基于大數(shù)據(jù)的通信網(wǎng)絡(luò)阻塞故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘭海翔，李衛(wèi)群，張濤

（貴州力創(chuàng)科技發(fā)展有限公司，貴州貴陽(yáng) 550003）

通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的變化不但會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的阻塞故障問(wèn)題，還有可能對(duì)信號(hào)參量的正確傳輸行為造成影響。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接能力的不同，阻塞故障行為的出現(xiàn)幾率也會(huì)不斷變化，一般情況下，待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量越大，通信網(wǎng)絡(luò)阻塞故障行為的發(fā)生幾率也就越大[1]。隨著大數(shù)據(jù)環(huán)境逐漸趨于穩(wěn)定，通信網(wǎng)絡(luò)體系中待處理的信號(hào)量水平也會(huì)不斷增大，由于目標(biāo)傳輸位置的不同，這些數(shù)據(jù)信息參量在互聯(lián)網(wǎng)主機(jī)中會(huì)出現(xiàn)明顯的堆積情況，不僅會(huì)導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)連接作用能力的不斷下降，也會(huì)影響感知主機(jī)對(duì)于故障信號(hào)的檢測(cè)精度水平。

為了適應(yīng)大數(shù)據(jù)參量的實(shí)時(shí)傳輸需求，傳統(tǒng)應(yīng)答型檢測(cè)系統(tǒng)利用耦合電路處理通信網(wǎng)絡(luò)中的故障信號(hào)篩選問(wèn)題，再借助FPGA 平臺(tái)，將完成篩選的阻塞故障信號(hào)排列成線狀或包狀傳輸形式，以便于主機(jī)元件對(duì)其進(jìn)行后期的檢測(cè)處理。然而該系統(tǒng)并不能對(duì)阻塞故障信號(hào)進(jìn)行及時(shí)修復(fù)，不能完全滿足通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用需求。為解決此問(wèn)題，搭建基于大數(shù)據(jù)的通信網(wǎng)絡(luò)阻塞故障檢測(cè)系統(tǒng)，利用轉(zhuǎn)發(fā)故障診斷模塊，對(duì)阻塞故障信號(hào)進(jìn)行初步的劃分與處理，再借助通信鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)，完成對(duì)已篩選信號(hào)參量的擬合與檢測(cè)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

按照大數(shù)據(jù)CPU 主板連接、轉(zhuǎn)發(fā)故障診斷模塊協(xié)調(diào)、耦合檢測(cè)電路接入的處理流程，完成通信網(wǎng)絡(luò)阻塞故障檢測(cè)系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境搭建，具體操作方法如下。

1.1 大數(shù)據(jù)CPU主板

大數(shù)據(jù)CPU 主板負(fù)責(zé)處理通信網(wǎng)絡(luò)中的阻塞故障信息，由SSI 芯片、MSI 芯片、CPU 芯片3 類應(yīng)用架構(gòu)共同組成。其中，SSI 芯片可維護(hù)通信網(wǎng)絡(luò)中的信息平衡狀態(tài)，一方面對(duì)各項(xiàng)阻塞故障數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與打包處理，另一方面也可避免傳輸信息參量出現(xiàn)明顯堆積的表現(xiàn)行為[2]。MSI 芯片則具備較好的信息上傳能力，可在控制阻塞故障數(shù)據(jù)傳輸速率的同時(shí)，將集合成包狀的信息參量再次打散成隨機(jī)分布狀態(tài)。CPU 芯片負(fù)責(zé)與檢測(cè)系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)主機(jī)建立連接關(guān)系，通過(guò)分流阻塞故障信息的方式，使得最終檢測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)精度水平得到明顯提升[3]。

1.2 轉(zhuǎn)發(fā)故障診斷模塊

轉(zhuǎn)發(fā)故障診斷模塊可在大數(shù)據(jù)主機(jī)的作用下，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)擁塞故障信息進(jìn)行收集處理，再借助板間通信接口、命令行接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)處理動(dòng)作指令的制定。由于故障檢測(cè)定時(shí)器設(shè)備的存在，大數(shù)據(jù)決策元件可直接干預(yù)系統(tǒng)檢測(cè)處理動(dòng)作的執(zhí)行方向，且隨著待檢測(cè)擁塞故障數(shù)據(jù)傳輸量的增大，大數(shù)據(jù)決策元件的處理能力也會(huì)逐漸增強(qiáng)，在此情況下，檢測(cè)定時(shí)器設(shè)備會(huì)啟動(dòng)其自動(dòng)計(jì)時(shí)功能，在整個(gè)計(jì)時(shí)過(guò)程中，信息收集指令與大數(shù)據(jù)決策指令都會(huì)保持連續(xù)的執(zhí)行狀態(tài)[4]。為避免通信網(wǎng)絡(luò)中的擁塞故障數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯堆積行為，轉(zhuǎn)發(fā)診斷模塊在系統(tǒng)執(zhí)行過(guò)程中始終具備較強(qiáng)的應(yīng)用能力[5]。轉(zhuǎn)發(fā)故障診斷模塊結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 轉(zhuǎn)發(fā)故障診斷模塊結(jié)構(gòu)

1.3 耦合檢測(cè)電路

耦合檢測(cè)電路具備較強(qiáng)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換能力，可在IN 輸入端與OUT 輸出端之間，借助大數(shù)據(jù)主機(jī)，將通信網(wǎng)絡(luò)擁塞故障信號(hào)轉(zhuǎn)換成連貫的電量傳輸信號(hào)，并可在多個(gè)耦合處理器元件的作用下，將這些電量信號(hào)以傳輸電壓的形式分配至下級(jí)電阻元件設(shè)備之中[6]。一般情況下，一個(gè)完整的耦合檢測(cè)電路中應(yīng)同時(shí)包含多個(gè)耦合處理器元件，其中一部分元件設(shè)備用于進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)擁塞故障信號(hào)的轉(zhuǎn)換處理，另一部分元件設(shè)備則可根據(jù)電阻結(jié)構(gòu)兩端的電壓分配值水平，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)中已存儲(chǔ)的擁塞故障信息進(jìn)行提取，從而使得系統(tǒng)檢測(cè)主機(jī)能夠在單位時(shí)間內(nèi)，獲得最多的感應(yīng)信號(hào)參量[7]。耦合檢測(cè)電路如圖2 所示。

圖2 耦合檢測(cè)電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在各級(jí)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)體系的支持下，按照通信鎖相環(huán)連接、阻塞故障信號(hào)擬合、故障檢測(cè)性質(zhì)判定的處理流程，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件執(zhí)行環(huán)境搭建，軟、硬件設(shè)計(jì)相結(jié)合，完成基于大數(shù)據(jù)的通信網(wǎng)絡(luò)阻塞故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 通信鎖相環(huán)

通信鎖相環(huán)具備較強(qiáng)的故障信號(hào)復(fù)位能力，可在大數(shù)據(jù)CPU 主板元件的作用下，建立一個(gè)完整的閉環(huán)結(jié)構(gòu)體，且可在數(shù)據(jù)信息的初始輸入節(jié)點(diǎn)處設(shè)置嚴(yán)格的判別條件，從而避免通信網(wǎng)絡(luò)擁塞故障信息在同一時(shí)間內(nèi)全部輸入同一大數(shù)據(jù)信道中，從而較好地緩解了通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中存在的數(shù)據(jù)信息堆積情況[8]。在復(fù)位形態(tài)下，通信鎖相環(huán)對(duì)應(yīng)大數(shù)據(jù)主機(jī)的順向傳輸形式，此時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)完全開(kāi)放的連接狀態(tài)，各級(jí)擁塞故障信息可快速由系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)主機(jī)進(jìn)入下級(jí)傳輸信道，實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)別節(jié)點(diǎn)處數(shù)據(jù)信息錯(cuò)傳行為的準(zhǔn)確感知與檢測(cè)[9]。設(shè)q0代表鎖相環(huán)初始通信節(jié)點(diǎn)處的數(shù)據(jù)判別條件，qn代表鎖相環(huán)終止通信節(jié)點(diǎn)處的數(shù)據(jù)判別條件，n代表?yè)砣收闲畔⒌膫鬏數(shù)螖?shù)值，聯(lián)立上述物理量，可將通信鎖相環(huán)的描述表達(dá)式定義為：

其中，x1代表第一個(gè)擁塞故障信息參量，xn代表第n個(gè)擁塞故障信息參量，β代表大數(shù)據(jù)通信系數(shù)，f代表既定的擁塞故障信息通信上傳指標(biāo)，Pˉ代表單位時(shí)間內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)擁塞故障信息檢測(cè)均值。

2.2 阻塞故障信號(hào)擬合

阻塞故障信號(hào)擬合是一個(gè)完全閉合的數(shù)據(jù)參量處理環(huán)節(jié)，可在已知通信鎖相環(huán)定義條件的基礎(chǔ)上，將已存儲(chǔ)的信息參量分割成多個(gè)結(jié)構(gòu)性文件，再借助系統(tǒng)檢測(cè)信道，實(shí)現(xiàn)對(duì)這些文件信息的傳輸與反饋[10]。在不考慮其他干擾條件的情況下，通信網(wǎng)絡(luò)中的阻塞故障信號(hào)擬合結(jié)果只受到數(shù)據(jù)信息檢測(cè)判別權(quán)限這一項(xiàng)物理指標(biāo)的直接影響[11]。數(shù)據(jù)信息檢測(cè)判別權(quán)限在既定檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)中，始終表現(xiàn)為階段性變化量，且隨著大數(shù)據(jù)主機(jī)應(yīng)用能力的增強(qiáng)，轉(zhuǎn)發(fā)故障診斷模塊所需處理的擁塞信號(hào)量水平也在不斷增大，但在此情況下，使判別權(quán)限指標(biāo)趨于最小參量數(shù)值ΔE，即可獲得最為準(zhǔn)確的檢測(cè)系統(tǒng)阻塞故障信號(hào)擬合處理結(jié)果[12]。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（1），可將阻塞故障信號(hào)擬合結(jié)果表示為：

其中，smin代表最小的擁塞故障信息分割系數(shù)，smax代表最大的擁塞故障信息分割系數(shù)，D1代表第一個(gè)信號(hào)擬合權(quán)限項(xiàng)，Dn代表第n個(gè)信號(hào)擬合權(quán)限項(xiàng)。

2.3 故障檢測(cè)性質(zhì)判定

故障檢測(cè)性質(zhì)判定行為決定了大數(shù)據(jù)主機(jī)對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性傳輸能力的維護(hù)強(qiáng)度[13]，一般情況下，檢測(cè)主機(jī)所判定出的擁塞故障信息性質(zhì)越穩(wěn)定，系統(tǒng)所具備的信號(hào)處理能力也就越強(qiáng)[14]。規(guī)定hˉ表示通信網(wǎng)絡(luò)在單位時(shí)間內(nèi)所能接收到的擁塞故障信息數(shù)據(jù)量均值，一般情況下，該項(xiàng)物理量的數(shù)值水平越高，與大數(shù)據(jù)主機(jī)匹配的故障檢測(cè)性質(zhì)判定結(jié)果也就更為準(zhǔn)確[15]。v代表基于大數(shù)據(jù)體系的傳輸數(shù)據(jù)量判別條件，受到其他物理系數(shù)指標(biāo)的影響，該項(xiàng)系數(shù)值能夠決定通信網(wǎng)絡(luò)所具備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息傳輸能力，且二者直接的影響關(guān)系通常保持為正向促進(jìn)作用[16]。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（2），可將系統(tǒng)環(huán)境中的故障檢測(cè)性質(zhì)判定結(jié)果表示為：

其中，g代表通信網(wǎng)絡(luò)中阻塞故障信息的穩(wěn)定傳輸系數(shù)，d代表?yè)砣收闲畔⒌幕A(chǔ)定義項(xiàng)，d′代表參量d的補(bǔ)充說(shuō)明條件。在各級(jí)軟、硬件架構(gòu)體系的支持下，按照上述搭建流程，實(shí)現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)阻塞故障檢測(cè)系統(tǒng)的順利應(yīng)用。

3 系統(tǒng)應(yīng)用能力測(cè)試

在多臺(tái)通信主機(jī)元件的支持下，建立如圖3 所示的網(wǎng)絡(luò)連接環(huán)境，分別將基于大數(shù)據(jù)的通信網(wǎng)絡(luò)阻塞故障檢測(cè)系統(tǒng)、應(yīng)答型檢測(cè)系統(tǒng)與其中一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)基站相連，其中前者作為實(shí)驗(yàn)組，后者作為對(duì)照組。同時(shí)閉合實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組連接按鈕，記錄第三方通信主機(jī)中相關(guān)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的實(shí)際數(shù)值變化形式[17]。

圖3 通信網(wǎng)絡(luò)連接原理

UPR、UQR 指標(biāo)均能反映基站主機(jī)對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)阻塞故障行為的修復(fù)能力，一般情況下，兩項(xiàng)指標(biāo)參量的數(shù)值水平越高，基站主機(jī)對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)阻塞故障行為的修復(fù)能力也就越強(qiáng)。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)值變化情況如下，UPR 指標(biāo)對(duì)比如表1 所示，UQR 指標(biāo)對(duì)比如表2 所示。

表1 UPR指標(biāo)對(duì)比

表2 UQR指標(biāo)對(duì)比

表1 中，實(shí)驗(yàn)組UPR 指標(biāo)保持先上升再下降的數(shù)值變化趨勢(shì)；表2 中，實(shí)驗(yàn)組UQR 指標(biāo)則保持階梯狀上升的數(shù)值變化狀態(tài)；而表1 中，對(duì)照組UPR 指標(biāo)則保持先連續(xù)下降再持續(xù)穩(wěn)定的數(shù)值變化趨勢(shì)；表2 中，對(duì)照組UQR 指標(biāo)則保持連續(xù)上升的數(shù)值變化趨勢(shì)，但實(shí)驗(yàn)后期的數(shù)值上升幅度則明顯小于實(shí)驗(yàn)前期。

從極限值角度來(lái)看，實(shí)驗(yàn)組的最大數(shù)值結(jié)果達(dá)到了76.1%，而對(duì)照組的最大數(shù)值結(jié)果卻僅能達(dá)到41.6%，與實(shí)驗(yàn)組數(shù)值水平相比，下降了34.5%。

總結(jié)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)值可知，基于大數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)阻塞故障檢測(cè)系統(tǒng)的UPR 指標(biāo)與UQR 指標(biāo)數(shù)值水平明顯更高，符合較好修復(fù)通信網(wǎng)絡(luò)阻塞故障行為的實(shí)際應(yīng)用需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

與應(yīng)答型檢測(cè)系統(tǒng)相比，大數(shù)據(jù)體系可針對(duì)CPU 主板連接能力進(jìn)行改進(jìn)，且由于轉(zhuǎn)發(fā)故障診斷模塊、耦合檢測(cè)電路的存在，通信鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)可得到完美閉合，不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)阻塞故障信號(hào)的擬合處理，也可得到更為準(zhǔn)確的故障檢測(cè)性質(zhì)判定結(jié)果。從實(shí)用性角度來(lái)看，UPR 指標(biāo)與UQR 指標(biāo)數(shù)值水平的提升，足以說(shuō)明基站主機(jī)在通信網(wǎng)絡(luò)阻塞故障行為修復(fù)方面具備較強(qiáng)的應(yīng)用能力，不僅可以較好地解決通信網(wǎng)絡(luò)的阻塞故障問(wèn)題，也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)使用環(huán)境的穩(wěn)定性與平衡性維護(hù)。