数据丢包

数据丢包（精选8篇）

数据丢包 篇1

铁路列车调度指挥系统 (TDCS) 是实现铁路各级运输调度对列车运行实行透明指挥、实时调整、集中控制的现代化信息系统。TDCS利用信息技术、网络技术、控制技术等现代科学技术手段取代了传统落后的行车指挥手段, 采用并结合了先进的通信、信号、计算机网络、数据传输、多媒体技术等现代信息技术, 在保证网络安全的前提下, 与相关系统紧密结合、互联互通、信息共享, 实现了铁路运输组织的科学化、现代化、网络化。然而, TDCS通道丢包率比较高, 造成邻站信息不能共享、调度员命令、阶段计划不能下达, 给运输生产带来了一定的影响, 成为制约运输高效的一个瓶颈。

1 基本情况

我段管内共有82个站运用了TDCS设备。2011年一年时间里发生的不良信息近百起, 而通道原因粗略统计就50多起, 占不良信息的绝大多数。

2 原因分析

2.1 地线影响

通信机房的光端机和TDCS机房的协议转换器之间通过2Mb/s同轴电缆相连, 两个机房都有各自独立的地线。在通信机房, 同轴电缆屏蔽层接至通信综合地线;在TDCS机房, 同轴电缆的屏蔽层接至TDCS设备地线。光端机使用-48V直流电源, 而协议转换器采用的是220V交流电源, 割接后, 光端机的2Mb/s输出口的同轴电缆屏蔽层为-48V的地线, 而TDCS机房协议转换器输出口的同轴缆屏蔽层为交流220V的地线。经调查发现, TDCS机房地线接地电阻约为10Ω, 而通信综合地线接地电阻均在1Ω以下, 这样容易造成两个地线不平衡。因此, TDCS地线相对于通信综合地线表现为接地不良, 如图1右方框中虚线所示。其交流电源产生的感应电荷只能通过2Mb/s同轴电缆的屏蔽层向通信机房的综合地进行疏导, 即在屏蔽层上产生一个电压Vs, 且Vs是一个随交流信号变化而呈周期性变化的值, 其大小还和负载有关。也就是说在两个地之间存在直流电位差和交流干扰。

TDCS机房和通信机房设备的接地情况, 如图1所示:

2Mb/s数字信号采用的是HDB3 (三阶高密度双极性码) 的编码方式。这种编码方式的优点是便于正负脉冲均衡, 无直流分量, 便于直接传输。而当Vs瞬时值达到一定程度 (0.5V左右) 时, 就会对同轴电缆芯线上传送的2Mb/s电脉冲产生较大干扰, 直接影响TDCS协议转换器输出的波形, 使其产生畸变。因此, 只有协议转换器及路由器等网络设备均可靠接上地线后, 数据通信设备上的静电、感应电荷通过屏蔽层从其地线GND上得到有效疏导, 从而消除直流电位差和交流干扰, 保证正常的传输信号脉冲波, 数据通信才能得以恢复正常。

2.2 器材运行时间长

TDCS设备自从开通使用后, 整套设备就24小时不停的运转, 由于长时间的运行, 通信机、路由器、协议转换器、HUB及电源适配器接口等会出现不良现象, 也是造成系统网络数据丢包的重要原因。在镇安、红卫坝、小寨等站出现了协议转换器、HUB的死机现象, 只有复位或更换后才能使通道正常。

2.3 分析判断方法不当

为了降低设计的复杂性, 增强通用性和兼容性, 把计算机网络设计成层次结构。这种分层体系使多种不同硬件系统和软件系统能够方便地连接到网络, 每个网络层次都有相应的检测排查工具和措施。维护人员在分析和排查故障时, 应充分利用网络这种分层的特点, 快速准确地定位并排除故障。然而在实际故障排查过程中, 这种分层方法往往被忽略, 导致故障排查效率降低。

2.4 维护人员对设备相关知识掌握不足

TDCS要求维护人员具有丰富的计算机知识、网络知识, 还要求懂得一定的信号专业知识。但由于现场信号人员缺乏专业的计算机知识、网络知识, 对现场TDCS设备没有足够重视或有些匮乏, 现场维护人员对系统网络硬件不熟悉, 对路由器、HUB、协议转换器等硬件电气特性不清楚, 缺乏硬件的测试标准和有效的测试手段, 日常设备巡视检查没有针对性, 不能及时发现问题。集中检修没有目的性, 不能有计划地提高设备质量。

2.5 通信设备

TDCS机房的协议转换器和通信机房的光端机之间通过2Mb/s同轴电缆和几个光端机相连。同轴电缆与光端机是通过不锈钢普通小2兆头连接的。通信人员施工质量不高, 比如通道普通小2兆头虚焊或有毛刺, 在火车经过时产生的震动, 会使虚焊或有毛刺的地方产生虚断或短路, 造成通道传输数据丢包。通信协议转换器工作不良, 特别是电源适配器工作不良, 造成通道中断, 影响TDCS网络传输。

2.6 设备环境

TDCS设备对外部环境条件比较高, 部分车站信号机械室面积小, 室内温度高, 系统设备长时间连续运用, 电子元器件电气特性易发生变化。加之工区巡视检查容易疏漏机柜温度控制仪的检查, 机柜风扇长时间不工作, 机柜内部温度比较高, 路由器、交换机等网络器材极易出现死机等现象。

3 建议措施

3.1 学习掌握路由器、通信机、协议转换器、HUB等网络硬件的工作原理和电气特性的测试方法。

购进测试仪器, 完善测试手段, 通过实作演练提高处理故障能力。制定现场系统网络硬件设备的巡检办法, 明确巡检内容及工作标准, 提高巡检作业质量。

3.2 认真修订TDCS设备检修作业程序, 规定每一步的检修项目及质量标准, 并对维护人员进行现场培训。

利用好每月的技术业务学习, 扎实开展一次实作技能演练, 使维护人员能按标准化作业。TDCS检修作业程序及质量标准如图2所示。

3.3 改变检测方法, 在维护终端上不定期对各站通道进行PING命令检测:

1、在维护终端上利用PING网络命令进行侦测, 检测通道质量, 使通道误码率达到《维规》要求的小于10-7;2、对于检测、浏览中发现通道丢包、中断现象, 通过运用PING、TELNET等相关命令确定相应路由通道、丢包情况, 并且进行分析处理。

各端口状态表示意义

在上表中, 序号1表示通道状态良好, 2、3、4表示通道存在不同程度的故障。举例说明:甲站到乙站通信中断 (附:甲乙两站通道构成示意图)

当发生通道故障时, 应按以下步骤进行:2个站的串口状态都要查看, 优先处理串口状态级别低的车站。当出现表1中序号4所示故障时, 为人为中断通道, 可与上级TDCS部门, 技术支持部门, 配合服务部门取得及时联系, 询问通道状况及认为中断原因。当出现表1所示第2、3种状态时, 需进行打环处理, 采取分段测试方法。首先在本地进行打环, 以排除本站的设备故障或线路故障。然后, 在远端打环, 测试通信设备、对方站设备或线路是否故障。

分别远程登录到甲、乙站路由器, 查看串口状态。如果甲站为第3种状态, 乙站为第2种状态, 那么, 优先处理甲站。

在甲站协议转换器上打本地软环 (如图3标 (1) 处) 或硬环 (如图3标 (2) 处) , 判断路由器串口到协议转换器间是否故障。查看甲站本地路由器串口, 如果看不到环, 检查路由器串口和V·35线是否良好;如果看到环, 说明串口和V·35线是正常的, 但不能判断协议转换器是否故障。

在乙站协议转换器上打远端软环 (如图3标 (3) 处) , 登录甲站路由器, 如果看到环, 说明甲站协议转换器和通信通道是正常的, 但不能判断乙站协议转换器是否故障。将乙站V·35线接头断开, 用硬打环器接在V·35线缆的接头处 (如图3标 (4) 处) , 判断乙站协议转换器是否故障, 如果看到环, 说明乙站协议转换器正常。

在乙站的协议转换器上打本地环, 也可以判断乙站路由器串口到协议转换器间是否故障。如果故障点还不确定, 再在甲站打远端环以进一步确认。

3.4 建议将TDCS地线与通信设备地线进行连接, 消除TDCS地线和通信设备地线之间的电位差。

因环境条件限制不能共用地线的车站, 可接入ZPW-2000综合地线 (接地电阻不大于1Ω) 。同时还将检查地线连接是否正确、接触是否良好、接地电阻是否符合标准等纳入日常维护工作中。

3.5

对室温较高的机械室, 可以加装空调器或定期进行通风, 使用有效降温手段, 减少高温对网络器材运用的影响。

4 总结

通过多次会同通信对TDCS设备的联合检查, 我们在分析和处理TDCS传输通道数据丢包问题方面积累了一定的实践经验。在今后的工作中通过实施整治地线、按标准化作业程序检修设备和强化人员培训等措施, 相信数据通道丢包故障件数会大幅减少

摘要：TDCS的通道传输数据丢包直接影响到TDCS系统信息交换, 且故障发生时影响范围大, 不易查找, 给铁路运输的安全与效率造成负面影响。本文结合实际对通道传输数据丢包的原因进行分析, 并提出维护、管理建议。

关键词：TDCS,通道,地线,故障,维护

参考文献

[1]铁科院通信信号研究所, 《调度指挥管理信息系统-DMIS分机子系统》2004年

[2]铁道部运输局, 《铁路列车调度指挥系统》, 中国铁道出版社, 2006年4月翟振远, 袁亚洲翟晓晨.

[3]《TDCS系统无线传输通道防护浅析》, 铁道通信信号, 2008年第6期

[4]王丽, 曲以胜.TDCS与2Mb/s通道结合部的维护[J].铁道通信信号, 2008年第4期.

[5]洪福庆.TDCS日常故障处理与分析[J].铁道通信信号, 2008年第2期.

[6]秦燕燕, 许伟, 曹尤振.TDCS网络维护及故障分析[J].铁道通信信号, 2007年第9期.

[7]王丽.TDCS站机系统维护、故障分析及处理方法[J].铁路通信信号工程技术, 2006年03期.

[8]铁科院通信信号研究所, 《铁道运输调度指挥管理系统》2002年.

餐厅已作警示　顾客丢包可否免责 篇2

胡某同几位朋友到我餐厅就餐时，包被人偷走，找我要求赔偿。他的理由是顾客到餐厅就餐，餐厅有义务为顾客提供一个安全的就餐环境，他的包在用餐过程中丢失，餐厅没有尽到安全保障的义务，对于丢包的事餐厅负有责任，应该赔偿他的损失。我认为，餐厅在醒目处悬挂了要：求顾客看管好自己财物的警示标志，已经尽到了义务。所以丢包的责任应该由胡某自己承担。请问，我的看法对吗?

云南大理朝刚

朝刚：

《消费者权益保护法》第7条规定，消费者在购买、使用商品和接受服务时享有人身、财产安全不受损害的权利。消费者有权要求经营者提供的商品和服务，符合保障人身、财产安全的要求。此条规定了消费者在购买、使用商品或接受服务时享有的权利，但这并不表明只要顾客进入消费场所，其所受到的所有损失就都应由经营者负责。如果这样，对经营者有失公允。

就案情而言，要确定你们餐厅是否承担赔偿责任，就应该明确在餐厅与胡某的服务合同中，餐厅应该承担的义务究竟包括哪些。作为经营者应该提供符合保障顾客人身安全的服务，这是合同的主要义务，如饭菜质量符合卫生标准等；作为附随义务，经营者还应该提供安全的消费环境。这里的“安全的消费环境”是指餐厅在服务及各项设施方面必须保证没有瑕疵，不对顾客的人身及财产安全造成损害。至于由第三方的侵害给顾客造成的损失，只要餐厅尽到了合理的提醒义务，就不应承担责任，毕竟餐厅不可能防御所有来自外界的侵袭，这也符合公平原则的要求。

数据丢包 篇3

1 存在延时和丢包系统的建模

考虑网络只存在于传感器和控制器之间的情形, 为方便研究, 对系统进行如下假设: (1) 整个闭环回路的时延记为τk, 大小固定, 且τk<h (h为采样周期) ; (2) 数据丢包发生在传感器和控制器之间, 丢包率r一定; (3) 当存在丢包时, 执行器保持上一周期的控制输入; (4) 传感器为时钟触发, 采样周期一定, 控制器和执行器为事件触发, 即接收到数据立即进行相应的操作。

则系统可以描述成一个具有事件率约束的异步动态开关系统, 系统模型框图描述如下:

事件S1:无丢包发生, 传感器数据成功传送, 相当于开关接通, 消息传输存在时延。

事件S2:发生数据丢包情况, 相当于开关断开, 此时执行器沿用上一个周期的数据u (k-1) 。

对于S1, 控制器的输入可以表示如下:

设状态反馈控制律为:u (k) =Kxk,

由式 (1) 得离散化后的系统, 表示为:

对于S2, 控制输入u采用上一周期的值, 则离散化后的系统表示为:

其中

通过新变量Z (k) 进行替换:

因此, 广义被控对象的离散模型可以描述为:

定义1对应于闭环系统状态矩阵 (i=1, 2…) 出现的比率, 称为结构事件率[4], 用表示, 则应满足:

假设丢包率为r, 则S1事件发生的概率为1-r, S2事件发生概率为r。

2 指数稳定性分析

定义2若存在常数α>1, 使得limαk||xk||=0, 则称异步动态系统是指数稳定的。

引理1对于异步动态系统xk+1=FS (xk) , 其中, , 事件1, 2…N的结构事件率分别为r1, r2…rN。若存在Lyapunov函数V (xk) , 满足β1||x||2≤V (x) ≤β2||x||2 (β1, β2>0) , 且存在标量a, a1, …, aN>0, 满足条件:

则系统指数稳定。

定理1对于式 (2) 和式 (3) 描述的随机事件S1、S2的事件率分别是1-r、r, 若存在对称正定矩阵P、Q以及标量a1、a2>0, 使得下面矩阵不等式成立, 则网络控制系统是指数稳定的。

证明:令V (k) =xTkSxk+xk-1TLxk-1, 当事件S1发生时, 由式 (2) 可知

由上式和Schur补引理[5]可得, V (k+1) -a1-2V (k) 等价于式 (13) ,

将式 (12) 两边同时左乘、右乘diag{I S-1S-1}, 令P=S-1, Q=S-1LS-1, 可得式 (10) , 即式 (10) 等价于V (k+1) -a1-2V (k) <0

同理, 当S2发生时, 由式 (3) 可得

式 (8) 等价于V (k+1) -a1-2V (k) <0, 由引理1可知式 (9) 、 (10) 、 (11) 成立。

3 仿真分析

被控对象状态方程为

其中, x (t) ∈Rn, y (t) ∈Rq, u (t) ∈Rp, 分别为系统状态、输出和输入, A、B、C分别为适维矩阵。

对于系统模型利用线性二次型方法 (LQR) 求得系统的最优反馈增益, 利用假设丢包率r=0.2和LMI工具箱的feasp求解可行性问题。解得a1=1.174, a2=0.6, feasp的目标值tmin=-0.0712<0, 即存在可行解:使得在丢包率为0.2时系统保持指数稳定。设系统初始状态为x (0) =[10-10]T, 则系统的初始状态响应如图2, 可见系统保持指数稳定。

4 结论

控制系统中由于网络的存在会产生通信时延和数据丢包的问题, 本文将具有时延和丢包的系统建模为具有事件率约束的异步动态开关系统, 利用李亚普诺夫方法和线性矩阵不等式推导系统的指数稳定性条件, 利用Matlab的LMI工具箱求解线性矩阵不等式的可行解, 进而判断系统的稳定性。

摘要：该文对存在时延和数据掉包的网络控制系统进行建模, 并分析系统的指数稳定性。将具有网络诱导时延和数据丢包的系统建模为具有事件率约束的异步动态开关系统, 利用李亚普诺夫方法和线性矩阵不等式推导系统的指数稳定性条件, 通过求解线性矩阵不等式可行解的方法判断系统的稳定性, 最后通过仿真分析, 说明该方法是有效的。

关键词：网络诱导时延,数据丢包,线性矩阵不等式,指数稳定性,异步动态系统

参考文献

[1]刘磊明, 童朝南, 袁立.关于网络控制系统中的延迟对系统性能影响的研究[J].信息与控制, 2005 (03) .

[2]Dong J, Kim W.Markov-chain-based output feedback control for stabilization of networked control systems with random time delays and packet losses[J].International Journal of Control, Automation and Systems.2012, 10 (5) :1013-1022.

[3]Vanantwerp J G.Atutorial on linear and bilinear matrix inequalities[M].Elsevier Ltd, 2000:10, 363-385.

[4]Zhang W, Branicky M S, Phillips S M.Stability of networked control systems[Z].The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. (IEEE) , 2001:21 84.

用流量统计追查丢包 篇4

遇到交换机丢包类故障问题, 一般都需要抓包分析, 而多数情况因现场条件受限导致抓包不易实施。笔者通过交换机流量统计功能, 可以快速定位产生丢包故障的交换机端口, 可以大大提高处理故障的效率, 有效提高网络管理人员对于丢包问题的定位效率, 缩短问题解决时间, 并根据丢包故障问题从二层和三层两个方面找出交换机丢包故障排除方法。

丢包故障点快速定位方法

对交换机而言, 解决最困难的故障就是丢包类故障, 引发交换机端口丢包的原因有很多, 主要原因一般是由于物理故障、配置错误、病毒木马、物理连接不紧密等原因造成, 丢包故障呈现时断时续、未中断速率慢等现象。可以使用交换机流量统计功能快速定位交换机丢包故障端口或该端口的物理链路, 因为流量统计抓取的是设备底层的统计, 精确而快速, 可有效分析数据丢包情况。

流量统计定位原理

如图1所示, 假设从计算机PC1至计算机PC2丢包。针对交换机Ge0接口而言, 报文源地址IP1至目的地址IP2是inbound方向, 相反, 回程报文IP2至IP1是outbound方向;而针对交换机Ge1接口而言, 报文源地址IP1至目的地址IP2是outbound方向, 相反, 回程报文IP2至IP1是inbound方向。

在报文流转端口部署针对故障IP的入方向和出方向的流量统计策略, 可以判断数据包是丢在了链路上还是交换机转发异常导致丢包, 通过交换机出入端口数据包的丢包数据和数据包转发数量比较, 可以把故障范围精确到交换机端口或链路上。

流量统计部署方法

文中所有配置均以华为交换机S7700为例, 如图2, 根据流量转发路径, 在流量的入接口和出接口分别配置流量统计。配置举例如下。

1.配置流量统计策略

[S7700]acl number3000

[S7700-acl-adv-3000]rule 0 permit icmp source11.11.11.11 0 destination22.22.22.22 0

[S7700-acl-adv-3000]rule 5 permit icmp source22.22.22.22 0 destination11.11.11.11 0

[S7700-acl-adv-3000]quit

[S7700]traffic classifier huawei

[S7700-classifierhuawei]if-match acl 3000

[S7700-classifierhuawei]quit

[S7700]traffic behavior huawei

[S 7 7 0 0-b e h a v i o rhuawei]statistic enable

[S 7 7 0 0-b e h a v i o rhuawei]quit

[S7700]traffic policy huawei

[S7700-trafficpolicyhuawei]classifier huawei behavior huawei

[S7700-trafficpolicyhuawei]quit

2.在VLAN或端口视图下应用策略

[S 7 7 0 0]i n t e r f a c e Gigabit Ethernet 0/0/1

[S7700-Gigabit Ethernet0/0/1]traffic-policy huawei inbound

[S7700-Gigabit Ethernet0/0/1]traffic-policy huawei outbound

[S 7 7 0 0]i n t e r f a c e Gigabit Ethernet 0/0/2

[S7700-Gigabit Ethernet0/0/2]traffic-policy huawei inbound

[S7700-Gigabit Ethernet0/0/2]traffic-policy huawei outbound

3.查看流量统计结果命令

[S7700-Gigabit Ethernet0/0/1]display traffic policy s t a t i s t i c s i n t e r f a c e Gigabit Ethernet 0/0/1inbound

[S7700-Gigabit Ethernet0/0/1]display traffic policy s t a t i s t i c s i n t e r f a c e Gigabit Ethernet 0/0/1outbound

4.清空流量统计结果命令

<S7700>reset traffic policy statistics interface Gigabit Ethernet 0/0/1inbound

<S7700>reset traffic policy statistics interface Gigabit Ethernet 0/0/1outbound

<S7700>reset traffic policy statistics interface Gigabit Ethernet 0/0/2inbound

<S7700>reset traffic policy statistics interface Gigabit Ethernet 0/0/2outbound

事例中, 通过查看流量统计结果, 可以很快定位丢包故障交换机端口或链路。

二层丢包故障排除

在找到交换机丢包故障端口或链路后, 可按下列步骤排除二层丢包故障。

1.检查接口与链路

丢包类故障, 最常见的故障一般都是由于接口或接线连接不紧密造成的, 对故障接口或链路的连接接口和连接线进行检查和紧固, 主要查看接口是否连接紧密, 连接线是否破损等。此外, 进入交换机的配置模式, 使用display interface Gigabit Ethernet X/X/X (X/X/X为交换机端口号) 检查出入端口状态、速率、双工模式是否正确, 相互连接的两个设备的端口工作模式必须完全一致, 且链路无CRC错误报文计数等。

2.检查交换机端口工作状态是否正常

一般交换机都会使用STP、RSTP、MSTP、RRPP等协议, 在这些协议发挥作用时, 可能会造成有的端口处于阻塞或转发状态, 当两种状态互相转换时, 会造成数据包丢包。

3.确保交换机配置正常

使用dislay vlan X (X为VLAN编号) , 确认本交换机出入端口的VLAN相同, 因二层转发只依赖于VLAN+MAC。使用dislay mac-address命令, 确认流量的目的MAC地址是否正确学习在出接口, 同时需要关注是否存在MAC地址在多个端口产生漂移的情况。

4.查看交换机出入端口是否存在拥塞

使用display interface Gigabit Ethernet X/X/X (X/X/X为交换机端口号) 命令查看问题端口信息。查看端口出方向是否存在Discard计数持续增加情况, 如果有则说明该接口存在流量突发拥塞情况。出现拥塞一般是数据流量超过交换机负荷或网络中有广播风暴。

三层丢包故障排除

在找到交换机丢包故障端口或链路后, 可按下列步骤排除三层丢包故障。

1.按二层丢包故障的步骤先排除由二层故障引发的故障。

2.查看源地址和目标地址之间的路由。如果源地址和目标地址之间无法Ping通或路由条目不稳定等原因, 也会造成数据包丢包。

使用d i s p l a y i p routing-table X.X.X.X (X.X.X.X为目标IP地址) 命令可以查看到目标IP地址的路由是否存在或正常。检查路由对应的下一跳是否可达, 可以Ping下一跳的IP地址来进行测试确认。如果Ping不通双方或一方处于交换机直连网段, 可以使用命令来display arp|include X.X.X.X (X.X.X.X为目标IP地址) 检查这些设备的ARP是否已经在交换机上正确学习。

经验总结

网络丢包现象分析与解决方案 篇5

1 引起网络丢包的原因

1.1 线路出现故障

当网管员发现网络传输时常中断时,要考虑两种情况,第一种是线路出现了故障,第二种情况是用户设置方面的原因。那么,我们如何分清是哪一种情况引起的网络中断呢?我们可以通过如下操作进行测试。

当网络线路的实现是通过路由器时,我们首先登录到路由器,然后通过扩展ping将大量数据包向对端路由器接口进行发送。当线路是通过三层交换机实现时,我们将两台计算机分别接在线路两端,并将IP地址分别设为本端三层路由交换机的广域网接口地址,使用“ping对端计算机地址-t”命令进行测试。

在测试中,如果没有发现丢包现象,那么说明不是线路故障引起的网络中断,而是用户自身的原因引起的,如果在测试中发生了丢包,则说明是由于线路故障所引起,我们要与线路的提供商联系,找到解决方法。

除此之外,如光纤连接问题,跳线与设备接口没有对准,双绞线及RJ-45接头出现故障,通信线路受到干扰和信号衰减,这些情况都有可能造成数据包丢失。

1.2 设备出现故障

这种情况主要是指设备硬件方面的故障,比如网卡出现问题,交换机端口出现了物理故障,光纤收发器的电端口与网络设备接口,或两端设备接口的双工模式不匹配。

以下举一个实例进行说明:我遇到过一次丢包现象是由于一个交换机端口的光纤模块故障而引起的,故障现象是此交换机每次运行一段时间就会发生死机,造成网络通信中断,必须要把交换机重新启动后才能恢复正常工作。我在经过仔细查找后发现,原来有一个光纤模块出现了问题,在替换了新的模块后,交换机工作终于又恢复正常。这个故障背后的原因是,平时交换机在工作时,都要对所有数据包进行CRC错误检测和长度校验,在检验后丢弃被检测出错误的包,然后转发正确的数据包。这时候如果有错误的包未能在校验中检测出错误,这些包就会在动态缓存中堆积,无法发送,直至缓存中已经无法堆积,这时就会出现死机的现象。最终造成数据包无法到达目的主机。

1.3 网络拥塞

这种情况也比较常见,造成这种情况的原因也很多,最主要的原因是由于路由器资源被大量占用。当发现网速变慢,并且丢包率上升时,我们可以使用命令show process cpu和show process mem,如果是IP input process占用了大量资源,再检查fast switching是否禁用大流量外出端口,如果是的,则需要重新启用。

然后检查一下是否禁用了Fast switching on the same interface,如有多个网段配一个接口并且这些网段间流量很大时,路由器工作方式为process-switches,可以在接口上执行enable ip route-cache same-interface。

然后我们要识别大量包进出的端口,这时可以使用show interfaces和show interfaces switching命令。在确认进入端口后,查看其特征,使用IP accounting on the outgoing interface,当遇到攻击时,源地址会变化但是目的地址不变,用命令access list可以暂时解决此类问题,彻底的解决办法是找到攻击源将其停止。

除了上述情况以外,还有很多情况会造成网络拥塞,如UDP流量超过限制,过多的组播流和广播包穿越路由器,配置了IP NAT的路由器并且被大量DNS包穿越,如果是上述情况造成的网络拥塞,通信双方可以采取流量控制的方法来解决。

1.4 路由出现错误

有时候造成数据包不到到达目的主机的原因是由于网络路径错误,比如主机的默认路由配置错误,这时网关也会丢弃主机发出的数据包。这种丢包属于正常情况,一般不会对网络造成影响。

2 局域网掉包常见故障解决办法

发生网络故障在所难免,但是如何快速隔离和排除故障是网管人员应该具备的基本素质。以下列举几种常见的网络故障给出解决办法以供分析和参考。

2.1 故障一:网络升级后,网速反而降低

故障现象:一个机房对网络进行升级,原本机房中所有工作站配置的都是10-100Mb自适应网卡,10Mb的交换机,在将网络升级后,交换机全部换成100Mb的,然而在此次升级后,网络速度不仅没有提升,反而还没有原来的快,并且出现了部分机器不能上网的情况。

故障分析:我们首先用PING命令检测发现有严重的掉包现象,然后用测线仪检查后,发现双绞线一切正常。当在进行进一步检查时,却发现了原来是网线的问题,网络中一直使用的是不支持100Mb网络的三类线。原来是我们在网络升级的过程中,忽视了网线的升级。

解决办法:重新更换网线

总结:我们在对网络进行升级的时候,也要记得检查一下相关的配套设备,比如网卡、网线是否支持升级后的网络环境,不能只盲目升级其中一种设备,结果造成不匹配的现象。

2.2 故障二:新建的机房经常掉线

故障现象:新建好的机房,面积很大,容纳了七十台机器,并且配备了专用的机房放置交换机和服务器。但是在进行机器调试时,却发现经常掉线或者无法登录网络。

故障分析:首先我们用ping命令进行检查,出现了严重丢包和超时的现象,用测线仪测试网络发现一切正常。无意中发现工作站到交换机的距离太远,超过了100米。我们知道双绞线的传输距离一般不能超过100米,而这个机房只为了追求档次,对网线传输距离的极限却抛之脑后。

解决方法:重新安置交换机的位置

总结:我们在进行综合布线时,交换机的位置一定要首先选择好,中心交换机最后放在中央位置。各个交换机也应该放在所连接的计算机的中间,这样安置不但节约网线,而且也可以保证网络达到最佳的传输状态。

2.3 故障三:IP地址发生冲突

故障现象:一般情况下机房中的所有机器,我们将他们的IP地址在网络中设置都是唯一的,但是却发现总有两台机器,在启动的时候出现一个地址与IP地址冲突。而我们在更改IP地址后这种情况还是一样,而且在冲突时,只有一台机器可以上网。

故障分析:通过查看冲突的提示,发现是一串地址,那么会不会是物理地址冲突也就是MAC地址冲突导致的呢?如果对每台机器进行查找太慢,这时可以用IPbook超级网上邻居来进行查找,当我们用IPbook超级网上邻居扫描整个网络段时,果然发现有两台机器有相同的网卡MAC地址。

解决办法:更换网卡后,问题解决。

总结:一般我们网络中使用的设备,包括网卡、交换机、路由器,每个备都会有一个唯一的物理地址MAC地址。MAC地址包含了该网络设备的厂商和在全球网络设备中唯一的序列号。在网络中的所有数据交换,其实不是基于IP地址的交换,而是基于MAC地址的交换。因此,当MAC地址发生冲突时,即使IP地址不冲突,网络也会中断,这种情况一般是由于购买了不是正品的网卡等网络设备造成的,所以我们在购买设备时,千万不能因为便宜而去购买一些次品,会为网络的正常运行埋下极大隐患。如果是网卡MAC地址冲突,更换一下网卡即可,而如果是交换机MAC地址发生冲突,那就更难处理了。

2.4 故障四:网络速度不稳定

故障现象:网络中采用的是10-100Mb自适应网卡和全双工10-100Mb交换机。上网的时候发现网络速度时快时慢。

故障分析:首先我们用ping命令进行检查,没有发现丢包,检查了网络设置也是正常的。当查看一个交换机的指示灯时,发现这个交换机不断在10Mb和100Mb两种工作状态下转换。

解决方法:那么我们如何才能不让他自动切换工作状态呢?我们查看机器中网卡的属性,设定的速度是AUTO,将其改成100Mb Full,再测试一下,现在就正常了。

总结:有时候发生一些网络问题时,首先对所有的网络设备进行检查,解决问题的速度会很快。

2.5 故障五:网络中所有工作站都出现IP地址冲突

故障现象:开机后网络中所有的机器突然都提示出现IP地址冲突。网管人员检查后每台机器后,并没有发现IP地址设置重复,使用的是Win XP操作系统。(下转第6130页)(上接第6128页)

故障分析:出现这种情况后,首先确定每台客户机使用的是固定的IP地址,没有地址冲突。然后在Windowss XP的DOS状态下,运行ipconfig/all命令,这时才发现了罪魁祸首,原来是一个DHCP服务器在运行,而给网管人员当时给这台服务器动态分配的IP地址,现在与网络中其他机器的IP地址发生了冲突。原来,当初网管进行网络克隆的时候建立了这台DHCP服务器是,当网络克隆工作结束后,本来应该把服务停止的,没想到却忘记了结果造成了麻烦。

解决方法:首先当然是把DHCP服务器关闭,然后更改一下DHCP服务的IP地址池,将所有正在使用的固定的IP地址排除,问题即可解决。

3 结束语

造成网络数据丢包现象的因素有很多,除了以上介绍的各种故障和设置错误以外,网络病毒以及扫描攻击也是造成网络丢包的重要原因,因此在解决网络丢包故障的时候,一定要考虑各种因素,对各种可能因素进行逐一排查,并做好网络安全防护工作,才能最大程度的保证我们的网络安全和正常运行。

参考文献

[1]乔正洪,葛武滇.计算机网络技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2008.

无线传感器网络中丢包现象的研究 篇6

无线传感器网络承诺在各种各样的环境中,都会表现出理想的效果。但是很多环境(如室内或是自然环境中),对无线通信来说都是比较严酷的。从网络的角度来看,最能反映无线通信情况的一个重要指标是丢包率,这是因为包丢失具有短暂空间特性和环境独立性[1]。

本文中,在室内环境下做了丢包率的实验。首先,为了观察距离、接收信号强度指示(Received Signal Strength Indicator, RSSI)和包接收率(Packet Received Rate, PRR)的关系,将50个节点直线放置,一个节点接收其余节点发来的包和RSSI值,结果表明包的发送成功与否与距离没有直接关系。另外,为了得出包的接收是否受环境噪声的影响,将2个节点放在离地高1米的支架上,分别进行了短时间和长时间的实验,观察包接收的情况,同时有一个节点专门负责搜集环境中的RSSI值。最后,观察在有WLAN干扰的时候,WSN通信是否受到影响。

1 背景介绍

众所周知,无线通信的情况是不可预知的。其通信质量取决于环境、使用的频率和特有的解调机制,也有可能和通信设备本身有关系。通信质量随着时间的长短会发生剧烈的变化,这被称为是轻微的位移变化[1]。

低功耗WSN的复杂性是传感器网络的一大挑战。早期的一些研究认为,低功耗网络设备——“节点mote微粒”——表现很复杂,不能轻易地被简单的传播模型检测到。基于CSMA(Carrier Sense Multiple Access,载波侦听多路访问)的网络容易受到不规则广播风暴的影响[2],PRR和距离的关系出现了很大且非常不同的“灰色区域”[3],另外节点对也经常出现不对称的丢包率。这些研究都对传感器网络协议奠定了很重要的基础,并对很多系统的设计和权衡利弊有指导作用。

早期的研究所得出的结论现已成为无线网络中公认的事实。然而,仍存在几个未知的方面。首先,纵然早期的研究都确认了包发送出现的几个特性,可是却没有指出其根本原因所在。其次,先前的研究从距离、方向和环境方面,以“人眼”的角度观察网络中的变化,这和节点实际观察到的情况是不一样的。所以,应该尽量从“微粒眼”的角度出发[1],也就是节点真正观察到的情况,考虑包发送成功或失败的情况,这将对某些协议或系统的设计有实际意义。

Ganesan[4]等人在rene节点上研究了不同的协议层,该文指出一些简单的算法,如泛洪算法,在大规模的节点上实行起来具有很大的难度。同时,发现节点对之间存在不对称的包接收率,他们认为这是每个节点的接收敏感度不同所造成的。这一说法后来得到了Cerpa[5]等人的认可,他们将存在不对称包接收率的节点交换位置之后,发现是节点的差异导致了包接收率的不对称性,而不是环境。

为了更好地理解包接收率的不对称性,Woo[6]等人在mica节点上做实验,比较了PRR和距离的关系。研究认为距离远的话,由于硬件的原因,PRR和距离是没有关系的。Zhao[1]等人的研究指出确实存在“灰色区域”,但只是通过实验说明,多径效应可能是原因所在。这些研究都是在早期的节点平台(rene、mica和mica2)上做的,而那些平台的数据链路协议栈主要是在软件上。

Son[7]等人的文章提出,如果信干噪比(Signal to Interference Plus Noise Ratio,SINR)高于某个临界值,PRR就非常高(>99.9%),并且这个临界值因节点而异。该结果暗示说,通过研究SINR值,可以很好地理解PRR的变化。这也意味着,如果噪声变换简单,且RSSI值随着时间保持稳定的话,那么RSSI值可能是决定包发送成功或失败的一个因素。

Cerpal[8]等人的研究显示,PRR会随着时间发生显著的变化,所以长时间的PRR计算会使得结果非常不精确,他们建议在长时间实验中,使用一个新的瞬间测试变量需要包数(Required Number of Packers, RNP)来代替。Aguayo[9]等人在带有802.11协议的长距离网状网络中布置了38个节点,观察到了相似的包发送状况,但得出的结论却是多径效应的影响,并且PRR和SINR之间没有任何关系。然而这些实验的方法论都是因不同的传感器网络研究而不同。例如,他们将平均SINR比和第二长的时间进行比较,而不是基于每个包。然而,结论之间的不同也很有意思。由于802.11b和802.15.4工作在同一频段(2.4GHz),且使用了相同的调制机制(QPSK),802.11b发送者极有可能是干扰的重要来源。

针对以上的观点,本文通过对一系列的实验的分析,来说明包接收成功或失败的原因。本文将PRR和包的元数据(接收信号强度指示RSSI)以及距离进行比较,得出结论:在一定的距离范围内,距离和PRR之间的联系不大。另外,由于CC2430发送机制和应用程序设计的原因,只要网关节点在某一时刻没有收到包,就会在下一时刻出现丢包的情况。此外,WLAN的干扰对WSN的通信是有较大影响的。

2 实验方案

2.1 WSN节点

无线传感器节点的硬件主要由四部分组成:传感器模块、信息处理模块、无线通信模块及能源供应模块[10]。传感器模块负责信息获取。信息处理模块管理节点数据,用于保存并处理自身采集到的数据信息。无线通信模块主要负责节点间的正常通信。能源供应模块用于给传感器节点提供能量。

实验中一共涉及到3种节点,分别为网关节点(接收节点)、发送节点和采集环境RSSI值的节点,它们都使用TI公司制造的CC2430芯片。

2.2 实验平台

测试系统的软件包括运行于上位机的软件和运行于WSN节点的软件。上位机软件主要完成传感器网络节点的工作信道、功率和实验参数的配置,以及对网关节点采集的数据进行分析和存储。

由于各种节点的功能不同,因此需要分别设计网关(接收)节点、发送节点和采集环境RSSI值节点的软件。TinyOS是专门用于WSN节点的操作系统,采用基于组件的NesC语言开发。应用程序通过调用TinyOS系统组件提供的接口函数,可以实现网络通信、A/D转换和定时等功能。

2.3 实验说明

文中主要分为3个实验:第1个实验是将50个节点直线放在地面,节点之间间隔为1米,其中网关节点放在最前面。网关节点的功能为,通过串口和上位机进行通信,上位机将实验参数(信道、功率、发包数量和周期)发给网关节点,它再将这些参数通过射频广播出去;若网关节点接收到来自发送节点的数据包或是响应,进行相应的处理,并将结果通过串口返回给上位机界面。在本实验中,所有实验均在11信道上进行,发送功率也是固定的,为0dBm。发送节点功能是根据接收到来自网关节点的命令,跳到指定的信道,以相应的功率和周期发送规定数量的数据包。

实验1中,分别按照如下方式进行了测试:以100毫秒为周期,分别发送10、100、200和500个包;以1000毫秒为周期分别发送100和200个包。 实验软件界面如图1所示。

第2个实验中,只有2个节点进行通信,发送节点以规定的周期向网关节点发送一定数量的包。另外,在实验过程中,使用一个节点采集环境中的RSSI值,采集的周期为100毫秒,该节点也是通过串口和上位机进行通信。实验结果使用Matlab进行数据分析:将每次测试采集到的RSSI值、接收到的包数和丢掉的包数在一幅图上表示出来,以进行分析。实验软件界面如图2所示。

第3个实验是在第2个实验的基础上加了特定干扰,即在点对点发包的时候,让2台笔记本电脑进行无线通信,观察WLAN对WSN通信的影响情况。

3 实验结果及分析

3.1 PRR、RSSI和距离之间的关系

第一个实验中,主要是观察相同条件下,距离对PRR的影响,以及RSSI和PRR之间的关系。图3中的柱状线对应左纵坐标,表示相应距离上节点的包接收率PRR;折线对应右纵坐标,代表的是从相应位置节点接收的信号的RSSI值。

图3是以周期100毫秒发送10个包的情况,一共进行了10次实验。从图中很明显地看出,并不是发送节点离接收节点越远,PRR越低。位于6米和29米处的节点,它们发送包的接收率明显要比附近节点的高10%左右。相应的从折线中可以看到,这两个位置的节点RSSI值比自己的邻居节点RSSI值高一些,这说明RSSI与PRR是相关的。反观位于18米出的节点,它的RSSI值是所有节点中最低的,但是其PRR却不是最低的,说明在这个距离内,RSSI并不是影响PRR唯一因素。但是在35米以后的节点,它们的RSSI值大,PRR就高,反之亦然。

图4是发送200个包的结果,从图中可以看到,网关节点接收到来自18米处节点的包有85%左右,且明显高于邻居节点,但是该节点的RSSI值是所有节点中最低的。并且,除了18米处的节点以外,其他节点的PRR随着RSSI的变化而改变。表明在较长时间的通信过程中,RSSI与PRR具有较强的相关性。在实验中所测试的范围内,PRR和距离之间无明显关联。

从图3-4中可以发现,位于18米处的节点有点异常,为此,本文又添加了一个比较实验,即在18米处放置别的节点,观察相同情况下它们的RSSI和PRR。实验是以100毫秒为周期发送200个包。表1是实验结果,其中节点A表示原来的节点,B、C和D则为同类型的比较节点,实验时4个节点平行放置,相隔5厘米。

从表1中可以明显看出,实验中位于18米处的这个节点有异常,可能是硬件(如天线)的原因,导致了它的RSSI相比于同类型的节点低很多,这样的话就间接影响了PRR。此外,这4个节点的RSSI也是有一定差异的。说明,节点硬件的差异也有可能是导致PRR不同的一个因素。

当实验进行的时间更长时,结果与上面出现一些不一样的现象。图5是发送200个包,发送周期为1000毫秒的结果。从图中可以发现,RSSI和PRR之间完全没有关系可循。位于10米和18米处的节点PRR都比较高,但是前者的RSSI为-66dbm,后者却是-30dBm,相差很大。此外,位于后20米的节点RSSI值的变化要比前面30米的节点小。

3.2 环境噪声对包传输的影响

第2个实验是在2个节点(间隔10米)通信的时候,另外一个节点采集环境中的RSSI值,该节点放在接收节点的旁边,采样周期为100毫秒。此实验的目的是分析包的丢失是否和环境噪声有关。实验分成2种情况,短时间的实验,以1000毫秒为周期分别发送10个包;长时间的实验则以1000毫秒为周期发送1800个包。

图6中,横坐标是时间,左纵坐标是环境RSSI值,单位是dBm,右纵坐标是丢包的个数。最上面的曲线为环境RSSI值随时间的变化情况,分割线上面的柱形图表示某个时间点丢掉的包个数,下面的为接收到的包个数。

图6是发送10个包的情况,从图中可以看到,在第4秒的时候,环境噪声突然增强,此时节点没有收到包。在第5秒前后,节点既收到包也丢了一个包,但此时的环境噪声无显著变化。分析程序可知,CC2430芯片在发送包之前都会查看信道是否空闲(Clear Channel Assessment ,CCA)。CCA是基于测试得到的RSSI值和一个可编程的阈值。程序中设定的CCA工作模式是:当信道中没有有效的IEEE802.15.4的数据时,认为此信道是空闲的。当发送一个包的时候,若检测到信道不空闲,CC2430则会退避一段时间,直到信道空闲再发送这个包。

图6中,在第4秒前环境噪声突然增强,发送节点会认为此时信道是不空闲的,导致它一直在回避,而没有发包,但是下一个发包的时间又到了,此时发送节点侦查到信道空闲了,就发送此包,这样就导致了前面一个包没有发送成功,在图6中看到的结果就是在第5秒接收到一个包,紧接着又失去一个包。

同时,本文在相同环境中做了几次时间为半小时的发包实验,丢包率为15%左右。取其中一个实验数据进行分析,如图7所示。

从图中发现,环境噪声出现了2次大幅度的波动。将其中出现最大波动的情况进行放大,如图8所示。

从图8中可以看出,只要某一时刻没有接收到包,下一时刻就一定会出现丢包的情况。由于本文中,采集环境RSSI值的周期是100毫秒,精度还不足以充分描述环境噪声的变化,所得出的结论也只是用于本文所做的实验。

3.3 WLAN对包传输的影响

此次实验以1000毫秒为周期发送了600个包,当点对点开始通信的时候,2台笔记本也同时传输一个400M大小的文件,速度是1.5Mb/s,传输时间为5分钟左右。图9是实验结果。从图中可以明显看出,在有WLAN干扰的时候,丢包情况非常严重;WLAN通信一结束的时候,虽然出现了一次丢掉10个包的情况,但是整体上来说包接收率还是比较理想的。

4 结束语

本文针对无线传感器网络中包的发送情况,进行了实验分析。通过实验证明,在一定的距离范围内,距离和包接收率之间没有必然的联系。同时,由于CC2430发送机制和应用程序设计的原因,只要网关节点在某一时刻没有收到包,就会在下一时刻出现丢包的情况。另外,WLAN的干扰对WSN的通信是有较大影响的。针对本文所得出的结论,以后的工作将继续致力于研究影响WSN通信质量的各个因素。

参考文献

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[6]Woo A,Tong T,Culler D.Taming the underlying challenges of reli-able multihop routing in sensor networks[C]//Proceedings of thefirst international conference on Embedded networked sensor sys-tems.ACM Press,2003:14-27.

[7]Son D,Krishnamachari B,Heidemann J.Experimental analysis ofconcurrent packet transmissions in low-power wireless networks[R].Technical Report ISI-TR-2005-609,Nov.2005.

[8]Cerpa A,Wong J L,Potkonjak M,et al.Temporal properties of lowpower wireless links:modeling and implications on multi-hop routing[C]//MobiHoc’05:Proceedings of the 6th ACM internationalsymposium on Mobile ad hoc networking and computing,New York,NY,USA,2005.ACM Press,2005:414-425.

[9]Aguayo D,Bicket J C,Biswas S,et al.Link-level measurementsfrom an 802.11b mesh network[M].In SIGCOMM,2004:121–132.

数据丢包 篇7

关键词：VoIP,丢包隐藏,WSOLA,互相关系数

0 引言

在目前运用较广的网络电话Vo IP当中, 语音数据的分组 (打包) 传输在遇到网络阻塞或延时比较长时会出现语音包丢失现象, 严重影响了通话的质量。针对Vo IP网络丢包现象国内外主要采用丢包补偿策略来提高语音质量, 而丢包补偿方法主要有两种形式:丢包恢复和丢包隐藏[1]。丢包恢复重点在于从接收端收到的数据中, 得到与原始输入语音信号没有差别的数据, 通常是直接利用所传递的信息冗余来抗误码和干扰, 达到降低接收端的实际丢包率的效果;丢包隐藏的重点则在于利用人耳的掩蔽特性, 在接收端所收到语音信息中, 选取一段或几段按照一定的逻辑仿造出已经丢失了的语音包[2]。由于人耳在听声音的时候会在潜意识中对不完整和不正确的波形进行修补, 因此使用丢包隐藏技术所恢复出来的波形, 通常不会让人明显地感觉到错误, 可以在很大程度上提升接收端人耳的听觉感受[3]。

在目前的一些丢包隐藏算法中, 波形相似叠加WSOLA算法[4]恢复的语音质量可以取得比较令人满意的效果。但是, WSOLA会引入一定的计算延时, 尤其在计算其互相关系数时所需计算量较大, 增加计算延时过多, 进而影响语音通话质量的提高。

1 Vo IP的基本原理

Vo IP是采用全球互联的IP网络环境来实现语音通信的, 语音信号在IP网络当中的传输过程是:在发送端, 输入语音信号为模拟语音信号, 经过采样, 量化, 编码等步骤转换成数字信号。根据通信环境采用适当的压缩编码技术对该数字信号进行压缩, 以应对网络传输的需求。压缩后的语音数据根据实时传输协议RTP、用户数据报协议UDP和网际协议 (IP) 分组打包[5], 原始输入语音信号就形成了IP包的形式, 最后就是通过IP网络将形成的数据包传输出去;在接收端, 将接收到的数据包组合, 经解码器解压缩处理后恢复成模拟语音信号, 经声卡播放, 实现Vo IP通话。图1显示了Vo IP实现语音通信的基本过程。

IP网络提供的是尽力的、不可靠的数据传输服务, 网络的负载和拓扑可能会动态变化, 因此网络可能会出现拥塞, 导致数据包不能有序并且全部到达接收端[6]。从而在Vo IP的实际通话过程中, 一旦遇到网络阻塞, 数据分组就会滞留在IP网络中的各个网络节点, 而且IP网络为了解决网络拥塞, 就会选择丢失分组。所以, 当一个网络节点的分组数量超过其最大缓冲能力时就会有部分数据丢失—Vo IP网络丢包。在传输中某些语音包丢失, 就会造成与此相对应的声音波形不能重建出来, 那么在接收端重建的声音波形中就会有许多断裂处, 使得最终听到的声音音质下降。

2 改进WSOLA算法

2.1 WSOLA算法思想

丢包隐藏方法中的时域扩展技术是采用丢包处两端的语音波形通过一定的算法来填补丢失的语音信息[7]。由于时域扩展方法采用了特定的算法来实现, 因此不可避免地引入了一定的计算延时。WSOLA也是一种在Vo IP网络接收端应用的时域扩展算法, 它将丢包处前面一段语音拉长来覆盖丢失了的语音。采用WSOLA这种时域处理的办法就会引入一定的计算时延, 但它可以较好地保持原始输入语音信号的基音周期, 使重建后的语音信号尽可能小的损失音质。因此, 采用WSOLA丢包隐藏算法可以较好地解决由于丢包而带来的通话质量下降问题。

WSOLA算法的基本思想如图2所示:选取丢失包前面几个正确接收到的数据包作为输入信号, 从输入信号中分解出几个L样点长的语音段, 再把分解得到的几个语音段按Δy的步长进行部分重叠相加。并且, 在相加之前需要给每个语音段乘上一个和其长度相同的汉宁窗, 以使重组后的语音段依旧能够保持正常的语音幅值。语音段的分解步长不固定, 而叠加步长固定。同时为使重组语音的基频不变, WSOLA通过计算互相关系数查找最相似波形来使两段语音在最佳位置重合相加[8]。组合后的语音段相对于原语音断长度将会增加或减少, 这由扩展常数决定。

2.2 WSOLA算法过程

对于WSOLA算法, 其核心部分为计算互相关系数, 找到最相似波形的起始位置, 对语音段进行分解。对于语音段的分解如图3所示, Sk-1语音段为已知参考语音段, Ski为备选语音段, 它的个数取决于搜索区域的长度, WSOLA算法要找到最相似波形也就是从所有的备选语音段中找出最合适的作为最终进行重叠相加的语音段Sk。

给定扩展常数α, 则:

其中, △x是语音段Ski的起始位置搜索区域的中点与上一个语音段Sk-1的起始位置之间的距离, △y=L/2, L为分解语音段长度。Ls为搜索区域的长度, 将搜索区域内的点作为起点可以得到Ls个备选语音段Ski, 计算每一个Ski前半部分与Sk-1后半部分的互相关系数:

其中, i=1, 2, …, Ls。该公式表示Ski前半部分与Sk-1后半部分对应位置的值相乘再求和。搜索区域当中的每一个位置对应一个互相关系值, 以互相关系数取得最大值时的Ski作为最终Sk语音段。再将已知的Sk作为参考语音段重复以上过程, 分解完输入信号。

将WSOLA应用于丢包隐藏时, 仅采用丢失包前面接收到的两个完好包的语音数据 (如图4所示) 来重建出丢包处的语音, 这样有助于减少计算延时。同时为得到语音段S1以及其后的语音段, 引入一个辅助语音段S0, 可根据经验 (式 (3) ) 确定所对应的S0搜索区域的位置:

其中Ls是搜索区域的长度, Lin为输入信号长度, Lout为输出信号长度, r0为与S0语音段所对应的搜索区域的初始位置。在寻找S0的初始位置时, 采用计算互相关系数的方法, 用在搜索区域中得到的每个语音段与原始采用的语音中的对应位置分别相乘得出。

一般来说, 为了使分解出的最后一个语音段的长度可以达到L个样点, 将固定最后一个语音段的搜索区域在最少离输入信号最后一个样点还剩L个样点的位置。计算总语音段的段数N为:

为了使丢包处被输出的语音段覆盖, N和L应满足:

由式 (4) 和式 (5) 可确定分解语音段的长度:

2.3 改进的互相关系数计算方法

原始WSOLA当中给出的互相关系数计算式 (式 (2) ) 在寻找最相似波形时所需的计算量较大, 尤其是当搜寻区域很大 (即基频很低) 或语音段长度过长时, 会引入更多的计算延时[9], 进而降低了通话语音质量。因此, 文章提出了一种新的相似波形寻找方法和互相关系数计算方法:根据原始互相关系数计算式中的Sk-1语音段后半部分最大值位置和备选语音段Ski前半部分最大值位置之间的距离来计算互相关系数, 两个最大值位置之间的距离越小, Ski语音段前半部分波形与Sk-1语音段后半部分波形越相似, 互相关系数则越小。互相关系数取得最小值时的备选语音段即为要寻找的最相似波形。由此可得到改进后的互相关系数计算公式:

其中, i=1, 2, …, Ls。式中Lk-1为参考语音段Sk-1中后半段最大值的位置到Sk-1中间位置之间的长度, Lk为备选语音段Ski前半段最大值的位置到Ski初始位置之间的长度 (如图5所示) 。式 (7) 表示参考语音段Sk-1中后半段最大值的位置与备选语音段Ski前半段最大值的位置之间的距离。在寻找相似波形时, 将式 (7) 取得最小值时的Ski作为最终的Sk语音段。改进的WSOLA算法过程与原始WSOLA算法过程相同, 主要不同为互相关系数计算方法。如图5所示, 改进的WSOLA算法在计算互相关系数时只需计算出Sk-1语音段后半部分最大值位置和备选语音段Ski前半部分最大值位置之间的距离, 而原始WSOLA算法则需要将Sk-1后半部分与Ski前半部分对应位置的值相乘再求和。

2.4 仿真结果

采用Matlab对WSOLA算法和改进WSOLA算法进行仿真, 重建出丢包处的数据, 以验证对WSOLA改进的可行性, 同时对两种方法恢复语音的质量进行评价以确定改进后的WSOLA算法的优劣。在本次仿真试验中, 取N=3, Lin=320, Lout=480, L=240。同时选取一个声音文件中的一段数据 (760个采样点) 为研究对象。假设单个包所含的样点数为160, 搜索区域长度为40, 仿真时将单个包的采样点值置零来模拟丢包。图6为模拟丢包时的声音数据, 图7为采用WSOLA算法进行丢包隐藏时所重建的声音数据, 图8为采用改进的WSOLA算法所得结果。

通过比较图7、图8的波形可知, 采用改进的互相关系数计算方法, 可以取得与WSOLA算法相近的结果, 表明这种改进方法是可行的。

采用ITU-T P.862建议书提供的客观MOS值评价方法PESQ[10]对重建语音进行评价, 来确定改进后的WSOLA算法回复语音质量。测试语音数据采样频率8 KHz, 量化精度16 bit, 总共有24 077个采样点。在模拟一定丢包率的情况下, 通过MATLAB仿真, 可以得到WSOLA算法和改进的WSOLA算法恢复的语音信号, 然后以原始语音为基准, 得到PESQ_MOS值如表1所示。

分析表1的数据可知, 在相同丢包率的情况下WSOLA算法和改进的WSOLA算法所得到的PESQ_MOS值差别不大, 可认为所得到的语音质量相近。

比较WSOLA算法与改进的WSOLA算法的计算量, 主要是在计算互相关系数时有所不同, 在其它的方面, 如加窗、重叠叠加等, 计算量一样。对于改进的WSOLA算法只需要进行简单寻找最大值运算, 在计算每一个Ci时只需要一次减法及一次求取绝对值运算, 而WSOLA算法需要L/2次乘法运算以及L/2-1次的加法运算, 并且总的运算量随着Ls的增大而大幅增加。由此可知改进的WSOLA算法的计算量相比较WSOLA算法大大减少。

3 结语

WSOLA算法应用于Vo IP网络的丢包隐藏时, 能够在尽可能小的损失音质的情况下, 把通话信号的持续时间拉长, 但会引入计算延时。本文提出了WSOLA丢包隐藏算法中的互相关系数计算的一种改进方法。通过仿真测试以及恢复语音评价表明, 该方法在保证语音质量的情况下, 大大减少了计算量, 避免了高延时的引入, 从而有助于提高Vo IP的通话质量。

参考文献

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数据丢包 篇8

随着数字通信技术的日益发展及其在电力系统中的逐步应用,数字化差动保护已被广泛用作发电机、变压器、母线和大型电动机等元件设备的主保护。而通信传输对数字化差动保护起着非常重要的作用,归结起来通信传输主要存在两种问题:数据传输质量和数据同步。

数据传输质量问题主要反映在信号传输时的丢包、衰耗及高误码率。为解决此问题,国内外学者针对变电站自动化网络传输性能进行了深入研究[1-5], 而针对差动保护算法本身抗丢包特性的研究较少。 而对于数据同步问题,国内外学者提出了相应的数据同步方法[6-10],但问题主要集中于减小网络延时及提出对采样值加时标的数据对时方法,同样没有对差动保护算法本身的抗同步误差特性进行分析。 一旦全球卫星定位系统(GPS)等硬同步方法遇到故障时,保护不能正常工作,将被闭锁。如果能从保护算法本身特性出发,找到一种既能抗数据传输丢包、 又能抗数据同步误差的差动保护算法,便可以满足数字化变电站新的发展要求,且能够在硬同步方法遇到故障、保护两侧同步误差不超过一定范围时,使差动保护可以继续正常工作,而不被闭锁。

本文提出一种基于动态时间弯曲(dynamic time warping,DTW)算法的差动保护算法,不仅能对差动保护两侧信号传输时产生的丢包及衰耗数据有较强的耐受性,而且对差动保护两侧信号的延时问题也具有较强的耐受能力。同时该差动保护算法的可靠性及灵敏性也高于现有差动保护算法。

1 DTW算法

DTW算法采用动态规划技术将一个复杂的全局最优化问题化为许多局部最优化问题,进而一步一步地进行决策[11]。它能够对存在全局或局部扩展、压缩或变形(如保护中的不同步情况)的相同时间长度或不同时间长度的序列进行匹配,计算出两侧时间序列的最短距离[12-14]。DTW计算两序列各点之间距离的思想如图1所示,具体算法见附录A。

DTW算法可计算两不同长度时间序列之间的相似性,且对于保护两侧采样序列由于不同步或丢包产生的序列变形问题,DTW算法同样具有很好的效果。DTW上述特性决定了在发生丢包或者延时的情况下,其具有减小两侧差流的特性。区外故障时,当某侧采样序列由于丢包或者延时,导致该侧采样序列与对侧采样序列的差异增大时,DTW可以采用该侧临近正常采样值代替该异常采样值,减小差流。区内故障时,由于两侧电流相位大致相同,则两侧采样点的对应差流均较大,故整体上DTW算法不会减小两侧电流形成的差流。而对于带制动特性的差动保护来说,由于采用DTW算法后,区外故障时两侧电流的差异减小,因此从反面增强了区内故障时保护的可靠性及灵敏性。

2 DTW差动保护判据及抗同步误差、抗丢包性能分析

2.1动作判据

以数字化变电站中的变压器为例进行分析。如图2所示,规定一次电流以流入变压器为正方向。 当系统发生外部故障时(点k1),N侧电流为正方向,M侧电流为负方向,忽略两侧电流同步误差等问题,两侧电流大小相等,方向相反。设N侧电流采样值和M侧电流采样值序列分别为IN和IM。 数据窗取1个周期,求取两端采样电流信号的DTW距离。

新型差动保护的闭锁判据为:

式中:D(k)为N和M侧电流的平均DTW距离,定义为动作量;Dres为制动电流整定值;wk为非负的权函数,一般取1;Dk为在最佳规整路径P*第k个点时的N侧电流和M侧反向电流的局部DTW距离; K为数据窗中的总点数。

此处将M侧电流反向,即取负值,是因为规定电流以流入变压器为正方向,则区外故障时,将M侧取反方向进行DTW距离的计算,可以使N侧电流和反方向M侧电流波形相同,进而使保护的动作量D(k)很小。对于数据窗中的点,k=1对应数据窗中第1个点,k=K对应数据窗中最后一个点。

当系统发生区内故障时(点k2),N和M侧电流均为正,求取两端采样电流的DTW距离,则新型差动保护的动作判据为:

Dk同样表示在P*第k个点时的N侧电流和M侧反向电流的局部DTW距离。将M侧电流取反方向后,IN和IM差异较大,则D(k)较大,即保护的动作量很大。

2.2制动电流

考虑特殊情况,当系统处于最小运行方式及轻微故障情况下,为了使保护具有较高的灵敏度,选择带制动特性的差动保护整定方式,则制动电流可表示为:

Dres=D0+KresDr(k)(3)

式中:D0为很小的门限值;Dr(k)为制动门槛值; Kres为制动特性斜率系数,一般取0.4~1[16]。

D0克服两侧互感器误差及两侧信号不同步情况下继电器产生的误动情况:两侧信号如果幅值相位完全相同时,则其DTW距离应为0,但由于两侧互感器采样率不同及两侧互感器其他特性的差异, 在系统正常运行时,将M侧电流取反方向后,两侧电流DTW距离略大于0。

设

式中:Dk′为在P*第k个点时的N侧电流和M侧电流的局部DTW距离。

区内一般性故障时,两侧电流同向,Dr(k)将会很小,而式(2)中的D(k)将会很大,D(k)>Dr(k),保护会动作;区外故障时,两侧电流反向,Dr(k)将会很大,而D(k)会很小,D(k)

2.3保护抗同步误差特性

DTW算法局部约束中的端点约束[14],实质上反映了DTW算法的抗同步误差性能,由于附录A式(A3)中x取值不同会影响到DTW算法的抗同步误差特性及抗丢包特性,故分别取x=1,2,3进行分析,将DTW差动保护的抗同步误差特性与常规相量差动保护的抗同步误差特性进行对比。

给出2个离散时间序列:

式中:N为每周期采样点数,两时间序列幅值统一, 仅讨论由于两侧信号相位差α 引起的差流变化。

采样率选为4kHz,数据窗长取1个周期。比较当α 在0~180°范围内变化时各差动保护的抗同步误差性能。

由于不同差动保护计算出的两侧差流不同,因此如果想比较由于数据处理算法体现出的耐同步误差性能,必须将所有差流进行归一化,即使它们适用于相同的比率制动判据。则采用线性归一化方法, 其表达式为:

式中:Id′和Id分别为相量差动归一化前的瞬时差流及归一化后的瞬时差流;Id.max为两侧信号所能产生的最大差流,即两侧信号相位差为180°时产生的差流;Id.min为最小差流,即两侧信号相位差为0°时产生的差流,等于0;id′和id分别为DTW差动归一化前的瞬时差流及归一化后的瞬时差流;id.max和id.min分别为差流的最大值和最小值。

系统正常及区外故障时,设将M侧电流反向(即取负值),对于常规相量差动,当两侧电流由于通信延时等原因产生相位偏差,则差流随相位偏差的增加急速增加,如图3所示。

而采用DTW算法计算差流,当附录A式(A3) 中x=1时,差流随相位差变化情况如图中绿色曲线所示,与相量差动产生的差流几乎一致。当x=2和x=3时,差流随相位的变化情况如图中蓝色曲线和黑色点画线所示,在相位差为0°~75°(相当于延时4.2ms)之间时,差流变化较小,归一化差流仅增加0.2左右;而在140°~180°之间时,差流变化很大,归一化差流增加超过0.4,所以采用x=2或x=3时的DTW算法,可以使保护具有较强的抗两侧电流同步误差。且当发生区内故障时,将M侧电流反向,则两侧电流相位相反,接近180°,差流可迅速增大,从另一方面提高了保护的动作速度。

2.4保护抗数据丢包特性

当差动保护两侧电流由于网络负载短时剧增或者由于强干扰导致循环冗余校验码(CRC)校验出错等通信原因产生个别数据丢失、出错等情况时,传统的解决办法是丢失1点补零处理,丢失2点以上告警甚至闭锁保护,这样很容易导致保护装置可用度降低,使保护的可靠性及灵敏性受到严重影响。

现对DTW差动保护算法的抗数据丢包特性进行分析,同样给出2个时间序列:

如式(7)所示,对通信丢包数据进行补零处理, 两序列幅值统一,讨论由于y(n)侧信号丢包引起的差流变化,采样率选为4kHz,数据窗长取1个周期。分别比较丢包率在0~60% 范围内变化时计算得到的相量差动及DTW差动差流的变化趋势。 图4为丢包率为60%情况下的x(n)及y(n)信号。 这里同样需要归一化,仍采用上述归一化方法。则相量差动及DTW差动差流随丢包率的变化过程如图5所示。

图5反映了相量差动及DTW差动保护算法抗丢包性能,可见相量差动产生的归一化差流随着丢包率的增加逐渐增加,当x=1及x=2时的DTW差动保护算法产生的差流与相量差动产生的差流相互交错,而当x=3时的DTW差动保护算法产生的归一化差流随丢包点数的增加变化不敏感,远远小于相量差动的差流,故当x取3时DTW差动保护算法具有较强的抗通信数据丢包特性。

2.5保护抗同步误差及抗数据丢包复合特性

现在讨论保护通信既有延时发生也有丢包发生时不同差动保护算法差流的变化趋势。图6(a), 6(b),6(c),6(d)分别为一阶(x=1)、二阶(x=2)、 三阶(x=3)DTW差动保护及相量差动保护在0~ 180°相位差及0~60%丢包率情况下的复合差流曲面。

由图6可见,在较小相位差时,随着丢包率的增加,同等相位差下形成的差流逐渐变大;而在较大相位差时,随着丢包率的增加,同等相位差下形成的差流反而逐渐变小。这是由于某侧丢包后,该点瞬时电流被置0,相当于在该采样点只有另一侧电流,故在较小相位差时,单独一侧的电流肯定会大于两侧差流;而在较大相位差时,两侧电流几乎相反,单独一侧的电流肯定会小于两侧差流。比较图6中各种情形可见,相量差动及x=1时的DTW差动保护产生的归一化差流随着相位差及丢包率的增加呈凸曲面形增加,而x=2及x=3时的DTW差动保护算法产生的差流随着相位差及丢包率的增加呈凹曲面形增加,即在相位差较小时(区外故障),随着丢包率的增加,差流增加的慢;在相位差较大时(区内故障),随着丢包率的增加,差流增加的快,反映出三阶DTW差动同时具有较强的抗同步误差及抗数据丢包复合特性。

2.6区内故障时动作特性

三阶DTW差动保护在抗通信同步及抗通信丢包方面具有较好的保护特性,其在不丢包情况下区内故障的动作特性可由图3得出,即在相位差接近180°时(设将M侧电流取反方向)差流急速增加,相比于相量差动,保护可快速可靠动作。现通过以下分析,比较在丢包情况下区内故障时,DTW差动保护与常规相量差动保护各自的动作特性。为了与2.1及2.2节的归一化判据统一,故此处同样将动作电流进行归一化。各差动保护的动作特性如图7所示。图中各曲线含义同图3。

由图7可见随着丢包点数的增加,各差动保护差流逐渐减小,而经过归一化后的DTW差流均大于相量差动保护的差流,而三阶DTW差流更远大于相量差动保护差流,有利于保护动作。仿真验证了在区内故障时,三阶DTW差动保护同样具有优越的保护特性,具有较相量差动保护更高的可靠性及灵敏性。

3仿真试验

3.1仿真模型

仿照文献[15]利用MATLAB/Simulink搭建了变压器差动保护模型,模型如图8所示,其具体参数如下:发电机出口电压13.8kV,500kV两圈升压变压器采用Ynd11接线,CT1和CT2采样率均为4kHz。根据上文仿真分析结果可见当x=3时, DTW差动保护的性能较佳,故此处取x=3。由于篇幅限制,文中取A相电流进行分析,数据窗为1个周期。

由于需要比较DTW差动保护算法的抗同步误差及抗丢包特性与相量差动保护在实际系统中的差异,故相量差动保护制动判据选用比率制动[16]。且需将两种差动保护的差流及制动电流归一化,制动特性斜率系数Kres根据文献[16]给出的范围及大量仿真试验结果分析,取0.7,最小动作电流Iset.min归一化后取0.06,拐点电流Ires.g取0.1。

3.2区外故障时抗同步误差特性

附录B图B1(a),B1(b),B1(c)分别表示在区外故障情况下(仿真环节中,区外区内各情况都已将M侧电流取反方向,即在无延时情况下,区外故障时,两侧电流相位差大致为0°,区内故障时,两侧电流相位差大致为180°),两侧电流相位相差为0°,45° 和75°时DTW差动保护和相量差动保护动作点在保护平面上的分布情况,双折线上部为动作区,下部为制动区。★为产生的第1个动作点。由图可见, 在相位差为0°时,无论相量差动保护还是DTW差动保护的动作点都分布在保护平面的制动区内,保护可靠不动作。但随着两侧电流相位差的增加,相量差动保护的动作点由制动区逐渐向动作区转移, 在两侧电流相位差为45°和75°时,已有部分动作点进入动作区,导致差动保护误动。而DTW差动保护的动作点在0°到75°(相当于延时4.2ms)相位差范围内,全部分布在制动区,故差动保护不会误动。

3.3区外故障时抗丢包特性

现同样将相量差动及DTW差动保护的差流、 制动电流归一化,分析10%,20%及30%丢包率情况下两种差动保护的动作点分布情况。

附录B图B2(a),B2(b),B2(c)分别表示从系统正常到区外故障的过程中,丢包率为10%,20% 和30%情况下DTW差动保护和相量差动保护动作点在保护平面上的分布情况,★为产生的第1个动作点。由图可见在前2个周期系统正常时,由于两侧电流均较小,较小的丢包率对差动保护影响不大,相量差动保护的动作起始点(★点)均远离动作区。但随着区外故障的发生,相量差动保护动作点逐渐向动作区靠近,在丢包率为30%的情况下,相量差动保护的动作点已经较接近动作区。但对于DTW差动保护,无论正常情况下还是区外故障情况下,其动作点均远离保护平面动作区,故DTW差动保护具有较强的抗丢包特性。

3.4区内故障时的抗同步误差特性

附录B图B3为区内发生三相接地故障,两侧电流相位差为180°,150°和120°(相当于延时3.4 ms)时DTW差动保护和相量差动保护动作点在保护平面上的分布情况。由图B3可以看出,从系统正常到系统发生故障的过程中,各相位差情况下,两种差动保护的动作点均由制动区向动作区转移,但随着相位差的增加,两种差动保护的可靠性均下降。 可以看出,DTW差动保护的动作点较相量差动保护更迅速地从制动区转移到动作区,即保护可以更迅速地动作;DTW差动保护动作点整体离制动区域较相量差动保护的动作点更远,故DTW差动保护的可靠性及灵敏性更高。该仿真验证了第2节最后分析得出的对于带制动特性的差动判据,DTW差动保护由于系统正常及区外故障时动作量很小, 从反面增强了区内故障时保护的可靠性及灵敏性的结论。

3.5区内故障时的抗丢包特性

附录B图B4(a),B4(b),B4(c)分别表示从系统正常到区内故障的过程中,丢包率为10%,20% 和30%情况下DTW差动保护和相量差动保护动作点在保护平面上的分布情况,★为产生的第1个动作点。由图B4可见在前2个周期系统正常时, 由于两侧电流均较小,较小的丢包率对差动保护影响不大,相量差动保护的动作起始点(★点)均远离动作区。但随着区内故障的发生,DTW差动保护动作点很快从制动区转移至动作区,而相量差动保护动作点的转移速度则相对较缓,体现出DTW差动保护具有较好的速动性。而在系统发生区内故障的3个周期内,3种丢包率情况下的DTW差动保护动作点,均较相量差动保护动作点离制动区远,体现出DTW差动保护在区内故障时,系统丢包的情况下仍具有较高的可靠性。

4结论

本文提出基于三阶DTW的差动保护算法,并对该差动保护算法的抗数据延时特性、抗数据丢包特性及灵敏性进行了分析,有如下结论。

1)算法具有较强的抗数据延时特性,区外故障时可抵抗4.2 ms的数据延时,区内故障时可抵抗3.4ms的数据延时,完全可以满足IEC 61850标准中对于数据延时规定的最大冗余。

2)具有较强的抗数据丢包性能,区外故障时,对于30%的随机丢包率,归一化差流增幅较小;区内故障时,对于30%的随机丢包率,归一化差流增幅则较大。

3)在区内故障时,动作点远离保护平面的制动区,体现出该差动保护算法具有较强的速动性及可靠性。

所提算法可为数字化环境下变电站及变压器保护的发展提供新思路。

附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc. com.cn/aeps/ch/index.aspx)。

摘要：提出一种基于三阶动态时间弯曲(DTW)算法的变压器差动保护算法。该方法利用差动保护两侧数据窗内的电流采样值构成最短距离矩阵,通过最短距离搜寻算法,在该矩阵内寻找到一条最短路径,将该路径所经过的局部最短距离元素的总距离的平均值作为两侧采样电流的差流。在数字化变电站由于通信原因造成数据延时及数据丢包的情况下,利用该差动保护算法,可使得区外故障时保护不误动作;区内故障时,保护可靠动作。仿真验证了不同延时状况及不同丢包率情况下,区内、区外故障时常规相量差动保护及DTW差动保护的动作性能。结果表明,DTW差动保护在抗延时性能、抗丢包性能及灵敏性上明显优于常规相量差动保护。