隧道施工集群系統(tǒng)消息服務(wù)功能設(shè)計(jì)

張瑩 康志杰 牛清正 蔣國(guó)華

摘要：針對(duì)隧道施工場(chǎng)景中需實(shí)時(shí)傳輸用戶狀態(tài)、位置和短數(shù)據(jù)這一需求，基于TD-LTE寬帶集群技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款支持高并發(fā)、高可用的集群消息服務(wù)軟件。介紹了寬帶無(wú)線集群通信系統(tǒng)的總體架構(gòu)，詳細(xì)描述了集群消息服務(wù)軟件整體架構(gòu)及軟件實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的集群消息服務(wù)軟件可有效滿足上述集群消息通信需求。

關(guān)鍵詞：集群通信；消息服務(wù)；高并發(fā)

中圖分類號(hào)：TN929.52文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2023）02-52-5

0引言

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)交通行業(yè)的快速發(fā)展，全國(guó)隧道建設(shè)規(guī)?？涨?，取得了舉世矚目的成果。但與此同時(shí)，隧道建設(shè)期間頻繁發(fā)生的安全生產(chǎn)事故，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成了重大威脅。TD-LTE寬帶無(wú)線集群通信系統(tǒng)以其高速率、高頻譜效率和低時(shí)延等諸多優(yōu)點(diǎn)，在政務(wù)、應(yīng)急、公安和軌道交通等行業(yè)應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-2]。集群消息服務(wù)作為集群通信系統(tǒng)基礎(chǔ)功能的重要組成部分，在集群通信系統(tǒng)中，發(fā)揮著重要作用。除基本的短消息功能外，終端位置上報(bào)、狀態(tài)上報(bào)和多媒體短消息等功能均需依托集群消息服務(wù)完成?；谝陨险撌觯疚奶岢鲆环N高可用、高效的集群消息服務(wù)軟件實(shí)現(xiàn)方案。通過(guò)搭建TD-LTE無(wú)線集群通信系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境，對(duì)本文設(shè)計(jì)的集群消息服務(wù)軟件的功能和性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

1總體設(shè)計(jì)

1.1寬帶集群核心網(wǎng)

TD-LTE寬帶集群核心網(wǎng)為寬帶集群系統(tǒng)提供終端接入、呼叫控制、消息服務(wù)和資源管理等功能，主要由eMME，eHSS，eSGW，ePGW，TCF五部分組成[3]。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

各部分功能如下：

①eMME：終端接入控制管理實(shí)體，負(fù)責(zé)終端接入控制和承載管理；

②eSGW/ePGW：終端數(shù)據(jù)接入網(wǎng)關(guān)；

③eHSS：系統(tǒng)用戶簽約數(shù)據(jù)中心，負(fù)責(zé)用戶簽約數(shù)據(jù)管理和用戶鑒權(quán)；

④TCF：集群功能控制管理實(shí)體，負(fù)責(zé)呼叫/短消息等集群功能邏輯控制。

本文提出的集群消息服務(wù)為TCF的重要組成部分，為集群通信系統(tǒng)提供短消息轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。

1.2消息服務(wù)功能實(shí)體軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

集群消息服務(wù)作為集群功能的重要組成部分，主要功能包括文本/多媒體短消息轉(zhuǎn)發(fā)、終端位置上報(bào)和狀態(tài)上報(bào)等。以上功能除文本短消息和多媒體短消息外，均對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性具有一定要求，因此該集群消息服務(wù)需具備高效的處理能力。根據(jù)上述內(nèi)容，設(shè)計(jì)集群消息服務(wù)軟件架構(gòu)如圖2所示。

本軟件由不同功能模塊組成，通過(guò)各功能模塊協(xié)調(diào)配合完成消息轉(zhuǎn)發(fā)功能。具體功能模塊介紹如下：

①配置管理模塊：連接外部網(wǎng)管設(shè)備，負(fù)責(zé)軟件配置、告警等消息處理等；

②信令收發(fā)模塊：與外部通信，負(fù)責(zé)信令收、發(fā)及傳輸鏈路管理；

③消息預(yù)處理模塊：對(duì)接收到的消息進(jìn)行分類預(yù)處理，完成后交由相應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)處理模塊處理；

④消息鑒權(quán)、處理、轉(zhuǎn)發(fā)模塊：負(fù)責(zé)對(duì)消息收發(fā)用戶進(jìn)行鑒權(quán)、狀態(tài)查詢和轉(zhuǎn)發(fā)等處理；

⑤服務(wù)高可用模塊：配合外部HAF高可用設(shè)備提供數(shù)據(jù)冗余、角色切換等高可用服務(wù)；

⑥D(zhuǎn)B數(shù)據(jù)模塊：負(fù)責(zé)處理轉(zhuǎn)發(fā)失敗的消息存儲(chǔ)、維護(hù)工作。

本軟件采用單進(jìn)程、多線程模式。其中配置管理模塊、高可用模塊、信令收發(fā)模塊和消息預(yù)處理模塊位于主線程；消息鑒權(quán)轉(zhuǎn)發(fā)模塊位于工作線程；DB數(shù)據(jù)模塊位于數(shù)據(jù)處理線程。

1.3關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)計(jì)

1.3.1高并發(fā)處理

當(dāng)系統(tǒng)大量終端用戶同時(shí)在線時(shí)，系統(tǒng)需準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)獲取終端位置等信息，進(jìn)行位置、狀態(tài)顯示。在系統(tǒng)處于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，多終端同時(shí)周期性地進(jìn)行位置、狀態(tài)等信息上報(bào)，對(duì)集群消息服務(wù)軟件的并發(fā)處理能力有較高要求。

針對(duì)上述需求，軟件設(shè)計(jì)采用高并發(fā)處理架構(gòu)。

①多線程處理工作模式

本軟件采用多線程處理工作模式，對(duì)系統(tǒng)并發(fā)消息進(jìn)行負(fù)載均衡處理，如圖3所示。短消息在轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中，系統(tǒng)內(nèi)采用統(tǒng)一Event_id對(duì)其進(jìn)行標(biāo)識(shí)。因此，可以通過(guò)對(duì)Event_id進(jìn)行處理，將不同Event_id標(biāo)識(shí)的短消息映射到不同的工作線程進(jìn)行消息的轉(zhuǎn)發(fā)處理，達(dá)到負(fù)載均衡效果[4]。

②負(fù)載均衡策略

在系統(tǒng)內(nèi)，Event_id取值為32位整形數(shù)據(jù)，消息服務(wù)軟件配置工作線程個(gè)數(shù)為。由于Event_id采用遞增的分配方式，用工作線程個(gè)數(shù)除Event_id，取余數(shù)作為工作線程編號(hào)CEI，即可有效實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡處理。CEI與工作線程的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。