數(shù)據(jù)通信下的物聯(lián)網(wǎng)交互技術(shù)研究論文

　　摘要:隨著現(xiàn)代船用電子信息系統(tǒng)的發(fā)展，各電子設(shè)備之間及與設(shè)備與信息中心的數(shù)據(jù)交互越加頻繁，交互量越來(lái)越大，傳統(tǒng)的基于無(wú)線通信架構(gòu)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)已經(jīng)越來(lái)越不能滿足海上大量數(shù)據(jù)的交互性能要求。物聯(lián)網(wǎng)是一種全新的互聯(lián)結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)采集﹑傳輸是基于ＲFID射頻技術(shù)﹑傳感器技術(shù)及無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠高效的對(duì)船用通信數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本文研究海上無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提出基于物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的擁塞算法，極大提高了海上通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量。

　　關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng);擁塞控制;無(wú)線通信

　　引言

　　船用電子信息系統(tǒng)應(yīng)用類型越來(lái)越多，如海上氣象檢測(cè)系統(tǒng)﹑船舶跟蹤識(shí)別系統(tǒng)﹑船舶避碰系統(tǒng)及信息中心等，其對(duì)數(shù)據(jù)傳輸及處理量呈指數(shù)級(jí)增加，如何高效的對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行通信傳輸﹑處理關(guān)系著整個(gè)船舶電子設(shè)備的運(yùn)行效率。傳統(tǒng)的海上數(shù)據(jù)通信有基于3G，4G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，光纖網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)3種，隨著采集數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)量的增加，已經(jīng)越來(lái)越不能滿足海上大量數(shù)據(jù)的交互要求。物聯(lián)網(wǎng)是一種全新的互聯(lián)結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)采集﹑傳輸是基于ＲFID射頻技術(shù)﹑傳感器技術(shù)及無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［1］，能夠高效的對(duì)船用通信數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本文研究現(xiàn)有的海上無(wú)線數(shù)據(jù)通信架構(gòu)，重點(diǎn)研究數(shù)據(jù)通信中的擁塞控制算法，對(duì)現(xiàn)有的先入先出(FIFO)進(jìn)行改進(jìn)，提出一種新的加權(quán)平均隊(duì)列算法，有效平衡船用電子設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，提高其利用率。

　　1基于無(wú)線局域網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

　　基于海上無(wú)線局域網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用ＲFID射頻芯片對(duì)船舶電子設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，最后將數(shù)據(jù)進(jìn)行分裝并發(fā)送至無(wú)線局域網(wǎng)，同時(shí)通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)中的路由器與VPND虛擬網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接［2］。基于海上無(wú)線局域網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示�；�于海上無(wú)線局域網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺(tái)分為以下3個(gè)區(qū)域:1)A為核心交換區(qū)，通過(guò)區(qū)域無(wú)線局域網(wǎng)與運(yùn)營(yíng)服務(wù)商進(jìn)行連接，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分組轉(zhuǎn)化，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中處于核心地位。2)B為物聯(lián)網(wǎng)接入?yún)^(qū)，將A區(qū)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在物聯(lián)網(wǎng)中進(jìn)行接入，必須要保證的是數(shù)據(jù)接口的統(tǒng)一及各種軟硬件的兼容性。3)C為基于VPND虛擬網(wǎng)絡(luò)的控制平臺(tái)，為船舶各電子設(shè)備提供服務(wù)。

　　2基于物聯(lián)網(wǎng)通信的擁塞控制算法

　　2.1基于TCP/IP協(xié)議的帶寬控制本文的海上數(shù)據(jù)通信利用TCP/IP協(xié)議，在傳輸層面對(duì)TCP包的大小及數(shù)量進(jìn)行控制，具體的有分組調(diào)度控制﹑隊(duì)列管理控制及擁塞控制等。在基于TCP/IP傳輸中，首先需要確定對(duì)方CPU﹑內(nèi)存等處理能力，也即一次能處理的信息數(shù)據(jù)塊大小，然后對(duì)發(fā)送及接收信號(hào)的窗口進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變信號(hào)傳輸率及TCP包的大小，對(duì)通信流量進(jìn)行控制。在此，每次信號(hào)傳輸之前需要對(duì)窗口進(jìn)行設(shè)置，以控制傳輸速率與流量［3］�；�于TCP/IP協(xié)議物聯(lián)網(wǎng)擁塞控制主要包含以流量限制、傳輸恢復(fù)、初始化限額啟動(dòng)及失敗重傳4個(gè)步驟。在每個(gè)階段，對(duì)傳輸窗口大小都有不同的調(diào)節(jié)機(jī)制來(lái)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)帶寬﹑傳輸速率及一次性傳輸信息量大小;同時(shí)，需要保證一定的網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率，本文通過(guò)在接收端和發(fā)送端增加緩進(jìn)行控制。在海上物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)中，通過(guò)構(gòu)建以太網(wǎng)絡(luò)對(duì)流量進(jìn)行控制策略如下:1)數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)鏈路層為TCP/IP協(xié)議最底層，通過(guò)流量控制﹑糾錯(cuò)控制﹑重傳機(jī)制及握手機(jī)制來(lái)確保雙方通信的暢通及準(zhǔn)確。2)網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層位于TCP/IP協(xié)議的中間層，通常的網(wǎng)絡(luò)控制策略有分組調(diào)度策略﹑虛擬電路分組管理策略﹑分組排隊(duì)策略等。3)傳輸層。傳輸層位于TCP/IP協(xié)議上層，如上所述，控制方法有擁塞控制流量策略﹑帶寬控制策略﹑緩存隊(duì)列控制等。

　　2.2擁塞控制算法

　　海上物聯(lián)網(wǎng)通信中的擁塞控制算法通過(guò)中心監(jiān)控設(shè)備對(duì)船用各電子設(shè)備的數(shù)據(jù)交互進(jìn)行監(jiān)控，整個(gè)算法包括以下3個(gè)核心模塊:1)管控中心控制模塊管控中心控制模塊通過(guò)監(jiān)控中心對(duì)船用電子設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸﹑接收及處理等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)通信阻塞的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理。管理中心控制模塊需要充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，周期性(每180s)與各監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行連接，當(dāng)各應(yīng)用層發(fā)生故障時(shí)，則對(duì)其進(jìn)行置位［4］。2)算法初始及啟動(dòng)模塊由管控中心對(duì)算法模塊進(jìn)行初始化及啟動(dòng)，具體步驟如下:①首先進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)及性能測(cè)試，管控中心獲取物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信各網(wǎng)管的數(shù)據(jù)傳輸信息，每30s進(jìn)行一次測(cè)試，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)報(bào)的延遲時(shí)間來(lái)調(diào)整窗口的大小，避免擁塞。②對(duì)船用各電子設(shè)備進(jìn)行負(fù)載均衡，通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算網(wǎng)格參數(shù)，如數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間﹑窗口調(diào)整延遲﹑數(shù)據(jù)處理時(shí)間等動(dòng)態(tài)信息，并通過(guò)負(fù)載均衡算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。3)發(fā)送模快本文算法主要通過(guò)發(fā)送端對(duì)發(fā)送流量的控制進(jìn)行擁塞管理，具體是將發(fā)送模塊置于通信網(wǎng)絡(luò)的各處網(wǎng)格中，通過(guò)ALC對(duì)實(shí)際系統(tǒng)訪問(wèn)控制列表進(jìn)行流量的控制。

　　2.3擁塞配置管理

　　當(dāng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分組時(shí)，其效率比PVC的發(fā)送速率更高，在其連接處會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)擁塞;同樣，當(dāng)一個(gè)信息處理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的處理速率比其接收數(shù)據(jù)慢時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)擁塞，其核心是通過(guò)資源調(diào)度策略來(lái)對(duì)流量進(jìn)行控制，解決方法有:對(duì)TCP包進(jìn)行分類管理﹑采用緩存隊(duì)列等方式，本文采用建立緩存隊(duì)列方式，下面進(jìn)行詳細(xì)介紹。隊(duì)列調(diào)度算法有:先入先出(FIFO)、優(yōu)先隊(duì)列(PQ)及定制隊(duì)列(CQ)幾種［5］，本文首先詳細(xì)介紹先入先出(FIFO)的原理。在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種加權(quán)平均隊(duì)列算法。FIFO調(diào)度算法按照時(shí)間的先后順序，也即先進(jìn)隊(duì)列的數(shù)據(jù)報(bào)文在分組轉(zhuǎn)發(fā)中優(yōu)先傳輸，所以數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度決定了整個(gè)隊(duì)列的性能，包括整個(gè)通信系統(tǒng)的丟包率及通信延遲。發(fā)送端和接收端只有一個(gè)端口用于之間的數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)隊(duì)列達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，系統(tǒng)帶寬被完全占用，必須對(duì)FIFO隊(duì)列進(jìn)行配置，確保通信暢通。對(duì)船舶電子設(shè)備按照不同的數(shù)據(jù)類型及業(yè)務(wù)類型設(shè)置不同的隊(duì)列，使不同類型﹑不同業(yè)務(wù)種類的數(shù)據(jù)進(jìn)入不同的FIFO隊(duì)列，從而可以通過(guò)多個(gè)端口進(jìn)行并行傳輸。對(duì)FIFO隊(duì)列進(jìn)行改進(jìn)，目的是使其網(wǎng)絡(luò)資源在船舶電子系統(tǒng)得到均衡利用，并對(duì)所有數(shù)據(jù)傳輸信道的延遲進(jìn)行均衡。具體措施是按照?qǐng)?bào)文的`長(zhǎng)短對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行劃分，增加不同系統(tǒng)的帶寬負(fù)載增加權(quán)重系數(shù)，加權(quán)平均隊(duì)列算法對(duì)高優(yōu)先權(quán)數(shù)據(jù)報(bào)優(yōu)先調(diào)度，并分配高于低優(yōu)先級(jí)的網(wǎng)絡(luò)帶寬;同時(shí)，依據(jù)各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信流量調(diào)整其連接會(huì)話的優(yōu)先權(quán)重系數(shù)，使所有系統(tǒng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報(bào)文能均值至緩沖隊(duì)列中，從而達(dá)到平衡各信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流量的目的，并使各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸延遲最小。加權(quán)平均隊(duì)列原理如圖3所示。假設(shè)現(xiàn)在船用電子系統(tǒng)種類為5，那么可以設(shè)置5個(gè)不同優(yōu)先級(jí)別的隊(duì)列，其權(quán)重系數(shù)分別為1，2，3，4，5，假設(shè)數(shù)據(jù)通信總帶寬為15，則各類型數(shù)據(jù)占用帶寬比分別為115，215，315，415，515，算法可以通過(guò)流的抖動(dòng)及窗口設(shè)置實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。

　　3擁塞控制算法優(yōu)缺點(diǎn)比較

　　1)FIFO調(diào)度算法優(yōu)點(diǎn):算法復(fù)雜度簡(jiǎn)單，并不需進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置。缺點(diǎn):對(duì)于UDP非流控制數(shù)據(jù)報(bào)文，其約束性條件不能滿足帶寬的最大利用。

　　2)優(yōu)先隊(duì)列(PQ)算法優(yōu)點(diǎn):對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性能較好。缺點(diǎn):較高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)占用較低優(yōu)先級(jí)的帶寬，影響優(yōu)先級(jí)低的業(yè)務(wù)性能。

　　3)加權(quán)平均隊(duì)列算法優(yōu)點(diǎn):對(duì)各種不同業(yè)務(wù)處理較為平衡，帶寬資源利用率較高。缺點(diǎn):算法復(fù)雜度較高。

　　4結(jié)語(yǔ)

　　本文重點(diǎn)對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的海上通信模型進(jìn)行研究，對(duì)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)擁塞控制算法進(jìn)行改進(jìn)，有效提高了網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率。

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