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數據通信下的物聯網交互技術研究論文
摘要:隨著現代船用電子信息系統的發展，各電子設備之間及與設備與信息中心的數據交互越加頻繁，交互量越來越大，傳統的基于無線通信架構的數據通信系統已經越來越不能滿足海上大量數據的交互性能要求。物聯網是一種全新的互聯結構，其數據采集﹑傳輸是基于ＲFID射頻技術﹑傳感器技術及無線傳感網絡技術，能夠高效的對船用通信數據進行處理。本文研究海上無線通信網絡與物聯網結構，提出基于物聯網結構的擁塞算法，極大提高了海上通信網絡系統容量。
關鍵詞:物聯網;擁塞控制;無線通信
引言
船用電子信息系統應用類型越來越多，如海上氣象檢測系統﹑船舶跟蹤識別系統﹑船舶避碰系統及信息中心等，其對數據傳輸及處理量呈指數級增加，如何高效的對大數據進行通信傳輸﹑處理關系著整個船舶電子設備的運行效率。傳統的海上數據通信有基于3G，4G無線通信網絡，光纖網絡及無線局域網絡3種，隨著采集數據類型及數據量的增加，已經越來越不能滿足海上大量數據的交互要求。物聯網是一種全新的互聯結構，其數據采集﹑傳輸是基于ＲFID射頻技術﹑傳感器技術及無線傳感網絡技術［1］，能夠高效的對船用通信數據進行處理。本文研究現有的海上無線數據通信架構，重點研究數據通信中的擁塞控制算法，對現有的先入先出(FIFO)進行改進，提出一種新的加權平均隊列算法，有效平衡船用電子設備的網絡帶寬資源，提高其利用率。
1基于無線局域網的物聯網結構
基于海上無線局域網的物聯網結構采用ＲFID射頻芯片對船舶電子設備進行數據采集，在物聯網結構中對這些數據進行融合，最后將數據進行分裝并發送至無線局域網，同時通過無線局域網中的路由器與VPND虛擬網絡進行連接［2］�；诤Ｉ蠠o線局域網物聯網數據平臺結構如圖1所示�；诤Ｉ蠠o線局域網物聯網數據平臺分為以下3個區域:1)A為核心交換區，通過區域無線局域網與運營服務商進行連接，并對數據進行分組轉化，在整個網絡中處于核心地位。2)B為物聯網接入區，將A區傳輸的數據在物聯網中進行接入，必須要保證的是數據接口的統一及各種軟硬件的兼容性。3)C為基于VPND虛擬網絡的控制平臺，為船舶各電子設備提供服務。
2基于物聯網通信的擁塞控制算法
2.1基于TCP/IP協議的帶寬控制本文的海上數據通信利用TCP/IP協議，在傳輸層面對TCP包的大小及數量進行控制，具體的有分組調度控制﹑隊列管理控制及擁塞控制等。在基于TCP/IP傳輸中，首先需要確定對方CPU﹑內存等處理能力，也即一次能處理的信息數據塊大小，然后對發送及接收信號的窗口進行調節，改變信號傳輸率及TCP包的大小，對通信流量進行控制。在此，每次信號傳輸之前需要對窗口進行設置，以控制傳輸速率與流量［3］。基于TCP/IP協議物聯網擁塞控制主要包含以流量限制、傳輸恢復、初始化限額啟動及失敗重傳4個步驟。在每個階段，對傳輸窗口大小都有不同的調節機制來調節網絡帶寬﹑傳輸速率及一次性傳輸信息量大小;同時，需要保證一定的網絡帶寬利用率，本文通過在接收端和發送端增加緩進行控制。在海上物聯網通信系統中，通過構建以太網絡對流量進行控制策略如下:1)數據鏈路層。數據鏈路層為TCP/IP協議最底層，通過流量控制﹑糾錯控制﹑重傳機制及握手機制來確保雙方通信的暢通及準確。2)網絡層。網絡層位于TCP/IP協議的中間層，通常的網絡控制策略有分組調度策略﹑虛擬電路分組管理策略﹑分組排隊策略等。3)傳輸層。傳輸層位于TCP/IP協議上層，如上所述，控制方法有擁塞控制流量策略﹑帶寬控制策略﹑緩存隊列控制等。
2.2擁塞控制算法
海上物聯網通信中的擁塞控制算法通過中心監控設備對船用各電子設備的數據交互進行監控，整個算法包括以下3個核心模塊:1)管控中心控制模塊管控中心控制模塊通過監控中心對船用電子設備的數據傳輸﹑接收及處理等信息進行統計分析，對出現數據通信阻塞的節點進行管理。管理中心控制模塊需要充分利用現有的網絡帶寬資源，周期性(每180s)與各監控設備進行連接，當各應用層發生故障時，則對其進行置位［4］。2)算法初始及啟動模塊由管控中心對算法模塊進行初始化及啟動，具體步驟如下:①首先進行通信網絡狀態及性能測試，管控中心獲取物聯網數據通信各網管的數據傳輸信息，每30s進行一次測試，統計數據報的延遲時間來調整窗口的大小，避免擁塞。②對船用各電子設備進行負載均衡，通過統計計算網格參數，如數據傳輸時間﹑窗口調整延遲﹑數據處理時間等動態信息，并通過負載均衡算法進行動態調整。3)發送�？毂疚乃惴ㄖ饕ㄟ^發送端對發送流量的控制進行擁塞管理，具體是將發送模塊置于通信網絡的各處網格中，通過ALC對實際系統訪問控制列表進行流量的控制。
2.3擁塞配置管理
當對數據進行分組時，其效率比PVC的發送速率更高，在其連接處會出現數據擁塞;同樣，當一個信息處理系統對數據的處理速率比其接收數據慢時，也會出現數據擁塞，其核心是通過資源調度策略來對流量進行控制，解決方法有:對TCP包進行分類管理﹑采用緩存隊列等方式，本文采用建立緩存隊列方式，下面進行詳細介紹。隊列調度算法有:先入先出(FIFO)、優先隊列(PQ)及定制隊列(CQ)幾種［5］，本文首先詳細介紹先入先出(FIFO)的原理。在此基礎上對其進行改進，提出了一種加權平均隊列算法。FIFO調度算法按照時間的先后順序，也即先進隊列的數據報文在分組轉發中優先傳輸，所以數據包的長度決定了整個隊列的性能，包括整個通信系統的丟包率及通信延遲。發送端和接收端只有一個端口用于之間的數據傳輸，當隊列達到一定長度時，系統帶寬被完全占用，必須對FIFO隊列進行配置，確保通信暢通。對船舶電子設備按照不同的數據類型及業務類型設置不同的隊列，使不同類型﹑不同業務種類的數據進入不同的FIFO隊列，從而可以通過多個端口進行并行傳輸。對FIFO隊列進行改進，目的是使其網絡資源在船舶電子系統得到均衡利用，并對所有數據傳輸信道的延遲進行均衡。具體措施是按照報文的長短對數據報進行劃分，增加不同系統的帶寬負載增加權重系數，加權平均隊列算法對高優先權數據報優先調度，并分配高于低優先級的網絡帶寬;同時，依據各系統的數據通信流量調整其連接會話的優先權重系數，使所有系統需要傳輸的數據報文能均值至緩沖隊列中，從而達到平衡各信息系統數據傳輸流量的目的，并使各系統的數據傳輸延遲最小。加權平均隊列原理如圖3所示。假設現在船用電子系統種類為5，那么可以設置5個不同優先級別的隊列，其權重系數分別為1，2，3，4，5，假設數據通信總帶寬為15，則各類型數據占用帶寬比分別為115，215，315，415，515，算法可以通過流的抖動及窗口設置實現負載均衡。
3擁塞控制算法優缺點比較
1)FIFO調度算法優點:算法復雜度簡單，并不需進行網絡配置。缺點:對于UDP非流控制數據報文，其約束性條件不能滿足帶寬的最大利用。
2)優先隊列(PQ)算法優點:對于實時性要求較高的業務實時性能較好。缺點:較高優先級的數據占用較低優先級的帶寬，影響優先級低的業務性能。
3)加權平均隊列算法優點:對各種不同業務處理較為平衡，帶寬資源利用率較高。缺點:算法復雜度較高。
4結語
本文重點對基于物聯網結構的海上通信模型進行研究，對現有的數據擁塞控制算法進行改進，有效提高了網絡帶寬的利用率。
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