CN109818686B - 一种基于多信道融合的数据可靠传输系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于多信道融合的数据可靠传输系统，所述系统包括源端和目的端，所述源端包括信道链路监测装置、信道多路复用装置、信道融合分包装置、信道融合确认装置；所述目的端包括信道融合应答装置；其中，所述信道链路监测装置检测第一信道的通讯状态是否存在异常；如果第一信道出现异常，则由信道多路复用装置选择第二信道继续传输数据，所述信道融合分包装置对数据进行分包操作以进行数据传输；所述源端通过所述第二信道发送数据后，目的端的信道融合应答装置对数据进行接收和反馈；所述信道融合确认装置根据所述反馈确认数据传输结果。本发明实时优化多信道传输机制，提高多信道网络中数据传输的实时性能、提高数据传输的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及窄带网络下的数据通讯技术领域，具体涉及一种基于多信道融合的数据可靠传输系统及方法。
背景技术
窄带网络环境下的数据通讯，大多是采用基于单一信道的数据传输模式；即使是多种通信信道并存，各信道间数据传输也是相互独立的，如图1所示。
例如，中国实用新型专利公开号CN206350172U公开了一种综合多信道接入适配器设备，包括为设备供电的电源模块，还包括主控芯片，所述主控芯片连接有接口电路，所述接口电路包括信道口、遥控口、LAN口、三个串口、miniPCIE接口，所其中两个串口连接短波建链模块和短波传输模块，所述接口电路的第三个串口还连接有有线传输模块，所述接口电路的LAN口连接有WiFi路由交换模块，所述接口电路的miniPCIE接口连接有无线通讯模块。
再例如，中国实用新型专利公开号CN204557780U公开了一种低功耗多信道的无线数据传输模块，包括微处理器芯片、电源控制芯片、通信模块组件，所述通信模块组件包括移动通信模块、北斗通信模块、局域网间通信模块，所述局域网间通信模块包括ZigBee通信模块、WIFI通信模块、蓝牙通信模块、红外通信模块。所述微处理器芯片与通信模块组件中的各个模块相连，同时微处理器芯片通过电源控制芯片控制通信模块组件中的各个模块的电源通断。所述微处理器芯片通过串行数据通信接口与外部终端设备以及通信模块组件进行通信连接。
现有传输模式存在以下的问题：
1)单一信道通讯故障或中断时，跨信道传输转换，需要人工干预、系统切换等辅助，造成数据传输的延续存在延迟，不是实时的；
2)跨信道的数据传输，存在丢包、重包的问题，可靠性得不到保障；
3)当主信道通讯恢复时，也需要人工判断和人工干预，回到原始信道上进行传输；
4)传输过程中，存在数据丢失的问题(上个信道传输了部分数据)、数据传输重复(后续信道传输了上个信道已经传输的数据)的问题。
这种故障或缺点，特别是在某些关键场景和领域，如军事管控指令、战场临场指挥，对数据传输的可达性、可靠性、实时性都有非常高的要求。
如何提高多信道融合通讯环境中，数据传输的实时性和可靠性，是当前面临的一个难题。
发明内容
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于多信道融合的数据可靠传输系统，
所述系统包括源端和目的端，所述源端包括信道链路监测装置、信道多路复用装置、信道融合分包装置、信道融合确认装置；所述目的端包括信道融合应答装置；其中，
所述信道链路监测装置检测第一信道的通讯状态是否存在异常；如果第一信道出现异常，则由信道多路复用装置选择第二信道继续传输数据，所述信道融合分包装置对数据进行分包操作以进行数据传输；所述源端通过所述第二信道发送数据后，目的端的信道融合应答装置对数据进行接收和反馈；所述信道融合确认装置根据所述反馈确认数据传输结果。
优选的，所述第一信道和第二信道为两种不同的窄带通讯方式。
优选的，所述窄带通讯方式包括低带宽卫星通信信道、短波信道、北斗信道。
优选的，所述信道链路监测装置检测第一信道的通讯状态是否存在异常，包括：
收集每个信道的发送端和接收端端口的状态信息；
将每个信道的发送端和接收端端口的状态信息进行比较，根据比较结果确定是否存在故障。
优选的，所述端口的状态信息包括以下至少一个：信道信号强度、端口类型、连接状态、工作模式、自协商结果和全球端口名称地址、链路两端的端口速率是否一致、是否能够从一个端口正确获取对端的WWPN号。
优选的，对每个信道的信号强度设置阈值，当该信道的信号强度低于该阈值时，就切换到其他信道进行传输。
优选的，所述阈值是大数据经过深度神经网络训练后获得，所采用的深度神经网络基于LSTM模型，所述LSTM模型为串联的LSTM模型，所述LSTM模型位于RNN模型的隐藏层。
优选的，所述信道多路复用装置，根据每个信道的多路复用结果，保存每个信道的多路复用因子，所述多路复用因子包含数据包大小上限、数据发送频率、各信道的顺序排列。
优选的，所述信道融合分包装置根据每个信道是否可用进行数据分包，所述数据分包基于数据存储区的信道编码、数据编号、数据索引、应答区信息。
优选的，所述数据分包采用如下方法：记属于同一原始数据包的两子包分别为Za与Zp，记不属于同一原始数据包的子为Zn，则分割函数为：
其中，N为Za、Zp、Zn三元组的总数，fw为提取特征的深度网络，||·||2表示欧氏距离，β是预先设定好的间隔常数，P()表示Zp与Zn出现的概率，表示为：
其中，func1()表示距离函数，包括余弦距离。
本发明的优点在于：
(1)提出了多信道融合的数据传输技术方案，实时优化多信道传输机制，提高多信道网络中数据传输的实时性能、提高数据传输的可靠性。
(2)智能维护各信道的链路状态、并为各信道设置优先级、可靠性等质量属性，提供信道链路的自动维护和自动切换，无需人工干预，提高信道状态甄别的实时性；
(3)基于窄带信道传输时，提供智能数据分包机制，提高了待传输数据对不同或多种信道的动态适应性；
(4)数据传输提供了应答确认、超时重发和故障重发机制，保障了数据传输的可靠性；应答确认机制是支持跨信道的，并不局限于单一信道，最大限度的节省带宽、确保数据传输可靠性；
(5)多信道融合通讯环境中，支持多类信道、某类信道也支持多个，实现单类信道的多路复用，以提高单类信道的传输频率和传输量。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
附图1示出了现有技术中的窄带网络环境下的多信道数据传输示意图。
附图2示出了本发明一种基于多信道融合的数据可靠传输系统结构示意图。
附图3示出了本发明一种基于多信道融合的数据可靠传输方法流程图。
附图4示出了本发明信道多路复用装置的工作流程图。
附图5示出了本发明信道融合分包装置的工作流程图。
附图6示出了本发明信道融合确认装置的工作流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图2所示，为本发明的一种基于多信道融合的数据可靠传输系统结构示意图。所述系统包括源端和目的端，所述源端完成数据发送和应答接收，包括信道链路监测装置、信道多路复用装置、信道融合分包装置、信道融合确认装置；所述目的端也完成数据发送和应答接收，包括信道融合应答装置。所述信道链路监测装置检测第一信道的通讯状态是否存在异常；如果第一信道出现异常，则由信道多路复用装置选择第二信道继续传输数据，所述信道融合分包装置对数据进行分包操作以进行数据传输；所述源端通过所述第二信道发送数据后，目的端的信道融合应答装置对数据进行接收和反馈；所述信道融合确认装置根据所述反馈确认数据传输结果。
数据通信在源端和目的端完成信道融合和应用融合。如图2所示，本发明的信道包括多种不同的窄带通讯方式，至少包括低带宽卫星通信信道、短波信道、北斗信道等。
卫星通信也称多媒体卫星通信，指的是通过卫星进行语音、数据、图像和视像的处理和传送。因为卫星通信系统的带宽远小于光纤线路，所以几十兆比特每秒就称为宽带通信了。
短波通信又称高频(HF)通信，使用频率范围为3-30MHz，主要利用天波经电离层反射后，无需建立中继站即可实现远距离通信。短波通信系统由发信机、发信天线、收信机、收信天线和各种终端设备组成。发信机前级和收信机现已全固态化、小型化。发信天线多采用宽带的同相水平，菱形或对数周期天线，收信天线还可使用鱼骨形和可调的环形天线阵。终端设备的主要作用是使收发支路的四线系统与常用的二线系统衔接时，增加回声损耗防止振鸣，并提供压扩功能。
北斗卫星导航系统由空间段计划由35颗卫星组成，包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星。5颗静止轨道卫星定点位置为东经58.75°、80°、110.5°、140°、160°，中地球轨道卫星运行在3个轨道面上，轨道面之间为相隔120°均匀分布。至2012年底北斗亚太区域导航正式开通时，已为正式系统在西昌卫星发射中心发射了16颗卫星，其中14颗组网并提供服务，分别为5颗静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星(均在倾角55°的轨道面上)，4颗中地球轨道卫星(均在倾角55°的轨道面上)。35颗卫星在离地面2万多千米的高空上，以固定的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。由于卫星的位置精确可知，在接收机对卫星观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。
如图3所示，本发明的一种基于多信道融合的数据可靠传输方法流程图。首先，待发送数据经过信道链路监测装置的监测，确认当前通讯状态是否正常，是否存在故障；然后，当某个信道故障或者出现异常时，选择其他信道中的某个信道继续传输数据，其中传输数据的过程中经多路复用计算、融合分包计算可以对数据进行分包操作，从而优化数据传输效率；源端通过新信道发送数据后，目的端的信道融合应答装置对数据进行接收和确认，如果数据无法确认则延时重发当前的数据，如果确认数据发送成功则继续发送新的数据。
以下依次介绍本发明各个装置的工作原理及方法：
1、信道链路监测装置
本发明中，所述信道链路监测装置，用于监测多个信道的数据通讯状态。所述监测包括两个步骤：一、收集每个信道的发送端和接收端端口的状态信息。其中，所述端口的状态信息包括以下至少一个：信道信号强度、端口类型、连接状态、工作模式、自协商结果和全球端口名称(World Wide Port Name，简称：wwpn)地址。状态信息也可以包括其他参数，例如链路两端的端口速率是否一致，是否能够从一个端口正确获取对端的WWPN号等，本发明实施例对此不做限定。二、监测装置将每个信道的发送端和接收端端口的状态信息进行比较，根据比较结果确定是否存在故障。具体地，监测装置可以校验所有端口的状态信息是否符合预期，如果检测到实际结果不符合预期则可以确定存在故障，可以上报告警。具体实现时，例如可以将HBA卡的wwpn地址与Switch上对应端口已连接设备的地址进行比较，如果对应端口没有查询到wwpn地址说明HBA卡与Switch之间链路异常，如果wwpn地址错误说明存在误连接。也可以将存储设备控制器的wwpn地址与Switch上对应端口已连接设备的地址进行比较，如果对应端口没有查询到wwpn地址说明存储设备与Switch之间链路异常，如果wwpn地址错误说明存储设备与Switch之间没有连接光纤。并且，交换机上连接不同设备的端口类型应该不同，因此，通过判断端口类型也可以确定是否存在配置错误或者连接错误的情况。
本发明中，通过统一收集整个链路中各端口的状态信息，并通过每个信道的发送端和接收端端口的状态信息进行比较，检查所述比较结果是否符合预期，从而判断是否存在故障，相比与现有技术的检测方法，能够检测更为复杂和隐蔽的故障，从而提高网络的可靠性。
具体的，可以对每个信道的信号强度设置阈值，当该信道的信号强度低于该阈值时，就可以认为该信道传输不畅，需要切换到其他信道进行传输。所述阈值的选择可以是经验值，也可以是大数据经过深度神经网络训练后获得。所述的大数据，包括例如现有窄带通信数据库中对全球有代表性的不同地点的通讯数据记录。例如海拔、地形、气压气象、季节、气候、其他通讯影响等等。
本发明中，为提高阈值选择的准确性，在训练大数据时，所采用的深度神经网络基于LSTM模型，所述LSTM模型为串联的LSTM模型，所述LSTM模型位于RNN模型的隐藏层。LSTM(Long Short-Term Memory)是长短期记忆网络，是一种时间递归神经网络，适合于处理和预测时间序列中间隔和延迟相对较长的重要事件。LSTM已经在科技领域有了多种应用。基于LSTM的系统可以学习翻译语言、控制机器人、图像分析、文档摘要、语音识别图像识别、手写识别、控制聊天机器人、预测疾病、点击率和股票、合成音乐等等任务。
根据本发明的优选实施例，可以根据上述阈值，为每个信道设置优先级、可靠性。例如，在低带宽卫星通信信号强的区域，例如平原的人口稠密区，基于神经网络对大数据的训练得到的阈值，对低带宽卫星通信设置较高的优先级。而在通信条件较为恶劣的区域，例如船舶行驶在大海上时，低带宽卫星通信信号往往会出现问题，此时，将短波信道或北斗信道的优先级设置为较高。由此，本发明的窄带多信道通讯网络中，能够智能维护各信道的链路状态、并为各信道设置优先级、可靠性等质量属性，提供信道链路的自动维护和自动切换，无需人工干预，提高信道状态甄别的实时性。
2、信道多路复用装置
如图4所示，本发明中，所述信道多路复用装置，根据每个信道的多路复用结果，自动保存每个信道的多路复用因子。所述多路复用因子，包含数据包大小上限、数据发送频率、各信道的顺序排列等。
例如，根据本发明的优选实施例，低带宽卫星通信的数据包大小上限由于传输能力较强，可以设置的较高；而短波通信的数据包大小上限由于传输能力较弱，可以设置的较低。
又例如，根据本发明的优选实施例，低带宽卫星通信的数据发送频率由于传输能力较强，可以设置的较高；而北斗通信的数据发送频率由于传输能力较弱，可以设置的较低。
再例如，根据本发明的优选实施例，根据通常情况下的通信情况，将按照低带宽卫星信道、短波信道、北斗信道的顺序设置各个信道的优先选择顺序。
3、信道融合分包装置
如图5所示，本发明中，信道融合分包装置根据每个信道是否可用进行数据分包，所述数据分包基于数据存储区的信道编码、数据编号、数据索引、应答区等信息。
本发明基于窄带信道传输时，提供智能数据分包机制；分包机制，可以根据各信道的通讯特点，如单个消息的上限、传输时间频率等，进行个性化的数据分包，提高了待传输数据对不同或多种信道的动态适应性。
数据分包采用如下方法：记属于同一原始数据包的两子包分别为Za与Zp，记不属于同一原始数据包的子为Zn，则分割函数为：
其中，N为Za、Zp、Zn三元组的总数，fw为提取特征的深度网络，||·||2表示欧氏距离，β是预先设定好的间隔常数，P()表示Zp与Zn出现的概率，表示为：
其中，func1()表示距离函数，包括余弦距离。
4、信道融合确认装置
如图6所示，本发明中，信道融合确认装置，用于根据信道融合应答装置的反馈，首先确认应答是否超时；如果超时则通知源端进行再次发送；或者如果数据包过大则通知信道融合分包装置进行数据分包，并重新发送，直至完成待确认列表中的数据的传输；如果不超时则确认应答，通知源端继续发送新的数据包，直至完成待确认列表中的所有数据的传输。
5、信道融合应答装置
本发明中，信道融合应答装置用于对数据传输提供应答确认、超时重发和故障重发机制，保障了数据传输的可靠性；应答确认机制是支持跨信道的，并不局限于单一信道，最大限度的节省带宽、确保数据传输可靠性。
例如，发送超时是信道数据传输时的常见问题，当出现发送超时，可以先通过超时重发机制对正在传输的数据包进行重发，可以避免不必要的频繁选择新信道。
又例如，当某个信道出现故障时，对正在传输的数据使用本发明的多信道融合传输方法，重新选择一个新的信道对当前发送的数据再次进行接续传输，避免数据传输了一部分之后又得全部重新传输的情况，可以有效的提升数据传输的效率。
在本发明另外的优选实施例中，在多信道融合通讯环境中，支持多类信道、某类信道也可以支持多个，实现单类信道的多路复用，以提高单类信道的传输频率和传输量。
需要说明的是：
在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟装置或者其它设备固有相关。各种通用装置也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类装置所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的虚拟机的创建装置中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种基于多信道融合的数据可靠传输系统，其特征在于：
所述系统包括源端和目的端，所述源端包括信道链路监测装置、信道多路复用装置、信道融合分包装置、信道融合确认装置；所述目的端包括信道融合应答装置；其中，
所述信道链路监测装置检测第一信道的通讯状态是否存在异常；如果第一信道出现异常，则由信道多路复用装置选择第二信道继续传输数据，所述信道融合分包装置对数据进行分包操作以进行数据传输；所述源端通过所述第二信道发送数据后，目的端的信道融合应答装置对数据进行接收和反馈；所述信道融合确认装置根据所述反馈确认数据传输结果；
所述信道多路复用装置，根据每个信道的多路复用结果，保存每个信道的多路复用因子，所述多路复用因子包含数据包大小上限、数据发送频率、各信道的顺序排列；
所述信道融合分包装置根据每个信道是否可用进行数据分包，所述数据分包基于数据存储区的信道编码、数据编号、数据索引、应答区信息；
所述信道链路监测装置检测第一信道的通讯状态是否存在异常，包括：
收集每个信道的发送端和接收端端口的状态信息；
将每个信道的发送端和接收端端口的状态信息进行比较，根据比较结果确定是否存在故障；
所述端口的状态信息包括以下至少一个：信道信号强度、端口类型、连接状态、工作模式、自协商结果和全球端口名称地址、链路两端的端口速率是否一致、是否能够从一个端口正确获取对端的WWPN号；
对每个信道的信号强度设置阈值，当该信道的信号强度低于该阈值时，就切换到其他信道进行传输；所述阈值是大数据经过深度神经网络训练后获得，所采用的深度神经网络基于LSTM模型，所述LSTM模型为串联的LSTM模型，所述LSTM模型位于RNN模型的隐藏层；
所述数据分包采用如下方法：记属于同一原始数据包的两子包分别为Za与Zp，记不属于同一原始数据包的子为Zn，则分割函数为：
其中，N为Za、Zp、Zn三元组的总数，fw为提取特征的深度网络，||·||2表示欧氏距离，β是预先设定好的间隔常数，P()表示Zp与Zn出现的概率，表示为：
其中，func1()表示距离函数，包括余弦距离。
2.根据权利要求1所述的一种基于多信道融合的数据可靠传输系统，其特征在于：
所述第一信道和第二信道为两种不同的窄带通讯方式。
3.根据权利要求2所述的一种基于多信道融合的数据可靠传输系统，其特征在于：
所述窄带通讯方式包括低带宽卫星通信信道、短波信道、北斗信道。
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