一种基于网络化的分布式测控方法

廖永行，童惠祺

（中国电子科技集团公司第七研究所，广东 广州 510000）

1 研究背景

高空无人飞行器通信网络是利用高空平台配合各种地面终端或空中其他通信设备形成的一个综合移动信息通信系统。空中节点会搭载各型通信设备，为地面用户提供远距离的通信服务。该系统所针对的无人飞行器按照功能用途和飞行航程来划分属于高空长航时通信中继无人飞行器[1]，主要用于搭建长时间大范围的通信系统，为用户提供稳定可靠的通信覆盖能力。与传统的通信系统相比，依托高空无人飞行器平台（包括平流层飞艇、平流层高空气球、太阳能平流层飞翼、平流层无人机等临近空间飞行器平台[2]）搭建的通信网络属于分布式结构，具有网络规模大、机动性强、动态变化快等特性，对于数据采集的要求很高。传统测控系统的采集技术移动性较差，远程管理功能比较薄弱，工作人员需要在现场才能较好完成数据采集工作，难以适应高空无人飞行器通信网络的测控管理要求。而分布式测控系统是指采用了分布式部署方式的测控系统，能够在不同的管理节点对设备进行本地化测控，有效突破时间和空间的约束。

针对高空无人飞行器通信网络中的分布式测控要求，作者研究了一种能够在窄带情况下进行分布式测控的技术，并使用该技术搭建了一个应用于高空无人飞行器通信网络的分布式测控系统，最终利用该系统完成了高空通信设备的管理工作。鉴于高空无人飞行器通信网络规模大、机动性强、动态变化快的特点，在通信网络带宽较窄、丢包率高的条件下，利用分布式架构中节点测控软件轻便的优势，将简易的节点测控软件部署到空中节点，收集空中节点所搭载设备的状态、故障、性能信息，并将信息汇总压缩后传递到地面测控中心，实现了基于高空无人飞行器通信网络的分布式测控系统，同时还提供了在切换不同链路时的数据同步功能，便于用户对空中节点进行远程监控，提高用户对高空无人飞行器通信网络管控的能力。

2 技术方案

以下从分布式测控系统架构、窄带情况下报文压缩以及传输链路切换时的数据同步方面分别阐述本方案的技术特点。

2.1 分布式测控系统架构

高空无人飞行器通信网络的分布式测控系统由一个测控中心和若干节点测控软件组成，如图1所示。

图1 分布式部署图

测控中心部署于地面测控中心，在网络开通时，用于规划全网设备参数信息，下发到各节点测控软件，并由节点测控软件对空中节点被管理设备进行参数加注，协助通信网络初始化。在网络运行过程中，可全面收集节点测控软件的相关信息并呈现三维网络态势图，完成全网拓扑信息、设备故障信息、业务性能信息统一管理和集中监控，同时能够向各节点测控软件下发设备配置参数，或者设备参数调整策略。

节点测控软件部署在空中节点，能够对设备进行直接管控，监控各被管设备的运行状态、故障状态、性能状态，完成信息采集、故障报警、阈值监控等功能。节点测控软件为无人值守设计，具体设备的查看、操作功能均在测控中心遥控完成。在网络开通过程中，可接收测控中心所发送的配置参数，并对所管理设备进行参数加注。在网络运行过程中，监控本地设备，定时对设备进行轮询，当出现设备故障时立即通知地面测控中心，当出现性能阈值超出所设范围时按照预先设置的策略进行调控。本测控系统的分布式设计及其功能特点如表1所示。

表1 分布式部署设计

通过分布式的部署方式，可以有效减少空中节点的运行负荷，减轻空中设备的运维压力，保证在不影响空中设备正常运行的条件下，实时准确地管理空中设备。

2.2 窄带情况下报文压缩

高空通信系统的空中节点与地面测控中心之间采用无线链路作为传输信道，无线带宽非常紧张，其典型传输带宽比较窄，一般在几十Byte的数量级，极端条件下会出现断开的情况。因此，当数据量增大（例如在文件传输、数据下载、用户量增大等情况下，都会造成短时间的数据量激增）或信道传输能力降低（例如无线信道信号变差、用户远离基站、部分链路故障）时，会造成严重的信道拥堵以至于无法正常通信，影响测控中心和节点测控软件之间的数据传输。如图2所示，地面测控中心与地面控制站间、空中节点内部，均为有线链路，带宽充足，可以进行频繁的数据交互；地面控制站和机载链路设备之间只有无线链路，带宽有限且不稳定，只能传输少量信息，且存在信息丢失的风险。

图2 高空通信系统链路示意图

针对以上分析，为了满足高空通信系统的测控需求，必须面向测控链路进行设计，提高信道使用效率，避免由于传输测控报文而影响了重要业务。为了解决以上问题，该分布式测控系统采取了以下措施进行传输优化。

2.2.1 分级部署、信息分类汇总

节点测控软件对本节点设备实施不间断的轮询监控，会持续产生大量的数据，将这些原始数据上传到测控中心必然占用大量的链路带宽。因此，节点测控软件先根据信息的属性进行分类、汇总，再将汇总后的信息传输到地面测控中心。例如，节点测控软件每隔0.5秒获取一次本节点内设备状态信息，此时的原始数据是较多的，节点测控软件对原始数据进行分析比对，只需要在设备状态发生变化时传输信息到地面测控中心，无须上传原始数据，极大降低了需要传输的数据量。

2.2.2 根据链路状态优化传输策略

高空无人飞行器通信网络上的分布式测控系统可以评估链路设备当前工作模式和传输能力，并根据评估结果合理地调节自身的传输需求，减少传输信息内容和降低传输频率。当可用传输带宽降低时，禁止传输优先级较低的测控信息，在极端条件下只允许传输关键的测控信息。当可用传输带宽恢复时，逐步增加传输内容，提升传输频率，并将前期积压的测控信息逐步回传到测控中心。

2.2.3 根据业务场景优化传输策略

在测控中心和节点测控软件之间传输的主要信息如下所述。

（1）拓扑规划信息：由测控中心流向节点测控软件，数据量较大，但是仅在网络开通或网络出现大规模变化时产生。

（2）参数配置信息：由测控中心流向节点测控软件，数据量较小，仅在用户需要调整参数、设备发生故障或性能下降时传递，用于调整设备参数。

（3）设备状态变化、设备故障信息：由节点测控软件流向测控中心，数据量视设备状态变化剧烈程度而定，有一定的突发性。

（4）设备性能信息：由节点测控软件流向测控中心，数据量较大且持续产生，但仅需在设备性能超出阈值时才需要传递。

（5）设备信息销毁信息：由测控中心流向节点测控软件，数据量较小，仅在无人飞行器失控时传递，用于销毁设备信息，有一定的突发性。

因此，在通信网络初次开通时，应尽量在地面使用有线直连的方式完成数据传输，保证数据准确、高效传输。而在网络正常运行过程中，减少大规模调整参数，尽量单次调整个别参数，减少传输信息，降低信息丢失的风险。同时，由节点测控软件定时轮询空中设备的状态，当出现异常信息时立即将其发送到测控中心，保证突发事件的实时性。

2.2.4 传输数据压缩

节点测控软件与空中设备使用SNMP进行数据交互，数据丰富、报文较大，因此需要对数据结构进行压缩处理，对设备、查询参数进行编码处理，测控中心收到信息后再进行解码，减少传输过程中需要传递的数据量。同时，利用Java开发包提供的API接口，采用短报文传输方式减少数据量，从传输底层提升传输效率。

2.3 传输链路切换时的数据同步

在高空无人飞行器通信网络中，除了使用传统飞控窄带链路，还会有多种其他链路提供数据传输服务，即图2中的无线链路会存在多种链路切换的情况。因此在测控过程中，存在切换传输链路的情况，应该重点考虑切换时的数据同步问题。

如图3所示，本系统分为业务模块和传输服务模块，业务模块无须关心具体使用的传输链路，只需要调用传输服务模块中传输业务逻辑所提供的信息发送接口即可。在传输服务模块中使用队列存储需要发送的信息，并按照所选链路顺序发送报文，同时在另外一个线程中异步等待对端系统响应，并将响应结果反馈给其他业务模块。当传输链路发生变化时，在发送队列会先完成正在发送的报文，保证正在发送的信息能够继续正常发送，发送队列下一个数据报文时，再切换信息传输链路。在链路切换过程中，正在发送的报文是有可能会丢失的，如果所发送的报文丢失，接收队列没有收到响应消息，业务模块将由于超时而进行重发，重发时将使用新的传输链路，从而保证数据能够有效同步。

图3 传输服务模块示意图

3 结束语

本文所描述的是一种基于网络化的分布式测控方法，通过使用分布式测控系统架构、窄带情况下报文压缩和传输链路切换时的数据同步技术，能够在高空无人飞行器通信网络带宽有限、网络不稳定的情况下，提高系统对设备的测控能力。■