基于天通一号通信卫星的云计算监控系统研究

朱育林，陈志彬

（漳州理工职业学院，福建 漳州 363000）

0 引言

随着科技信息网络的深入发展，云计算应运而生并得到了广泛应用。云计算通过网络“云”将巨大的数据计算处理程序分解为无数个小程序，使得计算更加高效。云计算的应用也促使了其他领域飞速发展，监控领域就是其中的典型代表。监控系统的应用较为广泛，并且在多个领域都起到了非常重要的作用，如智能家居、资源勘测、智能农业、环境监测、灾害预警、地籍绘制、智慧交通等。随着监控要求的不断提高，监控范围越来越大，监控需要的信息量也越来越大，当采集设备完成信息采集之后，需要将信息传输到远程控制终端，再在终端上进行异常分析，最后将得出的结果在客户端进行显示[1]。当前云计算监控系统虽然能够处理大量的信息，但是存在一个较为严重的问题，即随着采集信息量的增大，信息传输面临巨大压力，具体表现在两个方面：一是受通信传输距离的限制，很多监控系统只适用于短距离监控；二是受到传输带宽限制，传输容易发生拥塞问题，导致数据传输经常发生丢包现象，传输到远程控制终端的数据完整性遭到破坏。

目前，应用在监控系统中的通信传输方式主要有GPRS、GSM、CDMA三种。GPRS通信具有实时性强、传输速率高、通讯费用低等特点，因此将GPRS通信用于监控系统设计是一种经济、可靠、理想的方案[2]。GSM通信是一种数字移动通信技术，该技术的优点在于不受地域范围限制、网络容量大、稳定性强，不易受干扰，并且能够实现双向无线通信[3]。CDMA通信对信息进行调制后，可以扩展原数据信号的带宽，再进行载波调制并发送信号，这种通信传输方式速率大，但是不能持续传输数据，否则容易发生冲突问题[4]。根据上述研究，结合天通一号通信卫星，设计一种云计算监控系统，以期通过该系统提高监控质量，实现云计算监控系统优化。

1 基于天通一号通信卫星的云计算监控系统

监控系统的应用使得人们能够及时掌握监控目标的状态与变化规律，以便及时采取应对措施。随着监控要求的不断提高，监控系统监测的信息应该更加全面，这就使得监控系统需要采集更多的信息[5]。为了满足监控系统的需要，云计算监控系统的设计要考虑以下两个功能：一是能够实现高质量的远距离传输数据；二是能够拥有强大的通信资源，保证数据通信传输的完整性，避免出现丢包问题[6]。天通一号通信卫星是卫星通信方式的一种，与铱星、海事卫星、北斗相比，天通一号通信卫星业务更加广泛，包括话音、短信、数据、传真。该通信卫星优势明显：使用成本更低；自主可控性好；单次最大报文字节达到320字节，单次传输容量更大。因此本研究结合天通一号通信卫星设计云计算监控系统。

1.1 系统框架设计

系统框架设计是系统设计的首要环节，主要为整个系统设计提供基本思路。基于MVC的云计算监控系统框架结构主要分为四层，即数据采集层、通信层、业务处理层和显示层。[7]采集层的主要功能是利用布置在现场的传感器采集监控目标的信息。通信层的主要功能是利用天通一号通信卫星将采集到的数据转发到远程数据处理终端中[8]。业务处理层的主要功能是接收数据包并解析，然后对数据进行处理，挖掘数据中隐藏的信息。显示层的主要功能是显示监测结果。

1.2 系统硬件设计

系统硬件，即组成系统的物理设备。本系统的主要组成物理硬件包括采集设备、天通一号通信组件、处理器。采集设备—传感器负责采集现场监控目标状态数据，然后利用天通一号通信卫星将数据发送到处理器终端，最后运行处理器，进行数据挖掘与分析。[9]

1.2.1 采集设备

采集设备是系统的前端设备，主要布置在监测现场。最常见的采集设备为传感器，传感器布设在监控区内，通过多跳的方式将数据通过天通一号通信卫星传输到管理节点。[10]本系统所设计的无线传感器优势如下：A级、B级精度高；长期稳定；测量范围大；功耗低。该传感器的工作技术参数如表1所示。

1.2.2 天通一号通信组件

天通一号通信卫星是监控系统进行远程数据传输的主要设备。天通一号通信卫星的通信框架如图1所示。

通信模型设计步骤如下：

（1）分析天通AT命令，制定初始化AT命令；

（2）基于GSMO710MUX多路复用通信协议解析；

（3）Linux的内核配置，生成多路复用的设备节点；

（4）PPP拨号配置，包括PPPD移植与启动脚本配置等；

表1 传感器工作技术参数

图1 天通一号通信卫星通信框架

（5）应用层的程序设计。[11]

天通一号通信组件中主要包括天通通信模块、HTD1001基带芯片、HTDM1611-V11通信模块、HTDM1611_SUB板等。相关技术参见如表2所示。

1.2.3 主处理器

主处理器是远程终端中的关键硬件，负责数据接收、解析、处理以及挖掘分析等业务逻辑的运行，是系统的核心大脑[12]。主处理器电路图见图2。

所设计主处理器的优势主要有：缓存大，运行速度快；无线信号连接稳定，联网速率快；功耗低，支持长时间运行[13]。

1.3 系统功能模块设计

本项目主要针对三个关键模块进行设计，即采集模块、卫星通信传输模块和监控分析模块[14]。

表2 通信组件相关技术参数

图2 主处理器电路图

1.3.1 采集模块

采集模块设计主要是对系统前端现场部署传感器的运行流程进行设计。传感器采集数据的具体过程如下所述。

步骤1，传感器部署在监控区。

步骤2，监控终端通过天通一号通信卫星向传感器发送采集命令。

步骤3，天通一号通信卫星接收命令，并转发命令。

步骤4，传感器接收指令并解析。

步骤5，传感器执行命令，并采集数据。

步骤6，判断采集是否完成（完成采集，对数据进行A/D转换、放大以及滤波处理；未完成采集，继续进行采集工作，直至达到采集结束条件）。

步骤7，数据存入存储器，并将其封装为JSON格式。

步骤8，将数据打包通过天通一号通信卫星发送给监控终端。

步骤9，判断记录大于2 073 600字节，清空SQLite监控数据表。

步骤10，判断是否退出采集程序（若退出，采集模块结束；否则，回到步骤5）。

通过上述步骤，传感器完成一次采集任务，接下来进入卫星通信传输模块。[15]

1.3.2 卫星通信传输模块

天通一号通信卫星可以实现数据转发、传输，因此卫星通信模块是本系统的关键模块。传统监控系统监控表现较差的主要原因是通信模块无法处理大量数据传输任务，导致经常发生拥塞，并出现数据丢包现象。而在本系统中，天通一号通信卫星的使用可以很好地解决上述问题。天通一号通信卫星本身的频带宽、容量大、信道质量好，能很好地满足海量数据的通信需求。[16]更重要的是，天通一号通信卫星带有拥塞控制算法，能很好地改善网络延迟问题，使网络转发速率提高，从而解决数据丢包问题。[17]天通一号通信卫星采用的拥塞控制算法过程如下所述。

步骤1，带宽估计。利用ACK（确认字符）到达速度来计算天通一号通信卫星网络的可用带宽。计算公式为：

式中，L代表带宽；Bk代表接收端收到的数据字节数；Tk、Tk-1代表第k个ACK确认和上一个ACK确认报文到达的时刻。

步骤2，窗口增长，增长公式为：

式中，C代表带宽估计窗口值。

步骤3，判断是否收到3个重复ACK或分组发送超时，若是，进行丢包检测；否则，回到步骤2。

步骤4，丢包检测，即查看此时的通信链路是否处于拥塞状态。若处于拥堵状态，则认为丢包原因是链路拥塞，否则认为丢包原因是链路错误造成的，即误码原因。

步骤5，根据丢包原因，进行不同的处理。若属于拥塞原因造成丢包，需要进行分组重传，并进入下一步窗口恢复环节；若属于误码原因造成丢包，则直接进行分组重传，并回到步骤1。

步骤6，窗口恢复，即将数据传输速率尽量恢复成拥塞发生前的水平。

通过上述拥塞控制算法，在很大程度上减少了数据传输的拥塞情况，提高了天通一号通信卫星网络传输性能。

1.3.3 监控分析模块

监控分析模块的主要作用是对采集到的监控数据进行挖掘和分析。具体过程如下所述。

步骤1，监听数据通信IP地址固定端口，等待TCP连接。

步骤2，判断连接是否成功，若成功则进行下一步，否则就回到步骤1。

步骤3，监控终端接收数据包。

步骤4，对数据包进行拆包解析，并存储数据。步骤5，关闭TCP连接。

步骤6，判断是否退出连接，若退出，进行下一步，否则，回到步骤1。

步骤7，数据挖掘，分析监控区监控目标是否存在异常，一旦存在异常，系统进行报警，通过人员尽快处理。

通过监控分析，实时掌握目标变化情况，以便及时进行处理。

2 系统仿真测试

采用目前流行的NS2仿真软件作为仿真工具，对所设计的监控系统进行测试，并与基于GPRS的监控系统、基于GSM的监控系统、基于CDMA的监控系统进行对比，验证所设计系统的有效性。

2.1 测试环境

测试区域在一个100m×100m的平面区域内进行，其中随机分布的传感器节点总共为500个，分布情况如图3所示。

图3 传感器分布图

其中，“○”代表传感器节点；“■”代表汇聚节点。

2.2 参数设置

系统测试相关参数设置见表3。

表3 相关参数设置表

2.3 测试指标

根据测试目的的不同将系统测试指标分为两类，一类用于评测系统通信传输性能，一类评测系统监测准确性能。下面对这些指标进行具体分析。

2.3.1 系统通信传输性能

系统通信传输性能评测指标有三个，即有效吞吐量、公平性指数以及丢包率。三个指标计算公式如下：

有效吞吐量G：

式中，T代表通信传输时间；H1、H2代表在时间T内传输的总的数据包数量和总的重传数据包数量。

公平性指数F（S）：

式中，Si代表第i个数据包的吞吐量。F（S）值越大代表通信链路均衡负载，越不容易发生拥塞。

丢包率K：

式中，a代表所丢失数据包数量，A代表所发送数据包总量。

2.3.2 系统监测准确性

系统监测准确性通过F1值来确定，该值计算公式如下：

式中，P代表准确率；R代表召回率。

2.4 结果分析

在同样传输500个数据包（异常数据包300个，其余为正常数据包），传输距离为1000~5000Km的条件下，所设计系统、基于GPRS的监控系统、基于GSM的监控系统、基于CDMA的监控系统的测试结果对比如表4所示。

从表4中可以看出，随着传输距离的增加，所设计系统在有效吞吐量、公平性指数、丢包率以及F1值等四项指标的表现上均好于其他系统，说明所设计系统不仅更加适用远距离监控，同时面对大量数据，传输性能和监控准确性均更好，改善了基于GPRS的监控系统、基于GSM的监控系统、基于CDMA的监控系统存在的缺陷。

3 结语

综上所述，监控系统在当前很多领域都起到关键作用，通过监控可以及时掌握目标状态，以便及时作出决策。然而，随着监控距离以及监控数据量的增大，当前常见监控系统无法满足要求，经常发生拥塞、数据丢包问题，导致后期监控不准确。针对上述问题，通过设计一种基于天通一号通信卫星的云计算监控系统。经过测试，该系统弥补了当前监控系统的缺陷，有效性得到了验证。

表4 测试结果