很高, 并且定位算法也相当复杂, 因而导致整个系统的造价相当高。国家无线电监测中心在北京和深圳监测站虽然都部署了卫星干扰源定位系统, 但由于执行干扰源定位的任务繁重, 很难利用该系统开展技术培训, 且少有时间进行系统的维护保养。虚拟化技术尤其是服务器虚拟化和桌面虚拟化为上述问题提供了解决思路和有效的实现方式。
1. 开展卫星干扰源技术培训
利用服务器虚拟化技术, 可以将一台物理的卫星干扰源定位系统虚拟化为多台“虚拟机”, 对操作者来说, 每台虚拟机都是一套卫星干扰源定位系统, 操作员可以进行选择邻星、参考源、采集信号、定位计算等操作, 执行不同的定位任务。这种场景典型的应用在利用卫星干扰源定位系统进行技术培训中, 可以将一台卫星干扰源定位系统的使用效率发挥到最大的程度, 达到培训目的 (见图4) 。
2. 对卫星干扰源定位系统进行远程诊断和维护
由于卫星干扰源定位系统部署地点和生产研制单位不在同一城市, 这样, 需要维护和故障诊断时, 生产研制单位就派出维修人员到卫星干扰源系统安装地点进行维修维护。利用虚拟化服务器和虚拟化桌面技术, 可以实现系统故障的远程诊断和维护。当系统出现故障时, 启动远程诊断和维护模式, 即虚拟化出一套完整的卫星干扰源定位系统, 维护人员不用到达故障现场, 在卫星干扰源定位系统所在局域网的任何一个节点即可完成维护工作, 并且维护诊断过程中, 不影响卫星干扰源定位系统执行其他的定位任务 (见图5) 。
七、结束语
计算机虚拟化技术基于硬件系统的强大支撑能力, 在不额外添加硬件设备条件下, 充分挖掘现有硬件的潜力, 提高硬件的利用率, 同时提高了信息传输及沟通的效率, 解放了劳动力, 在不增加或很少增加现有资源的情况下获得了更多的回报。随着短波交会定位技术的发展和卫星干扰源定位系统由进口设备到国产化设备的迁移和转换, 更多更先进的计算机虚拟化技术应用到系统研制中成为可能。
摘要：本文概述了计算机虚拟化技术, 着重描述了服务器虚拟化和桌面虚拟化的架构和实现方式, 针对短波、卫星监测中用到的计算机虚拟化技术及相关系统进行了介绍和分析。
虚拟多天线无线传感器网络 篇4
不同类型的传感器网络的性能限制已经引起了广泛的研究,如文献[1]。在这些研究中主要关注的是抽样和压缩问题或者是信道容量问题。本文提出的无线传感器网络,其目标是在高保真度情况下,在空间和时间基础上搜索一种物理模型。有关该方面的研究,如文献[2,3,4]。文中从多天线的物理层出发,分析了无线传感器网络的性能。由于多天线通信技术的优越特性,其已经被建议用于多个通信标准中。同传统的点到点通信系统相比,多天线通信系统在没有增加系统带宽和发射功率的情况下提高了系统的性能。另外通过以空间分集的方式使用多天线技术,能够提高系统的信道容量[5]。本文的主要目标是分析得出误比特率和传感器节点的数目、基站数目以及节点传输总功率之间的关系。
1虚拟多天线无线传感器网络模型
本文提出的虚拟多天线无线传感器网络的模型如图1所示。
在该模型中,有一个物理现象,用来产生信源比特“1”或“0”,用“S”来表示。通过节点各自的识别器,节点间的相互通信和反馈信号来形成虚拟多天线无线传感器网络,假定该网络具有精确的时间同步。还假定中间数据汇聚单元能理想地连接到基站,因而基站收集到的数据能够被中间数据汇聚单元协作地处理。下面介绍网络参数。
1.1信道特性H
定义传输天线(传感器节点)和接收天线(基站)的数目分别为t和r。在该线性模型中,接收向量Y和发送向量X之间的关系为:
Y=HX+N。 (1)
式中,,是一个r×t矩阵;N为一个均值为零独立同分布的高斯噪声。矩阵H的特性如下:
① H是一个与信道特性相关的随机矩阵;
② H是确定的并且对于发送部分和接收部分来说都是已知的;
③ H是一个随机矩阵但一旦选定则为固定的。
利用奇异值分解理论,矩阵H能够被表示为:
H=UDVT。 (2)
式中,U为r×r的酉矩阵;V为t×t的酉矩阵;D为r×t的非负对角矩阵。实际上,矩阵D对角线上的非负元素为矩阵HHT的特征值的均方根,矩阵U的列为HHT的特征向量,矩阵V的列为HTH的特征向量。可将式(1)表示为:
Y=UDVTX+N。 (3)
1.2信源信息处理
该模型中通过S将物理现象转换为比特信号s,然后通过重复器和前向编码器形成发送向量X=[x1,x2,…,xt]T,最后通过t个传感器节点将信息传输出去。
1.3信道的空间带宽B
从式(2)得到传输矩阵H有k(k≤min{t,r}) 个非零奇异值定义为:β1,β2,…,βk。每一个非零奇异值表示一个单独的空间信道。在这种情况下,矩阵的秩相应地表示信道的空间带宽,具体表示为:
B=rank(H)。
1.4传输信号向量X所需的能量
从以上分析知道,传输信号向量X能够表示为:X=VS,这里V为一个t×t的酉矩阵并且由传输矩阵H所决定。S为信源信号向量[s,s,…,s]。所以,传输信号向量X所需的能量为:
P=E(XTX)=tE(sTs)。
假定E(sTs)=E,则P=tE。
2虚拟多天线无线传感器网络性能分析
在这里将利用贝叶斯判决准则分析虚拟多天线无线传感器网络的性能。因为信息比特s为“1”或“0”,这里假定undefined表示比特“1”,undefined表示比特“0”,并且假定发送比特“0”和“1”的概率相同。
定理1:虚拟多天线无线传感器网络的误比特率为:
undefined。 (4)
式中,k为传输矩阵H的秩;λ1,λ2,…,λk为矩阵HHT特征值的均方根;E为信源比特s的能量;σ为噪声方差的均方根。
证明:由图2,基站接收信号向量Y为:
Y=HX+N=UDS+N。 (5)
所以经过接收机修正后的信号R为:
R=UTY=(λ1+λ2+…+λk)s+UTN。 (6)
式中,k为传输矩阵H的秩;λ1,λ2,…,λk为矩阵HHT特征值的均方根。
因为信源比特s可被表示为:undefined或undefined,所以得到:
undefined为比特“1 ”;
undefined为比特“-1”。
又因为
E(UTN)=0, (7)
E((UTN)T(UTN))=σ2, (8)
由式(5)～(8)得到:
又由贝叶斯判决准则:
即
这样,误比特率就可以表示为:
undefined
式中,Q函数定义为:undefined。证毕
推论1(互惠性):由于矩阵HTH和矩阵HHT有相同的非零特征值,所以相应于通信信道H和HT的系统性能相同。
例1:假如对于所有的r和t,传输信道矩阵为:Hrt=1,则H可以表示为:
这样发现在对矩阵H进行奇异值分解后,对角矩阵D将只有一个非零元素undefined。利用式(4),系统的误比特率为:
undefined。
由于Q函数Q(x)随着x的单调增加单调减小,所以同点到点无线传感器网络(其误比特率为undefined相比,多天线无线传感器网络的误比特率减少了。点到点无线传感器网络和例1中多天线无线传感器网络的误比特性能如图2所示。
3虚拟多天线无线传感器网络的能量特性
在无线传感器网络中,由于传感器节点一旦布置了,节点的电池很难更换,因而无线传感器网络中一个很重要的事情就是节约传感器节点传输信息消耗的能量。因此,将讨论如图1所示虚拟多天线无线传感器网络的能量特性。
定理2:同点到点无线传感器网络相比,在相同误比特率性能条件下,虚拟多天线无线传感网络中每个节点消耗的能量为:
EMIMO=ESISO/(λ1+λ2+…+λk)2。
式中,k为传输矩阵H的秩;λ1,λ2,…,λk为矩阵HHT特征值的均方根;ESISO为点到点无线传感器节点传输1比特信息传感器节点消耗的能量;EMIMO为虚拟多天线无线传感器网络中传输1比特信息每个传感器节点消耗的能量。
证明:由式(4)和点到点无线传感器网络的误比特率undefined,如果二者的误比特率相同,则
undefined。 (9)
从式(9)得到:
undefined
例2:取r=t=n和H=In。则有
λ1=λ2=…=λn=1。
所以,EMIMO=ESISO/n2。
由例2可以发现,多天线无线传感器网络中每个节点消耗的能量减少了,从而延长了每个节点的寿命。由于传感器网络中的每个节点的寿命被延长了,因而整个网络的寿命也同样被延长了。
4结束语
本文分析了虚拟多天线无线传感器网络的性能。结果表明,在无线传感器网络中使用多天线技术能够提高无线传感器网络的性能,同点到点的无线传感器网络相比较,在天线传输信号能量相同的情况下,虚拟多天线无线传感器网络的误比特概率(BER)更小;或者在同样误比特概率情况下,虚拟多天线无线传感器网络的天线传输信号能量更低。这些特性能够提高无线传感器网络的性能或延长无线传感器网络的使用寿命。
参考文献
[1] CHAMBERLAND J F,VEERAVALLI V V.Decentralized Detection in Sensor Networks [J].IEEE Transactions on Signal Processing,2003(51):407-416.
[2] GASTPAR M,VETTERLI M.On the Capacity of Large Gaussian Relay Networks [J].IEEE Transactions on Information Theory,2005,51(3):765-779.
[3] GASTPAR M,VETTERLI M.Source-channel Communication in Sensor Networks[C].In 2nd Int Workshop on Info Proc in Sensor Networks.New York,NY:Lecture Notes in Computer Science,Springer,2003:162-177.
[4] GASTPAR M,VETTERLI M.Power,Spatio-temporal Bandwidth,and Distaortion in Large Sensor Networks[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2005,23(4):745-754.
可移动的虚拟桌面:无线云终端 篇5
在威睿(VMWare)针对x86的机器实现了操作系统的虚拟化后,因“一个物理机可同时运行多个操作系统”,机房里的服务器使用率大为提升。然而在终端PC前的用户,是否也可以取得虚机?于是有关虚拟桌面的想法应运而生。这个想法涉及机房里的多个虚机如何经过适度的管理将PC虚机的桌面实现在用户终端,因而是整个基础设施的架构,称为虚拟桌面基础设施VDI(Virtual Desktop Infrastructure)。在云计算红火的今天,一个很合理的问题是:云里的资源如何让用户使用?VDI就是从“端”操作“云”资源的手段之一:“端”透过适当的通信协议和足够的带宽来实现机房里“云”的资源使用。通信协议包括远程桌面协议RDP(传输桌面),以及SPICE协议(传输桌面和视频)。
以上所述VDI,通常只在PC及固网里实现。然而,在中国,手机、平板电脑和上网本(以下统称移动终端)的未来增长比PC快得多,是否VDI的虚拟桌面想法也可以透过3G移动网实现在移动终端上?在本研究报告中,我们把移动的VDI称为虚拟移动基础设施VMI(Virtual Mobile Infrastructure)。当然,VMI也是“端”使用“云”资源的手段之一。我们研究如何将Android和WinMobile 的手机操作系统桌面,传输到移动终端。
VMI与两方面的操作系统有关:(1) 服务器上的虚机操作系统。与VDI不同的是,手机的操作系统并不像PC机那样,被Windows的用户占了95%以上。当前较为流行的手机操作系统有:Android、Symbian、WinMobile和iPhone。 另外Win7、Android和Chrome的上网本也被看好。本研究仅包含两个代表性的手机操作系统Android、WinMobile6.0和PC的操作系统;(2) 移动终端上的操作系统。如果在机房里运行手机虚机及其应用,那么用户的移动终端即使品牌不同,只要安装适当的远程桌面协议客户端,都能接收到同一手机操作系统的桌面,甚至PC的桌面(当然PC的屏幕太大,有适配手机屏幕的问题,但使用手指滚动屏幕的技术能缓解这一问题)。这样“跨移动终端平台”的VMI产品优势也许能为移动电信、销售机构、甚至学校所接受,因为这些机构的用户的移动终端(尤其是手机)的品牌很难统一。此外,手机应用开发商也因此不必做跨平台的开发。
1 VMI的需求
以上只是略述VMI的背景,但其详细的需求如下:
手机虚机的制作 如果要得到手机虚机的屏幕,首先当然必须在机房里的x86服务器上创建手机虚机。这有两种情况:一是有的手机操作系统能够直接运行在x86的平台上,譬如谷歌的Android;另一种情况则是(大部分的)手机操作系统只能在ARM的芯片上运行,因而ARM指令必须要经过翻译才能在x86 的服务器上运行。所以基本上,这是两个不同的管理程序(Hypervisors)。
手机虚机的管理 类似于VDI的管理,用户必先通过连接代理取得虚机的IP地址和端口号,然后才能进行桌面的传输。在取得虚机时,VMI的管理器必然有适宜的机制,使得手机虚机对某个用户可以是静态永不变的,或动态地按照某种规律选取的。管理员必须能够透过管理界面,为用户创建、克隆、启动、停止、删除虚机。(停止虚机是一般手机操作系统并不具备的功能。)同时要兼顾更有效率的管理和启动虚机,因为手机虚机并不像PC虚机的镜像那么大,所以载入时间较快。
远程移动桌面协议 常见的远程桌面协议有VNC、RDP以及SPICE(以下统称移动终端协议MTP)。通过MTP,可以完成移动终端与虚机之间的“互动”:即虚机屏幕传到移动终端,而键盘和鼠标的动作则从移动终端传到虚机。必须选取三种协议之一或创建新的协议来完成互动。无论使用何种协议方法,移动终端协议有其服务器端和客户端。移动终端协议的服务器可以运行在Hypervisor之上(如SPICE和VNC)或虚机内部(如RDP)。至于移动终端协议的客户端,是运行在移动终端的操作系统上。由于手机品牌甚多,凡是较为通俗的智能手机或上网本的协议客户端,都必须支持。
无缝桌面 “无缝”是指客户端在连接虚机后,接收到的第一个桌面是客户选定的某应用的全屏桌面。如果没有选定的应用,默认的桌面就是操作系统桌面。
PC桌面传输到手机以及PC应用点播 移动终端如手机或上网本,不仅可以与手机虚机互动,还可以与PC虚机互动, 或与运行在虚机上的应用互动。
内网连接的扩容(Scalability of local-net VMI) 当大量的用户有桌面要求,系统在虚机能支持的虚机数量上以及用户响应、用户体验上必须保证没有问题。
外网3G连接扩容(Scalability of wide-area VMI) 机房里服务器的虚机桌面,利用3G载体的传输与移动终端互动。经由外网进入内网,通常有一个类似路由的接入过程。即使扩容测试已可在内网处理大批量用户的问题,但从外网的移动终端经由移动电信的3G移动网关、骨干网、一直到通过防火墙、接入内网到机房服务器的过程,如有瓶颈,必须消除,以支撑大数量的并发。
2VMI管理软件以及QVisor平台的研制过程
2.1 国内外Hypervisor技术调研
早期Hypervisor的研究 因为VMI的主要舞台是数据中心,而为了将ARM OS运行在全是x86核的数据中心里,有必要引用仿真器QEMU。较早的x86虚拟化研究包括:2000年华盛顿大学的Denali使用微内核技术的研究项目[2], 威睿的全虚拟化,Xen的半虚拟化[18],微软Hyper-V的半虚拟化[21,22],此外还有IBM的预虚拟化[4]以及红帽的Qumranet[11,15,19]KVM方法。自从2006以来,已有一些在ARM核上运行的虚机研究。例如伊利诺大学的研究就集中在ARM硬件上的Hypervisor[7,8,9,10],而不是用AMR的仿真器。Xen 3.3使用了V2E方法[20]:除了一个很薄的域0和其它客户域之外,在一个迷你OS上运行仿真器QEMU。这个QEMU仅是为了VM运行时需要进行一些特殊的应用例如安全检测,启发了我们的想法:将全部的客户OS都运行在QEMU上。
嵌入式Xen 这个方法起初是将Xen的源码移植到ARM指令。其次将此嵌入式Xen的硬件驱动虚拟化。有一些大学的研究是属于这方面的:文献[3]就是把 Xen 1.0 代码移植为ARM 指令,但MMU方面的工作并未完成。文献[5,6]移植了一个Choices Hypervisor到ARM芯片上并将ARM指令扩充以便在QEMU仿真器内使用类似英特尔的 VT技术 [17]。
基于QEMU的优化移动Hypervisor 文献[12,13]为多种芯片(SPARC、 ARM等)做了仿真工作,运行在Linux微内核 L4[14]上。他们做了下列优化: (1) 功能级别的指令块处理; (2) 用自己的内存管理方法,取代QEMU 软件 MMU;(3)L4 微内核是一个代码行数很少的内核,性能极佳。文献[12,13]的优化方法散布在三个层面:(1) 微内核 L4; (2) QEMU;(3) 客户OS。比起嵌入式Xen方法集中在一个Hypervisor内, 该方法似乎更为有效。但由于每个客户OS都需要将一个仿真器QEMU载入内存,消耗掉不少内存,于是能支持的虚机个数比起嵌入式Xen就少很多。如果QEMU 可被共享,那就更佳。不过,共享QEMU是Xen 3.3的V2E用在PC虚机上的方法,只不过Xen 3.3用了自己的Xen 任务调度器和 MMU, 而文献[12,13]的方法则是用了L4的改进的任务调度器和MMU。此外,文献[12,13]的方法还欠缺了一个服务器来管理虚机,以方便测试,并需要提供API与诸如VDI或VMI的应用相接。
至今国内外尚未有任何类似VMI的产品,主要是因为手机操作系统的虚拟化技术,大多数公司(例如澳大利亚的Open Kernel Lab、被RedBend收购的Virtualogic、以及威睿)将之用在客户端,而不是服务器。我们参考上述的研究,根据自己的创见,提出了在服务器上建立一个移动的Hypervisor的想法,称之为QVisor。至于多客户分派手机虚机,建立对话期,控管虚机池的机制,则是参考VDI的管理软件而得的设计。
2.2 移动虚拟化VMI软件的原理
移动虚拟化要建立的系统是基于一个事实:手机虚机能运行在x86服务器上。既然大部分的手机虚机仅能在ARM芯片上运行,手机虚机必须要先在ARM→x86的仿真器上运行,而该仿真器又能在x86的服务器上运行。
图1显示仿真器和x86的主机操作系统之间还有一个Hypervisor层。Hypervisor的功能是启动仿真器,优化内存的使用,并与虚机管理器对接,传达手机虚机的启动、克隆、结束、性能回报等指令。手机虚机和PC虚机最大的不同处在于它本身通常没有“结束”这一功能,必须另外设定;而且手机操作系统也欠缺硬盘功能,但可以通过闪存卡驱动接入。我们的解决方案将Hypervisor称为QVisor平台,集合了上述功能。
虚机管理器不止是通过应用接口传递VMI管理软件的指令和回应,也调节各虚机之间的资源使用情况。此外,虚机管理器可以单独运行成为软件服务器,不一定要和运行手机虚机的x86 主机共存。这是因为虚机管理器不但可以管多台主机上的虚机,还能处理主机集群的问题。我们的解决方案将虚机管理器称为QServer。
图1也显示透过软件交换机,不单移动网上的手机和上网本可透过和VMI的应用服务器接入QVisor平台,任何固网上的PC、瘦终端、感应器或离线VDI的终端也可以取得手机虚机(例如Android)的桌面。此外,手机和上网本也可以接入VDI的应用服务器。也就是说,这些移动终端也可使用PC虚机的资源。
VMI应用服务器上运行的是VMI的管理软件。有两个重要的功能,一是连接代理,其次是虚机池的管理。连接代理是在接到用户的接入请求后,完成身份验证、创建Session、并向虚机池管理器请求分派手机虚机。当得到虚机之后,把虚机网址、端口号传给用户。这样用户的远程传输协议(RDP、 SPICE、 VNC等)客户端就可直接与协议的服务器传送手机屏幕。连接代理能使用“无缝屏幕”的技术,让用户收到的第一个屏幕,就是订阅的虚机应用屏(第一个屏也可以设置为操作系统桌面)。这是考虑到如果合作对象是移动电信公司,其用户可以订阅该公司提供的不同“应用套餐”。虚机池管理器负责按照虚机的模板制作手机虚机,并按池的策略预先克隆足够的虚机,以应付大规模的手机用户请求。以上的功能与VDI的管理软件大致相同,不同的是手机虚机的启动要比PC快得多,简化了池中预留虚机的延迟考虑。我们的解决方案将VMI应用服务器称为TranVMI。
2.3 完成移动虚拟化的初步研究开发
移动虚拟化的初步研究开发,经历了三个阶段。
首先,我们按照TranVMI的设计,开发出手机从(1) 威睿的ESX平台,或(2) VMI基础平台QVisor接收到“无缝PC屏幕或手机屏幕”的技术。
其次,在为优化虚机内存使用情形下,我们开发出类似TranVDI的虚机管理器QServer(运软公司的VDI产品),成为VMI的QServer。因而虚拟机得以被更好的管理,譬如虚机上的代理可经由QServer传达心跳和虚机性能的信息,这样有利于调适。
最后,我们分别对微软和谷歌的手机操作系统进行了改良,将WinMobile成功运行在QVisor上。另外,我们也成功地将谷歌x86版的Android操作系统直接运行在x86 的服务器上,并使用VDI的QServer经过TranVMI与手机相连,但此方法效果不如QVisor。
2.4 完成跨手机平台的应用管理
以下为完成跨手机平台的应用管理的几个实施案例:
(1) TranVMI管理软件 + Android,直接运行在x86平台
TranVMI后台为Android x86版在Dell服务器上运行,我们使用了将Linux KVM改良的TranVMM Hypervisor,并经过TranVDI的QServer来管理。前端为WinMobile手机或上网本(已完成测试,见第3节的内网扩容测试结果)。
(2) TranVMI管理软件 + Android,运行在QVisor平台
在QVisor平台上运行,并经过TranVMI的QServer来管理虚机。前端为Android手机、iPhone手机或iPad上网本(与联通进行合作)。
(3) TranVMI管理软件 + WinMobile,运行在QVisor平台
TranVMI具备无缝传屏技术和应用管理的实施,后台为WinMobile虚机。TranVMI也连接后台为PC虚机在TVM 4.0平台上运行,并经过TVM 4.0的VM Manager。未来计划将前端扩展到:Android手机、iPhone手机、WinMobile手机、Nokia手机、其他主流Windows上网本或iPad上网本。
2.5 基于智能传屏技术开发手机虚拟化服务器
(1) SPICE协议
SPICE协议服务集成(虽然在手机上尚未完成移植SPICE,但第5节的VDI SPICE测试结果仍具有参考价值),例如:传虚机屏能力;传视频能力。
(2) 其它智能传屏协议
未来从修改VNC协议到建立运软自己的智能传屏协议,例如:虚机屏幕及视频传输;大规模并行会话和(应用+OS)镜像的双向同步,为客户端虚拟化作准备。
2.6 在移动运营商示范应用
首先测试TranVMI的手机或上网本,经过联通的3G上网卡,使用联通的移动3G网络在大规模扩容环境中的实际成果(部分为模拟客户端, 且中间经过RAS的外、内网地址翻译,结果见3.2节的VMI无线测试结果)。
未来与联通的合作还应包含兼容TMN标准的OSS体系,为用户供应自我服务的Web体系,和为系统管理员供应的集中式系统管理Web系统,在物理设备层面、网络层面以及其中运营的业务层面来保证企业级云计算基础设施的生产、供应、监视、部署和运营。
3VMI内网扩容测试、VMI 3G无线测试及VDI/SPICE参考测试
3.1 VMI内网扩容测试
(1) 测试指标
VMI扩容测试的技术指标为:
● 主机容量 一台物理机上运行至少100个手机虚机;
● 主机集群量 至少4台主机在集群里;
● 稳定性 主机至少不间断运行一星期。
(2) 性能测试场景
TranVMI的测试是400个用户访问400台Android虚机,后台有4个物理服务器(非集群)的情况。测试时必须使用运软模拟多VMI用户的测试工具,其中50个用户是实施在10个测试用Windows虚拟机上(每个虚机运行5个用户,可见Android屏幕),其余350个用户是借助测试工具来模拟(可在管理界面看见350个Android虚机被连接,但由于测试环境的限制,这些Android虚机的屏幕不可见)。连续运行一星期。
(3) 功能测试场景
VMI的功能包含:(1) QVisor基础平台的功能(目前没有曝露的界面可测); (2) TranVMI管理软件的功能:除了模板、虚机、虚机池的管理界面可供测试外,还具有“无缝屏幕”的功能,让用户收到的第一个屏幕,就是订阅的虚机应用屏(当然第一个屏也可以设置为操作系统桌面)。譬如中国联通的用户,可以订阅电信公司提供的不同“应用套餐”。另外,支持将PC的应用屏幕传到手机上。针对本项目大规模的扩容测试,无缝屏幕和应用套餐暂时不用。所有可见的屏幕都是Android操作系统桌面屏幕。
(4) 测试结果
首先,400个用户的性能测试完全符合上述指标。运行一星期,VMI系统也相当稳定(有一周的稳定测试日志可供查询)。其次,我们发现比较PC虚机在同样32GB内存Dell服务器上运行的数目,VMI可以运行大约4～8倍数目的手机虚机。如果手机虚机没有重型应用,这样的一台Dell服务器可以运行大约150个Android虚机。至于用户请求的响应时间,测试结果如表1所示。
表1第一行是测试客户向TranVMI发400个虚机请求,其所得的响应时间(以毫秒计)的平均值、中间值、90%值、最大值、最小值、错误百分比。这个测试做了两次,共800个请求。由此可知,在800个请求中,大部分的用户在3到4秒中就看到Android的第一屏,90%的用户在5秒内就看到,有的用户立即看到,只有极少数等了9秒才看到。
表1第二行是测试客户向TranVMI发400个登录通知,其所得的响应时间(以毫秒计)的平均值、中间值、90%值、最大值、最小值、吞吐量、使用带宽。这个测试做了两次,共800个通知。由此可知,大部分的登录所需时间不到1秒,90%的通知在2秒内完成,最慢不超过3秒。
表1第三行是测试客户向TranVMI发400个断开虚机指令,其所得的响应时间(以毫秒计)的平均值、中间值、90%值、最大值、最小值、吞吐量、使用带宽。这个测试做了两次,共800个断开指令。由此可知,用户停用虚机的指令,是立即见效的。
功能测试与性能测试经过了上海市计算机软件评测重点实验室验证[23]。VMI产品经此认证,75项功能100%通过,符合国家标准GB/T16260.2-2006《软件工程 产品质量 第2部分:外部度量 》,和国家标准GB/T17544-1998《信息技术 软件包 质量要求和测试》(相当于国际标准ISO9126)。
3.2 VMI无线3G测试
(1) 测试场景
单台上网本运行单VNC客户端/单个虚机测试无网络地址翻译。
经由上网本上所插的3G上网卡,通过运软外网开口,连接TranVMI,取得固定(也就是把单个虚机的IP固定成为外网地址)Android虚机屏显现在上网本上。
多台上网本每台运行多VNC客户端并发测试。
安装RAS(remote access server)以实现内、外网地址翻译。RAS必须安装在物理机上,有数个高速网卡。该物理服务器运行在高速通讯环境的机房。
修改TranVMI使能从RAS取得内网Android虚机地址。(见图2:VMI与3G网络的测试环境)
单台上网本运行两个VNC客户端,利用WCDMA华为/联通上网卡(下行7.2Mbps,上行5.76Mbps),通过RAS/TranVMI分别取得Android屏。
三台上网本每台运行10个VNC客户端并发,通过RAS/TranVMI分别取得共30个虚机的Android屏。
(2) 测试结果
表2第一行是测试客户向TranVMI发30个虚机请求,其所得的响应时间(以毫秒计)的平均值、中间值、90%值、最大值、最小值、吞吐量、使用带宽。这个测试做了两次,共60个请求。由此可知,在60个请求中,大部分的用户在11到12秒中就看到Android的第一屏,90%的用户在23.4秒以内必然看到,有的用户立即看到,只有极少数等了23.5秒以后才看到。有一个请求发生错误。
表2第二行是测试客户向TranVMI发30个登录通知,其所得的响应时间(以毫秒计)的平均值、中间值、90%值、最大值、最小值、吞吐量、使用带宽。这个测试做了两次,共60个通知。由此可知,大部分的登录所需时间不到1秒,90%的通知在5秒内完成,最慢不超过12秒。
表2第三行是测试客户向TranVMI发30个断开虚机指令,其所得的响应时间(以毫秒计)的平均值、中间值、90%值、最大值、最小值、吞吐量、使用带宽。这个测试做了两次,共60个断开指令。由此可知,用户停用虚机的指令,平均花了1.7秒,最慢的花了11秒。
3.3 VDI SPICE内网视频参考测试
虽然我们并没有用手机虚机测试SPICE的传输协议,但以下的VDI测试,应该理解为图1的VDI第三方产品使用Windows PC虚机运行影音风暴,经SPICE将电影传输给上网本的移动终端。因此也可为参考。
(1) 测试场景
● 使用SPICE远程连接5-20台虚机同时做视频电影rmvb文件操作:虚机分辨率为1024×768;暴风影音打开rmvb文件(HDTVrip.624X352,166M);全屏观看该电影30分钟左右;
● 千兆网络下,主机有3个千兆网卡,终端百兆网卡。
监控主机上bond(即Linux三个网卡的绑定组合,与Bridge类似但能负载均衡)的输出流量。
(2) 测试结果
表3显示,当PC虚机数量达到15台同时播放该视频时,主机的CPU占用率已达到90%以上,且终端视频播放已有些延迟,认为当前已达到极限。
根据上两趋势图(图3和图4)看到IO 等待的百分率(iowait%)较低,而网卡输出流量也未达到峰值,可确定当前CPU能力为性能瓶颈。
3.4 VDI SPICE 3G音频参考测试
测试设置情况与图2类似,但是在3G网络环境下使用SPICE远程协议连接虚机做音频带宽统计。远程连接多台虚机(播放音频)场景下,根据情况的网络流量数据信息,为估算未来客户环境中不同终端数、不同的虚机使用方式下的网络带宽作参考。
(1) 测试环境
TVM host使用Dell R710, 配置Xeon E5520(2X4Core)CPU, 32 GB Memory, 3 TB SATA Disk,4 NIC(1 000 M)。配置虚机的虚拟网卡桥接在两块块物理网卡eth2、eth3上,eth0、eth1都绑(bond)在一起提供给SPICE连接。
3G 网络环境,终端是Windows的上网本或笔记本,使用WCDMA华为/联通3G上网卡拨号连接。
(2) 测试场景
● 使用Spice远程连接1-3台虚机同时做流媒体MP3文件操作:虚机分辨率为800×600;Windows Media Player最小化播放MP3;MP3播放一次;
● 监控Host上bond的输出流量。
(3) 测试结果
听取MP3文件时声音流畅,没有断续现象。流量统计如表4所示。
3.5 3G iphone切换手机虚机的测试
另外,我们测试了联通iPhone 3G手机在3G网络下,可以流畅地切换Android和WinMobile的虚机桌面。由于这个研究显示了VMI QVisor的能力,我们制作了可以下载的全程录影。
4 结 论
测试总结果显示,VMI可以是一个承受大批量用户(至少400人)的产品。
由于手机虚机不占太大空间,一台标准32G内存的硬件服务器可以运行大约4～5倍数量的PC/Windows虚机。这是Android 的一大优势,尤其它渐为大众所喜爱。虽然WinMobile也能达到同样的效果,大众的目光似乎更转向了WinPhone7。无论如何,手机应用能借助VMI的技术,在不同品牌的智能手机上运行,对某些企业是相当需要的。
有关SPICE的性能,一般来说,在3G移动办公的情况下,比思杰(Citrix)的HDX协议效果好,譬如声音的效果,不像Citrix在某些情况下有断续听不清的现象。当然,以目前3G的带宽来说,这两个协议,SPICE和HDX,都无法有流畅的视频效果。
由于上网本、平板电脑等新型移动终端的出现,VMI已不再限于使用手机作为移动终端。Windows的PC桌面和Android的手机桌面都可以呈现在这些新移动终端上。也就是说,VMI和VDI之间的界限变得模糊了。
5 未来研究
5.1 尚待完成的工作
下列的工作尚待完成。(1) QVisor的稳定性还需大力提升;(2) 使用SPICE在手机/上网本的客户端,目前尚未达成;(3)iPhone/iPad作为客户端的键盘/鼠标的驱动还未完成;(4)除了Android和WinMobile以外,尚需虚拟化更多的手机操作系统(如Symbian、iPhone)此项难度较度。
5.2 客户端虚拟化
客户端虚拟化CSV(Client-Side Virtualization)又称离线VDI(offline VDI)。未来企业对员工的移动设备管理,包括花费、策略调整、安全等,依然存在很大的问题。同时由于通信传输因地域接收的限制,员工可能不满足于VMI的屏幕传送。这时,CSV将手机OS镜像同步到本地就非常有吸引力。用户使用笔记本或上网本当作电子书包/电子公务包,配合串流技术将应用融合在操作系统镜像中,然后用户的移动终端与机房服务器做镜像同步。同时支持PC Hypervisor层级的安全保护(比操作系统环ring<3层级更深),可以使用户(办公人员和学生)不易被黑客侵袭,或对用户上网及安装应用实施限制。此外也支持移动存储,可插入第三方电脑运行。
5.3 动态移动基础设施
动态移动基础设施DMI(Dynamic Mobile Infrastructure)与CSV类似,但移动终端必须要用到微内核级别的Hypervisor,与CSV的PC Hypervisor不同,能运行在较低CPU能力的移动终端上。
5.4 物联网
VMI的想法可以脱离桌面,朝物联网(M2M)的方向来发展。也就是说,终端可以是传感器,而服务器端则使用手机虚机来运算,具有虚机随需启动、镜像小启动快、虚机间充分隔离、节省资源和能耗、仍然拥有服务器强大计算能力和存储能力等优势,这是传感器在当地无法达到、而一般的非虚拟化平台也无法企及的。当然,新的传感协议必须建立,能在下述传输对象之间平滑转移桌面、视频和传感信息。如果使用SIP协议内嵌传感协议,还可以达到单虚机支撑多传感器的目的。
虚拟无线电 篇6
互联网上虚拟货币使用比较流行。虚拟货币的好处主要在于解决了小额支付的问题。无线流量可以作为一种虚拟货币[1], 但是目前还没有运营商真正地将无线流量作为虚拟货币来使用。而现实中具备虚拟货币性质的事物有很多, 比如积分、刮刮卡、QQ币等, 这些虚拟货币是无线流量的竞争对手。本文旨在分析探讨无线流量作为虚拟货币的优劣势和适用的应用场景。
2虚拟货币使用中要考虑的问题
虚拟货币的使用过程中都会考虑如下几个问题:
(1) 虚拟货币的获取。
也就是用户如何获得虚拟货币。目前很多情况下, 用户是通过完成网站的任务或者掏钱充值的方式获取虚拟货币。这样的话有两个问题:
(1) 并非所有的用户都愿意去做站内任务。比如百度文库, 很多人喜欢下载自己需要的文档, 但是不希望上传文档。因为上传文档需要先注册一个用户, 还得提交一篇确保有用户下载的文档, 否则得不到财富值。如果用户随意去做站内任务的话, 站内任务的完成质量就不高。比如很多文档可能就是下载后重新上传, 这对文档分享的初衷没有什么好处。
(2) 除非粘性很大并且没有其他渠道来获得虚拟货币, 比如小说和游戏等服务, 否则用户不会掏钱充值。
(2) 虚拟货币的支出。
虚拟货币的支出一定是要有用户愿意为之买单的服务。用户访问这个网站就说明用户愿意使用这个网站的服务。现在的问题主要在于互联网的免费模式, 用户已经习惯免费使用网站的服务, 用户很可能无法消费掉自己获得的虚拟货币。比如笔者上新浪网站主要就是看新闻、看博客和写博客, 这些都是免费的。
(3) 虚拟货币兑换实体货币或者实体商品过程的监管。
很多商家提供了虚拟货币兑换实体商品或者实体货币的功能。比如南京中央商场购物可以累积积分, 在年底前积分都可以用于抵扣在中央商场购物的货款。很多游戏的虚拟货币可以直接卖掉换人民币。
笔者比较推荐用商家提供的虚拟货币兑换该商家提供的实体商品的做法。这样的话对实体经济影响较小, 而且都在商家的掌握中, 可以认为是商家的促销策略。由于实体商家的管理体制比较健全, 所以不用担心虚拟货币兑换实体商品过程中的非法交易。
如果虚拟货币可以直接兑换实体货币的话, 由于实体货币的流通性, 在互联网服务监控手段落后的情况下, 虚拟货币很容易被非法使用[2]。用实体货币给虚拟货币充值可以认为是购买商家提供的服务, 以QQ斗地主游戏为例, 输了会扣Q币, 赢了会挣得Q币, 其实就有赌博的性质。但是在游戏中赌博不是非法的, 因为这是虚拟的, 大家只是享受游戏娱乐服务而已。但是Q币如果直接可以兑换人民币的话, 那么这种赌博就不是虚拟的游戏服务, 而是一种真正意义上的赌博, 游戏变成了赌博的技术手段[4]。
对于非实体经济的商家提供的虚拟货币, 一旦可以直接或者间接地兑换为人民币的话, 那么都有可能被非法使用, 此时必须要按照实体经济的业务来监管。中国目前的网络业务监管手段比较弱, 所以目前最好的方法就是限制虚拟货币发行商,
(1) 通过虚拟服务 (做任务可以看做是一种提供给商家的虚拟服务) 和充值获取的虚拟货币, 必须只用于购买虚拟服务和虚拟商品, 不允许用于实体商品。最多只能用于实体服务消费, 提供实体服务的商家需要登记, 消费要有记录, 而且要有时间限制。比如2010年获取的虚拟货币只能在2010年12月31号前使用。这样可以尽量降低虚拟货币对实体经济的影响, 同时促进服务行业的发展。
(2) 实体商品和实体服务消费获得的虚拟货币, 可以被用于实体商品和实体服务消费。但是不能转让。
按照上述两个限制, 实际上虚拟货币的消费就变成了一种促销的手段。文化部、商务部2009年联合下发了《关于网络游戏虚拟货币交易管理工作》的通知[3], 明确指出同一企业不能同时经营虚拟货币的发行与交易, 并且虚拟货币不得支付购买实物, 防止网络游戏虚拟货币对现实金融秩序可能产生的冲击。
从技术发展的角度讲, 笔者还是希望政府可以加强网络业务的监控, 研究虚拟经济监管方法, 并放开对虚拟货币消费的限制。这样可以促进虚拟经济的发展:
(1) 虚拟货币在发行后的交易, 要求最终要在发行该虚拟货币的企业的交易平台上进行记录。由交易平台确认虚拟货币购买兑换的对象并非实体商品。由于虚拟货币发行企业、提供可用虚拟货币消费的实体服务企业以及提供可用虚拟货币购买的虚拟商品和虚拟服务的企业都是需要登记的。所以技术上讲, 这个监管是可以做到的。但是需要有强有力的企业牵头来做这个事情。这样可以避免虚拟货币直接兑换人民币或者实体商品的情况。
(2) 对于虚拟货币通过游戏道具交易等间接兑换成人民币的情况, 需要限制游戏道具不允许交易。游戏道具作为一种虚拟的服务, 只能购买者自己使用, 如果不需要的话, 由购买者退还给游戏运营商, 不允许使用者之间做交易。
3 无线流量作为虚拟货币的优劣势和发展建议
为了便于比较虚拟货币之间的优劣势, 笔者选择了QQ币、商场购物积分、无线流量等3种虚拟货币作为比较对象。QQ币是互联网企业发行的虚拟货币的代表, 商场购物积分是实体企业发行的虚拟货币的代表, 而无线流量可以是运营商发行的虚拟货币的代表。
笔者从支付方便性、可获得性、易支出性、可监管性、发行方的权威性和影响力等几个方面对QQ币、商场购物积分、无线流量做了比较, 如表1所示。
综合上述比较, 无线流量作为一种虚拟货币, 具有很大的竞争力。为了打败其他虚拟货币竞争对手, 运营商需要做好如下两个事情:做好基于流量的营销[1], 改善无线流量可获得性。
运营商可以和互联网企业合作, 也可以和实体商家合作。文献[1]列举了和互联网企业合作的例子, 这里不再描述。
运营商和实体商家合作时, 无线流量作为虚拟货币有个好处, 就是可以弥补商场购物积分的支付方便性。很多实体商店都有送小礼物或者满多少积分抵用多少现金的促销方法。但是这些促销手段都是有一定条件的, 用户如果消费金额不足的话可能就得不到任何好处。对于小额消费可以有小额赠送促销手段。无线流量就可以作为一种小额赠送促销的商品。而且运营商的用户和商场的用户是基本重叠的, 不会出现获取积分的用户没有电脑没有QQ号或者很少上QQ或者除了聊天不使用QQ的他业务的情况, 很多商务人士和中老年人就是这种情况。
推动虚拟货币监管政策的发展, 按照2.3章节来监管虚拟货币对实体商品和服务的兑换。互联网企业提供的虚拟货币一个重要缺点:用户数众多的服务本身一般都是免费的。对于用户数较少的收费服务, 由于用户基数太小, 影响力非常小。这会带来两个问题:
由于使用范围有限, 互联网企业提供的虚拟货币在易支付性上不如无线流量。如果QQ币不能和人民币兑换, 那么QQ币的使用范围会减小很多。
互联网企业发行的虚拟货币能兑换的服务大部分不能直接和实体服务、实体商品或实体货币产生直接的兑换关系, 价值评估困难。
而无线流量本身代表着无线上网这种合法且必需的服务, 在影响力和价值评估被认可方面有得天独厚的优势。从政府的角度, 是希望有企业可以牵头做一个虚拟货币交易平台标准的。从运营商的角度来看, 运营商实现虚拟货币交易平台的话可以监管控制其他虚拟货币的非法使用范围, 而且会使得无线流量的虚拟货币竞争力大为增加。
改进无线流量作为虚拟货币的流通性。运营商可以和互联网企业合作, 运营商帮忙推销互联网企业的服务, 互联网企业接受无线流量这种虚拟货币, 允许使用无线流量购买互联网企业的虚拟服务。
4 总结
本文分析了虚拟货币使用中存在的问题, 对目前存在的常见的虚拟货币优劣势做了比较。无线流量如果作为虚拟货币的话, 在移动互联时代具有比市面上其他常见的虚拟货币更大的优势, 将有着巨大的前景。
摘要：分析了虚拟货币使用中存在的问题, 对目前存在的常见的虚拟货币优劣势做了比较。无线流量如果作为虚拟货币的话, 在移动互联时代具有比市面上其他常见的虚拟货币更大的优势, 将有着巨大的前景。
关键词：虚拟货币,无线流量,货币竞争力
参考文献
[1]刘平.论基于流量的营销和对运营商管道的要求, http://www.zte.com.cn/cndata/magazine/zte_technologies/2012/5_2012/magazine/201205/t20120510_305502.html
[2]张磊.网络虚拟货币本质及其监管, 《商业时代》, 2007, 4:56-57
[3]网游虚拟货币新规出台:不得支付购买实物.http://tech.sina.com.cn/i/2009-06-26/15193215278.shtml
虚拟无线电 篇7
总部坐落于英国伦敦的Truphone公司成立于2006年, 其前身是软件蜂窝网络有限公司。该公司最初以开发可下载的移动VoIP应用程序而起家, 应用在智能手机或者集成的Wi-Fi连接的设备上。该应用程序因为有明显的应用场景而获得广泛使用, 给用户带来的主要好处有:在移动设备上, 在GSM无覆盖或者覆盖信号很弱的地方提供免费或低费用通话;能够发送即时消息到其他网络。
该公司的核心业务是2010年4月份推出的“Truphone Local Anywhere” (全球本地化) 业务, 该业务是基于GSM SIM卡的移动服务, 在公司拥有本地运营商合作伙伴的国家之间漫游或者通话只收取本地话费, 不收取国际漫游话费。
Truphone特色应用
Truphone全球服务范围
Truphone网络可以在世界各地超过220个国家和地区提供服务。这意味着, 在旅途中, 用户将收到一个无缝的、一致的服务。另外通过Truphone的“最低成本漫游”方案, 可以为用户提供令人难以置信的国际漫游价格。
Truphone具体划分了三个不同费率组的漫游国家, 英国、美国、澳洲、荷兰因为有自己的网络, 所以零漫游费。欧洲30多个国家因为有特殊优惠政策, 所以漫游费节省70%。全世界其他220个国家漫游费也比同类运营商优惠30%。
单手机/SIM卡多本地号码
正常情况下, 一部手机上的一个SIM卡只有一个用户号码, 这种情况下, 海外的其他用户呼叫你时需要支付昂贵的国际长途话费。所以对国际商务人士来说传统的方式不是最好的解决方案。如果单个手机/SIM卡支持多国号码, 这样其他人联系你时都选择本国号码, 对他们可以大大节约话费支付。如下情况, Thomas Williams的一部手机一个SIM卡有英国本地号码和美国本地号码, 这样英国和美国的客户只需要拨通本地号码即可, 而Truphone的用户Thomas Williams也不需要频繁更换手机或者SIM卡。
下面详细介绍这种应用的技术实现。
大多数网络的S I M卡只能容纳一个号。Truphone采用独特的多IMSI技术, 在其HLR中针对一个SIM卡签约多个IMSI。该技术允许多个号码在同一时间同时在线。通过这些标准的手机号码, 每个国家的联系人采用本国号码呼叫你, 而不会产生额外的国际长途费用。
多个号码的特点:始终处于激活状态;不涉及SIM卡交换或变更;海外联系人只需要记录本地号码。
智能主叫号码识别业务
单个SIM卡对应多个用户号码, 如何选择显示主叫号码给被叫是让人困惑的问题。Truphone采用了智能主叫号码识别技术Smart Caller ID (CLI) 来解决这个问题。
当你做主叫呼叫其他用户的时候, 被叫会看到对他们回拨最方便的号码。
目前Truphone可以提供英国、美国和澳大利亚的号码供选择。
并且支持现有这些国家已有号码携带进入Truphone网络, 也就是不需要更换IMSI号码, 可以方便地加入Truphone网络, 同时再增加2个国家的号码。
一个SIM卡可以免费获得2个号码, 如果要增加其他号码, 每增加一个号码需要每月支付5英镑。
Small Cell无线共享
卢森堡MVNO运营商Join推出的Small Cell室内覆盖无线共享, 提供了另一种MVNO的应用案例, 也值得深入研究和借鉴。
众所周知, 室内覆盖一直是移动通信的难点。而欧洲国家专门划分出Small Cell频谱用于室内覆盖, 也是致力于解决该问题。虚拟运营商除了自建计费平台、业务平台、核心网关口局之外, 如果可以再拿下室内覆盖无线部分, 则可以在与传统移动运营商合作时提供更有力的筹码, 进一步降低网络租赁费用。
具体的部署网络方案有如下两种选择。
MVNO的Small Cell接入MNO的端局
图2展示了MVNO网络自建GWCN核心网关口局和业务计费平台, 然后自建的Small Cell通过标准接口接入MNO的端局。
该方案的优点是可以快速部署MVNO的关口网络, 快速发展用户。同时避免用户在Small Cell和室外宏站之间的切换变成局间切换, 节省信令流程。
该方案的缺点是MVNO无法准确对Small Cell下的用户进行计费, 特别是针对国际漫游用户, MVNO只能通过MNO的BSS话单计费系统传递过来的话单进行二次分拣, 依赖MNO严重。
MVNO的Small Cell接入自己的端局
图3展示了MVNO网络自建全套核心网设备, 接入自己的Small Cell。另外针对室外覆盖部分则采用GWCN方式, MNO的端局同时也会把呼叫路由到MVNO的关口局。
该方案的优点是MVNO可以充分对自建的Small Cell进行网络运维, 增加收益。特别是针对国际漫游用户的高昂话费可以分一块蛋糕。
虚拟无线电 篇8
1 三导联无线监护系统
本论文所提及的三导联无线监护系统为我们自行开发[1],其硬件部分框图,如图1所示。
采集患者第I、II导联心电信号(第III导联信号由I、II导联求得),通过心电信号放大器放大和基本滤波,再通过单片机内置AD端口采样由无线发射模块将心电信号发送给接收端。单片机采用TI公司的MSP430F1232,内部集成10位A/D转换器,由于心电监护对于心电波形要求不是太高,因此本项目将A/D转换的心电信号的高8位作为心电信号的幅度值用于无线传输,如将来用于数据分析需要,可将两导联10位数据以“212”格式发送。值得一提的是,由于发射端(即心电信号采集端)采用电池供电,且与上位机通过无线通信,所受50Hz的工频干扰[2]可以忽略,故在硬件电路的设计中省去了50Hz陷波电路。又由于上位机软件采用虚拟仪器平台LabView8.2开发,其提供了软件滤波的程序模块,实验证明,滤波效果能够满足系统要求,因此本设计在硬件电路中也未使用大规模多级低通滤波电路,因而整个发射端电路大大简化,不但降低了硬件的成本,而且缩减了发射端的体积。
在接收端,由无线接收模块接收到信号,解包后通过串口传入上位机用于显示、分析并存储。在本设计里,采用了串口USB芯片,一是可通过上位机的USB口即可为接收端系统供电,二是LabView软件也能够很好的支持通过USB虚拟的串口。
2 上位机软件的开发
本系统应用LabView8.2平台开发上位机软件[3,4],为了将来能移植于PDA上,故本系统上位机软件放弃了LabView所擅长的按钮等控件,采用了下拉菜单的样式,使整个显示区域充满整个屏幕。本软件采用下拉菜单的界面设计,提供了“文件”、“操作”以及“帮助”三组下拉菜单。其中“文件”下拉菜单包括“新建”和“打开”两个子项,用于创建患者心电数据文件和显示所存储的患者心电数据;“操作”菜单包括串口选择、设定波特率、开始采集、保存数据、停止采集和结束程序六个子项,用于对串口的配置和心电信号采集、显示、存储等功能的控制。“帮助”菜单提供了软件的基本使用方法和版本号等信息。利用LabView提供的菜单编辑器功能,我们可以轻松的为菜单定义名称和其相应的标签值,然后应用鼠标事件函数和“Case”结构为相应的菜单创建功能模块。
2.1“文件”下拉菜单
在“文件”下拉菜单中,涉及了两个子项:“新建”和“打开”。
由于本系统设计未引入数据库,因此对于患者信息的存储仅限于数据文件的形式,这对于应用于临床危重病人的床旁监护,配合病历足以适应当前的临床需求。若将来用于查体或动态心电监测,则可进一步加载数据库,以建立患者心电数据电子病历和查询系统。本设计中,在每次监护任务的开始,可选择“新建”创建一个用于存储当前患者心电数据的文件(文件自动以当前的时间命名)。如果用户不选择该选项,则只会显示心电波形。当某患者的数据被保存后,点击“打开”子项,则会回放患者的心电波形。此两项功能使用Lab View的文件管理的“创建文件”和“读写文件”函数实现。
2.2“操作”下拉菜单
在“操作”菜单中,共包含了“选择串口”、“选择波特率”、“开始采集”、“停止采集”、“保存数据”和“退出程序”六个子项。
2.2.1 选择串口及波特率子项
由于本系统的数据来自串口,应用LabView的串口函数[5],对于该函数,需要为其设定串口号,波特率等参数。这套无线心电监护系统接收端的电路由射频模块、单片机模块和串口转USB模块组成,单片机将接收到的数据打包通过UART格式经由串口转USB模块传到上位机,上位机由USB口接收到的数据为串口协议,因此需根据单片机所预先设定的波特率为串口函数配置波特率,而此串口为一个虚拟串口,则需根据接收端设备插到不同的USB口来配置串口号。
2.2.2“开始采集”子项
本系统的核心部分为“开始采集”模块,数据经串口函数读出,首先判断数据包头,验证无误从而正确读出I导联和II导联数据。接收端通过串口(USB虚拟串口)传到计算机的数据格式为:55、AA、55、I导联数据、II导联数据(均为16进制),避免了心电数据中存在的AA或55影响数据包头的判断,流程如图2所示。程序先按每组3个数据读取串口数据,判断是否与包头一致,如一致,则在下一循环按5个数据读入串口数据,此时读取到的数据是由I导联、II导联、55、AA、55组成的数组(由于程序顺序执行,原包头数据变为上一组数据的包尾)。此时对得到的5个元素的数组再一次进行校验,如包尾为:55 AA 55,则认为接收到的I导联和II导联数据正确。如校验有误,则重新将读取串口数据的个数调整为3个。
每导联数据都使用巴特沃斯滤波器函数滤波,去处信号高频干扰成分,然后I导联数据减去II导联数据经基线调整得到III导联的数据,三组数据转换成簇通过wavechart函数实时显示出来。同时滤波后的I、II导联数据在While结构出口经移位寄存器和创建数组函数累计在数组中,为“保存数据”模块提供数据支持,这里不采用实时存储是由于在实验中发现实时的文件操作影响了数据采集和显示的程序开销,出现了不同步和停顿等问题。
LabView具有较为强大的信号处理功能[6],但对于简单的床旁监护系统,本系统的心率计算并未采用复杂的方法[7],选择II导联数据,通过逐点微分函数(derivative x(t)PtByPt)
可方便的计算出实时的心率值。Case结构中为数据包验证为True时进行波形的显示,其中一路(本系统为II导联)信号数据通过逐点微分函数取微分后经由移位寄存器返回并由创建数组函数构建成数组(数据流信号),输入到峰值检测函数(Peak Detector)实时查找波峰,通过输出的波峰位置和波峰序号来计算当前一次波峰和上一次波峰间的计数差值,经过心电模拟仪的修正,可得出实时的心率值。经验证,所测得的实时心率误差小于3%,足以满足临床监护的需求。
3 结论
论文中介绍的软件系统与我们先期研发的硬件设备构成了一套完整的无线心电监护系统。测试时,受试者贴好心电电极,携带无线发射端(采集盒)在室内自由平缓活动,图3所示为上位机(接收端)所显示受试者实时采集的心电波形截图,整个界面简洁、波形显示清晰,曲线平滑。经心电模拟仪测试,心电波形准确,心率计算合乎要求。
从上位机软件的角度讲,通过LabView8.2平台开发的无线心电监护系统的上位机软件界面简单清晰,操作简单,功能实现满足日常床旁监护需求且编程简单,可读性强,可移植性强。另外其强大的信号处理功能[7]极大的优化了硬件电路,降低了成本。该软件占用空间小,可方便的装载于普通PC机或笔记本,也可移植于PDA等掌上设备,使之与无线心电采集设备形成一套监护系统,成本更低,体积更小,灵活性更强。该软件采用下拉菜单式界面设计,使得整个屏幕得以充分利用,不但有利于移植在更小屏幕的掌上终端设备,也有利于一台主机同时监护多个发射端发射的患者数据,更有利于将来扩展到多导联甚至多参数监护的全屏显示。
参考文献
[1]李开元,王卫东,应俊.基于nRF905的心电无线遥测系统的研究与实现[J].北京生物医学工程,2007,26(6):626-628.
[2]Jessica L.Portable ECG Logger[J].The University of Queensland,October,2003.pp14-15.
[3]雷振山.LabVIEW7Express实用技术教程[M].北京:中国铁道出版社,2004.
[4]周求湛,钱志鸿,刘萍萍,等.虚拟仪器与LabVIEW7Express程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.
[5]廖远江,向凤红,何永义,等.基于ARM7与LABVIEW的数据采集系统[J].微计算机信息,2007,23(32):168-169.
[6]LabVIEW for ECG Signal Processing[CP/OL].http://www.ni.com.March,2008.