一種基于網絡化的分布式測控方法

廖永行，童惠祺

（中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510000）

1 研究背景

高空無人飛行器通信網絡是利用高空平臺配合各種地面終端或空中其他通信設備形成的一個綜合移動信息通信系統?？罩泄濣c會搭載各型通信設備，為地面用戶提供遠距離的通信服務。該系統所針對的無人飛行器按照功能用途和飛行航程來劃分屬于高空長航時通信中繼無人飛行器[1]，主要用于搭建長時間大范圍的通信系統，為用戶提供穩定可靠的通信覆蓋能力。與傳統的通信系統相比，依托高空無人飛行器平臺（包括平流層飛艇、平流層高空氣球、太陽能平流層飛翼、平流層無人機等臨近空間飛行器平臺[2]）搭建的通信網絡屬于分布式結構，具有網絡規模大、機動性強、動態變化快等特性，對于數據采集的要求很高。傳統測控系統的采集技術移動性較差，遠程管理功能比較薄弱，工作人員需要在現場才能較好完成數據采集工作，難以適應高空無人飛行器通信網絡的測控管理要求。而分布式測控系統是指采用了分布式部署方式的測控系統，能夠在不同的管理節點對設備進行本地化測控，有效突破時間和空間的約束。

針對高空無人飛行器通信網絡中的分布式測控要求，作者研究了一種能夠在窄帶情況下進行分布式測控的技術，并使用該技術搭建了一個應用于高空無人飛行器通信網絡的分布式測控系統，最終利用該系統完成了高空通信設備的管理工作。鑒于高空無人飛行器通信網絡規模大、機動性強、動態變化快的特點，在通信網絡帶寬較窄、丟包率高的條件下，利用分布式架構中節點測控軟件輕便的優勢，將簡易的節點測控軟件部署到空中節點，收集空中節點所搭載設備的狀態、故障、性能信息，并將信息匯總壓縮后傳遞到地面測控中心，實現了基于高空無人飛行器通信網絡的分布式測控系統，同時還提供了在切換不同鏈路時的數據同步功能，便于用戶對空中節點進行遠程監控，提高用戶對高空無人飛行器通信網絡管控的能力。

2 技術方案

以下從分布式測控系統架構、窄帶情況下報文壓縮以及傳輸鏈路切換時的數據同步方面分別闡述本方案的技術特點。

2.1 分布式測控系統架構

高空無人飛行器通信網絡的分布式測控系統由一個測控中心和若干節點測控軟件組成，如圖1所示。

圖1 分布式部署圖

測控中心部署于地面測控中心，在網絡開通時，用于規劃全網設備參數信息，下發到各節點測控軟件，并由節點測控軟件對空中節點被管理設備進行參數加注，協助通信網絡初始化。在網絡運行過程中，可全面收集節點測控軟件的相關信息并呈現三維網絡態勢圖，完成全網拓撲信息、設備故障信息、業務性能信息統一管理和集中監控，同時能夠向各節點測控軟件下發設備配置參數，或者設備參數調整策略。

節點測控軟件部署在空中節點，能夠對設備進行直接管控，監控各被管設備的運行狀態、故障狀態、性能狀態，完成信息采集、故障報警、閾值監控等功能。節點測控軟件為無人值守設計，具體設備的查看、操作功能均在測控中心遙控完成。在網絡開通過程中，可接收測控中心所發送的配置參數，并對所管理設備進行參數加注。在網絡運行過程中，監控本地設備，定時對設備進行輪詢，當出現設備故障時立即通知地面測控中心，當出現性能閾值超出所設范圍時按照預先設置的策略進行調控。本測控系統的分布式設計及其功能特點如表1所示。

表1 分布式部署設計

通過分布式的部署方式，可以有效減少空中節點的運行負荷，減輕空中設備的運維壓力，保證在不影響空中設備正常運行的條件下，實時準確地管理空中設備。

2.2 窄帶情況下報文壓縮

高空通信系統的空中節點與地面測控中心之間采用無線鏈路作為傳輸信道，無線帶寬非常緊張，其典型傳輸帶寬比較窄，一般在幾十Byte的數量級，極端條件下會出現斷開的情況。因此，當數據量增大（例如在文件傳輸、數據下載、用戶量增大等情況下，都會造成短時間的數據量激增）或信道傳輸能力降低（例如無線信道信號變差、用戶遠離基站、部分鏈路故障）時，會造成嚴重的信道擁堵以至于無法正常通信，影響測控中心和節點測控軟件之間的數據傳輸。如圖2所示，地面測控中心與地面控制站間、空中節點內部，均為有線鏈路，帶寬充足，可以進行頻繁的數據交互；地面控制站和機載鏈路設備之間只有無線鏈路，帶寬有限且不穩定，只能傳輸少量信息，且存在信息丟失的風險。

圖2 高空通信系統鏈路示意圖

針對以上分析，為了滿足高空通信系統的測控需求，必須面向測控鏈路進行設計，提高信道使用效率，避免由于傳輸測控報文而影響了重要業務。為了解決以上問題，該分布式測控系統采取了以下措施進行傳輸優化。

2.2.1 分級部署、信息分類匯總

節點測控軟件對本節點設備實施不間斷的輪詢監控，會持續產生大量的數據，將這些原始數據上傳到測控中心必然占用大量的鏈路帶寬。因此，節點測控軟件先根據信息的屬性進行分類、匯總，再將匯總后的信息傳輸到地面測控中心。例如，節點測控軟件每隔0.5秒獲取一次本節點內設備狀態信息，此時的原始數據是較多的，節點測控軟件對原始數據進行分析比對，只需要在設備狀態發生變化時傳輸信息到地面測控中心，無須上傳原始數據，極大降低了需要傳輸的數據量。

2.2.2 根據鏈路狀態優化傳輸策略

高空無人飛行器通信網絡上的分布式測控系統可以評估鏈路設備當前工作模式和傳輸能力，并根據評估結果合理地調節自身的傳輸需求，減少傳輸信息內容和降低傳輸頻率。當可用傳輸帶寬降低時，禁止傳輸優先級較低的測控信息，在極端條件下只允許傳輸關鍵的測控信息。當可用傳輸帶寬恢復時，逐步增加傳輸內容，提升傳輸頻率，并將前期積壓的測控信息逐步回傳到測控中心。

2.2.3 根據業務場景優化傳輸策略

在測控中心和節點測控軟件之間傳輸的主要信息如下所述。

（1）拓撲規劃信息：由測控中心流向節點測控軟件，數據量較大，但是僅在網絡開通或網絡出現大規模變化時產生。

（2）參數配置信息：由測控中心流向節點測控軟件，數據量較小，僅在用戶需要調整參數、設備發生故障或性能下降時傳遞，用于調整設備參數。

（3）設備狀態變化、設備故障信息：由節點測控軟件流向測控中心，數據量視設備狀態變化劇烈程度而定，有一定的突發性。

（4）設備性能信息：由節點測控軟件流向測控中心，數據量較大且持續產生，但僅需在設備性能超出閾值時才需要傳遞。

（5）設備信息銷毀信息：由測控中心流向節點測控軟件，數據量較小，僅在無人飛行器失控時傳遞，用于銷毀設備信息，有一定的突發性。

因此，在通信網絡初次開通時，應盡量在地面使用有線直連的方式完成數據傳輸，保證數據準確、高效傳輸。而在網絡正常運行過程中，減少大規模調整參數，盡量單次調整個別參數，減少傳輸信息，降低信息丟失的風險。同時，由節點測控軟件定時輪詢空中設備的狀態，當出現異常信息時立即將其發送到測控中心，保證突發事件的實時性。

2.2.4 傳輸數據壓縮

節點測控軟件與空中設備使用SNMP進行數據交互，數據豐富、報文較大，因此需要對數據結構進行壓縮處理，對設備、查詢參數進行編碼處理，測控中心收到信息后再進行解碼，減少傳輸過程中需要傳遞的數據量。同時，利用Java開發包提供的API接口，采用短報文傳輸方式減少數據量，從傳輸底層提升傳輸效率。

2.3 傳輸鏈路切換時的數據同步

在高空無人飛行器通信網絡中，除了使用傳統飛控窄帶鏈路，還會有多種其他鏈路提供數據傳輸服務，即圖2中的無線鏈路會存在多種鏈路切換的情況。因此在測控過程中，存在切換傳輸鏈路的情況，應該重點考慮切換時的數據同步問題。

如圖3所示，本系統分為業務模塊和傳輸服務模塊，業務模塊無須關心具體使用的傳輸鏈路，只需要調用傳輸服務模塊中傳輸業務邏輯所提供的信息發送接口即可。在傳輸服務模塊中使用隊列存儲需要發送的信息，并按照所選鏈路順序發送報文，同時在另外一個線程中異步等待對端系統響應，并將響應結果反饋給其他業務模塊。當傳輸鏈路發生變化時，在發送隊列會先完成正在發送的報文，保證正在發送的信息能夠繼續正常發送，發送隊列下一個數據報文時，再切換信息傳輸鏈路。在鏈路切換過程中，正在發送的報文是有可能會丟失的，如果所發送的報文丟失，接收隊列沒有收到響應消息，業務模塊將由于超時而進行重發，重發時將使用新的傳輸鏈路，從而保證數據能夠有效同步。

圖3 傳輸服務模塊示意圖

3 結束語

本文所描述的是一種基于網絡化的分布式測控方法，通過使用分布式測控系統架構、窄帶情況下報文壓縮和傳輸鏈路切換時的數據同步技術，能夠在高空無人飛行器通信網絡帶寬有限、網絡不穩定的情況下，提高系統對設備的測控能力?！?/p>