面向天然氣應(yīng)用的無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)支撐架構(gòu)

何君蓮 劉根利 潘義強(qiáng) 劉竟成

摘 要：隨著天然氣工業(yè)中無線業(yè)務(wù)對(duì)其支撐平臺(tái)的彈性高效管理需求凸顯，企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)呈幾何級(jí)級(jí)數(shù)快速增長，對(duì)無線傳輸技術(shù)提出了更高的要求，結(jié)合無線mesh技術(shù)提出建立高效業(yè)務(wù)處理引擎架構(gòu)模型和鄰近節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)延與功率優(yōu)化均衡機(jī)制，實(shí)現(xiàn)天然氣數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的高效、安全匯聚與傳輸。

關(guān)鍵詞：天然氣;無線傳輸;數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

1 前言

伴隨移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速迭代，從以前只能滿足基本通話功能的1G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代到現(xiàn)在萬物互聯(lián)的5G時(shí)代，其在天然氣工業(yè)中亦得到廣泛應(yīng)用。面對(duì)天然氣工業(yè)中從勘探、生成、銷售、安全等各方面的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)呈指數(shù)級(jí)快速增長，尤其是工業(yè)4.0概念的提出，對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力、傳輸能力提出了更高的要求。另一方面，無線通信技術(shù)的發(fā)展也是不斷快速發(fā)展，不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)不斷出現(xiàn)。與常見的WiMAX網(wǎng)絡(luò)、蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)等傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用逐漸得到重視[1-2]。為實(shí)現(xiàn)面向天然氣工業(yè)領(lǐng)域中的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的高效安全傳輸，需建立相應(yīng)的業(yè)務(wù)支撐架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的歸一化優(yōu)化利用。

2 構(gòu)建無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)支撐架構(gòu)

天然氣行業(yè)集勘探、開發(fā)、運(yùn)輸、銷售，有大量的數(shù)據(jù)記錄，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理[2]。為了有效保證天然氣工業(yè)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)得到有效的利用，提高生產(chǎn)效率，降低成本，對(duì)天然氣工業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要，因此提出了無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)支撐架構(gòu)。其技術(shù)方案包括建立高效業(yè)務(wù)處理引擎架構(gòu)模型、建立鄰近節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)延與功率優(yōu)化均衡機(jī)制等步驟[3-6]。

3 無線Mesh傳輸路徑能效選擇策略

無線Mesh通過客戶端和路由器組成[7]。隨著接入互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備越來越多，如何降低通信系統(tǒng)能耗成了無線mesh中的問題之一。其路徑的選擇結(jié)果，將會(huì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量、傳輸時(shí)延和整體能耗。

3.1 無線mesh路由協(xié)議

目前關(guān)于mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議主要還是集中在通過如何改善路由權(quán)值或傳輸路徑的選擇上，這在一定程度上可以改善網(wǎng)絡(luò)的性能、提高數(shù)據(jù)傳輸效率，但在實(shí)際場(chǎng)景中卻存在一定的問題，分析其主要原因是這些改進(jìn)方法對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的兼容性存在問題[8]。在面向天然氣應(yīng)用的無線數(shù)據(jù)支撐架構(gòu)中，通過在無線mesh協(xié)議中配置最大時(shí)延、最小帶寬等參數(shù)，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)與路由權(quán)重一起作為傳輸路徑最優(yōu)選擇方案，建立鄰近點(diǎn)的傳輸路徑，降低傳輸時(shí)延和傳輸功耗。

3.2 無線mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配技術(shù)

針對(duì)天然氣工業(yè)中的傳感設(shè)備快速增多，在相同區(qū)域內(nèi)設(shè)備越多，對(duì)信道的資源利用效率越高，為了降低信道之間的相互干擾，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男阅?，好的信道分配算法就顯得尤為重要。根據(jù)無線mesh網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，mesh路由節(jié)點(diǎn)被分成負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器的回程接口和負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間服務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸接口。

3.3 多信道分配算法

DSDV協(xié)議和DSR協(xié)議共同組成了標(biāo)準(zhǔn)的AODV 路由協(xié)議，雖然AODV 路由協(xié)議是在DSR協(xié)議上建立的，但是AODV 路由協(xié)議卻不是源路由。在小網(wǎng)絡(luò)規(guī)模中，雖然標(biāo)準(zhǔn)AODV 協(xié)議對(duì)節(jié)點(diǎn)的控制、管理、存儲(chǔ)比先驗(yàn)路由協(xié)議更少，但是卻使延遲增加了。通過采用一種新的信道分配方式，能夠進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)通信容量。新的路由發(fā)現(xiàn)過程如下：

（1） 每一個(gè)節(jié)點(diǎn)在接收到上一個(gè)節(jié)點(diǎn)的RREQ/ RREP，記錄發(fā)送端的地址和來源接口信息。

（2） 在路由列表中添加維護(hù)接口信息字段，在查詢或者建立路由時(shí)，能夠通過記錄的地址和來源接口來唯一決定下一跳。

（3） 面對(duì)移動(dòng)自組織節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)特性，可能造成發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路中斷或者重連，通過在無線和有線鏈路中添加雙方的備用鏈路，在某個(gè)時(shí)刻有線接口出現(xiàn)斷開過關(guān)閉等情況時(shí)，此時(shí)節(jié)點(diǎn)能夠自動(dòng)檢查鄰近路由信息，當(dāng)查詢鄰近路由時(shí)，若能夠到達(dá)對(duì)方，則修改下一跳的路由地址和接口信息，切換到新的信道。

（4） 如果無線和有線鏈路都不能夠使用時(shí)，節(jié)點(diǎn)將向源節(jié)點(diǎn)單播RERR包。

采用這種形式的AODV路由發(fā)現(xiàn)過程，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)快速切換，使丟包率更少。

在面向天然氣應(yīng)用的無線數(shù)據(jù)支撐架構(gòu)中通過對(duì)改進(jìn)AODV路由發(fā)現(xiàn)方式，提高切換速率，降低丟包率[8]。

4總結(jié)

大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展，促進(jìn)了天然氣數(shù)據(jù)管理的智能化，面對(duì)天然氣行業(yè)數(shù)據(jù)的暴增，提出了面向天然氣應(yīng)用的無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)支撐架構(gòu)。本文通過采用建立高效業(yè)務(wù)處理引擎架構(gòu)模型和建立鄰近節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)延與功率優(yōu)化均衡機(jī)制，實(shí)現(xiàn)天然氣數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的高效、安全匯聚與傳輸。針對(duì)架構(gòu)中的鄰近節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)延與功率優(yōu)化均衡機(jī)制，采用了無線mesh網(wǎng)絡(luò)中的傳輸路徑優(yōu)化和信道選擇來降低傳輸時(shí)延和功率優(yōu)化。

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作者簡介：

何君蓮，重慶市應(yīng)急管理專家、重慶市應(yīng)急救援專家，重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院高級(jí)工程師，主要從事工程管理、智慧安全等領(lǐng)域研究與教學(xué)工作。

（1.重慶建筑科技職業(yè)學(xué)院;2.重慶市石油與天然氣學(xué)會(huì);3.重慶科技學(xué)院;4.重慶慧策實(shí)業(yè)有限公司）