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用于无线数据传输系统的实时优化工具：应用于Campi Flegrei（意大利）火山监视
G.Farpato\，AM Esposito\，T.Caputo\，M.Orazi\和C.Martino\\Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia，Osservatorio Vesuviano
摘要 - 本文介绍了支持Campi Flegrei火山区多参数地球物理监测网络的综合无线网络的设计和实施。 无线网络配备了用于实时监控和故障检测的工具。 鉴于对地震监测的需求日益增加，这是传输系统相对于之前现有传输系统的增强，这是为科学目的钻探探测井的结果。 考虑到与实验相关的高地震风险和危害，其目标是提高最近部署的传输系统在可用性和可靠性方面的性能。 由于采用了自动化监测工具，系统的可用性显着增加，并且连接质量得到了改善。
关键词 - 地震监测; 无线传感器网络; HIPERLAN; 分布式测量系统; java编码; 优化; 即时的; 火山; Campi Flegrei。
Ⅰ 介绍
Campi Flegrei是意大利南部的一座活火山。 它的主要结构Campi Flegrei是一个火山口，一个包含几个喷发中心的大凹陷。 过去30年来，1970 - 72年至1982 - 84年间发生了两次主要动荡危机，在此期间观察到总体地面抬升约3.5米。 这种现象称为bradyseism [4]，通常伴随着低量级的地震活动[5]。 此外，从2005年起，观测到大地和地球化学变化[6]，如CO2浓度可能表明增压系统[2]。
与当前支持多参数网络的传输系统相比，所提出的无线子网能够提高速度，实时可用性，可靠性和可用带宽方面的性能。 鉴于小地理区域内的传感器集中度较高，例如实验发生的地震区域，并且考虑到与钻井相关的危险，因此有必要提供更高的带宽和传输以增加正常运行时间和可靠性。
由于上述因素以及该地区人口密度高，监测这一地区至关重要。 该区域的概率性地震危险性分析已经完成[3]，其中一些研究项目，其中Campi Flegrei深层钻探项目（CFDDP）[7]已在Campi Flegrei进行，旨在减轻高火山风险。
对于火山监测目的而言，基本的数据传输系统要求是连续性的，可以用可用性和稳健性来表示。 可用性保证了实时连续监测，而鲁棒性确保了故障容错[12]。
Campi Flegrei地区的地震监测是通过由13个地震台站，两个次声波传感器和三台膨胀计组成的多参数传感器网络实现的。 该网络几何结构可以准确定位地震事件[8]。 比如一个网络是由模拟和数字仪器组成的。 第一种类型是一组传感器，用于随着时间的推移将土壤的速度改变为调制FM载波大约400MHz的电压。 该载波在中间采集中心接收并解调，然后由National Instruments 16bit 64通道板以100Hz的采样频率数字化。 第二种类型由速度计传感器组成，其输出电压通过100 cps的24位4通道数据记录仪在本地数字化，数据流然后通过指示的数字传输系统传输。
实际上，主传输系统基于5GHz（802.11h）技术，原因如下：
- 频率在5GHz附近的频带不受2.4GHz范围内的干扰影响;
- 无线电设备在5GHz运行时，具有较高的接收灵敏度，这可以降低传输功率，而不会降低链路的性能，但会改善它们。
- 根据目前的立法，在5470-5725 MHz频段，我们有：
- EIRP：1W
- 允许在建筑物内外使用
- TPC和DFS必需
本文介绍了实现新的实时监控工具的设计和实现，以增加网络系统的可用性，稳健性和服务质量。 本文是[18]的扩展版本，其中介绍了旨在支持实时传输采集数据的网络系统。 还介绍了对网络系统性能所取得的和可实现的改进的定量评估。
本文组织如下：第二节描述了网络系统和集成无线网络; 第三节介绍了实时网络监测工具，第四节给出了结论。
- 网络系统体系结构
整个联网系统是一个混合系统，由以下部分组成：（i）400MHz左右UHF频段的模拟无线电链路，具有许可频率，将逐渐取代更先进的系统; （ii）400MHz左右UHF频段的数字无线电链路，具有许可频率; （iii）ADSL媒体上的虚拟专用网络（VPN）; （iv）地震模拟站的模拟直接电路; （v）用于从中间数据中心到监控中心的数据共享的数字直接电路; 和（vi）WiFi / Hiperlan无线电桥，具有高带宽容量，可快速确保采集和监测中心聚集数据的流量增加。
在网络的设计阶段，重要的是适当选择其结构所用的拓扑结构互连网络的节点。 有不同的拓扑，每个拓扑都适合或不适合特定的需求[10] - [13]。
例如，在Savazzi等人，2008年，无线地震检波器网络（WGN）是基于无线地震检波器实现的，可确保数据传输和自我定位。 尽管如此，斯旺森等人。 （2007）开发了一个数字无线地震监测网络，收集西科罗拉多州与采矿相关的地震活动的背景数据，并实施危害监测工具。 此外，Savazzi等人，2011年提出了针对无线采集量身定制的数据压缩系统，其中无缆接收器通过多跳拓扑连接，从而使地震迹线编码最佳地利用数据的时间和空间一致性来最大化冗余。
在我们的上下文中，我们考虑使用点对点拓扑结构，它提供了使用彼此直接相连的多个节点来交换信息。 特别是，在可能的点对点拓扑结构中，尽可能使用网状结构或不完全连接的网状结构。 该拓扑结构使用物理冗余的概念，因为它连接许多节点以获得通过网络的多条路径。 有利的是，这种网状拓扑网络非常可靠，因为在一个或多个通信链路发生拥塞或故障的情况下，数据业务可以被重定向到不同的路径。 然而，这种可靠性水平涉及复杂性和高成本方面的价格。
图1显示了整个监控和传输网络的拓扑结构。 红色符号特别指Hiperlan网络。 黄线表示（模拟）400MHz调频广播系统，红线表示数字传输系统Hiperlan，黄色方块表示ADSL服务覆盖的站点。
图2显示了网络拓扑结构，我们可以看到每个链路的特征，包括节点之间的距离和最大带宽。
此外，Savazzi [25] - [26]网络需要对传输和接收进行数据压缩和编码，我们的方法对于INGV网络并不需要实现。 这里采用的网络拓扑不是“总线”类型，其中每个节点增加下一个节点的带宽，但它是星型和网状拓扑之间的混合。 因此，每个节点都有足够的可用带宽（不低于8 Mbps）传输数据，而无需对其进行压缩。 因此，网络的平均吞吐量在8 Mbps的（可用）带宽值上不超过500 Kbps，如图2所示。 3.这是一个设计选择，以获得稳定的链接，以避免不同的CPU时钟速度并获得所需的速率。
目前，hiperlan网络是主要地球物理监测数据的实时传输系统，并且已经使用相对低成本的系统设计和实施，基于开源固件，其使用5 GHz附近的自由频率和低功率消费。 替代解决方案由于提供商和/或许可证费用（频段占用费）或因为性能无法得到保证（例如，GSM不符合最小带宽）和对服务提供商的依赖性而被丢弃。
该网络覆盖了高度城市化地区的直径约10公里的区域。 如[1]中所述，为了说明网络性能，已经应用了基于不同统计数据的方法，如吞吐量，延迟及其标准偏差（std）和数据包丢失[14]。
特别是，我们考虑了以下质量参数：
1.实时：它表明当前传输系统的延迟时间超过几个毫秒，如前所述;
2.可用性：保证实时连续监测;
3.稳健性：由传输，采集和显示系统组成的整体监控系统对故障具有内在的稳健性。 事实上，此次收购旨在让中间数据采集系统具备在一个小时自治范围内对所有波形进行循环排队的功能。
因此，如果传输系统在一个小于1小时的时间间隔内中断，则可以从主数据采集中心重建数据而不会中断。 由于监控系统和传输系统的反馈，这一方面由高可用性保证。 唯一的缺点是缓冲数据的重建不能实时进行。通过使用10天的观测窗口和60周期的50个回波的传输进行测量，似乎CB01节点的最高标准偏差和最高平均RTT（见图3）的最大值不超过2.7 ms和0.2 ms。 此外，接入点节点的最高数据包丢失的最大值不超过0.47％。
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- 无线子网
整个地球物理监测网络由四个主要部分组成：
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- 传感器：速度计，加速度计，GPS接收器，倾斜计，潮汐计，热像仪。
- 数字化系统：在某些情况下，它与传感器重合，例如参见GPS传感器或热像仪; 在其他情况下，还有实时ADC，它通过以太网在位流中将传感器输出的电压信号数字化。
- 数据传输系统，如上所述。
- 在监控室实时采集系统，存储和可视化：本节由基于Linux的高可靠性服务器系统组成，具有“书面内部”软件，用于采集通过数字化，存储和处理生成的数据流监测室，以及一些用于地球物理数据交换的软件，如蚯蚓。
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该子网的目的是改善和增加对实现探井的限制区域的观察。 这样可以更好地定位由钻井引起的潜在地震事件，以监测暴露于实验的区域的可能的地面变形，并且实时观察任何气体排放物及其浓度，以便保护人口。
传感器或站点的子网已经放置在那不勒斯Bagnoli的“Italsider”区域附近。 它由一个Hiperlan传输系统组成，在INGV-NA监控中心和位于“Lacittagrave;della scienza”的旧废弃烟囱之间建立了骨干网络，高度约30米，覆盖面积为90°。
站端传输系统是一个标准的“接入点”hiperlan，由一个无线设备组成，可用于2.4 GHz和5 GHz等可用频段。 该设备可以连接到任何类型的天线（指令，扇形，全向等）。
图1： Campi Flegrei的多参数监测网络。
图2：网络拓扑架构。
在我们的例子中，使用了一个扇区天线，其特征在于15 dB的增益和90°的水平面开口。 限制发射功率的可能性允许使用高增益天线而不辐射比法律允许的更多的能量。
考虑到WiFi在家庭和小型企业中的强大部署，该网络虽然在未经许可的频段工作，但其频率在5 GHz左右，延伸到人口稠密的地区，然后受到严重的电磁污染[17]。 这就是为什么使用低功耗设备的原因：每个工作站都有基于太阳能电池板和电池的自主电源系统。 这样的选择也可以使运营成本保持在较低水平，从而实现高质量价格比。 随着低功耗，网络设备已被选择/配置为具有以下特征：模块化，能够根据需要添加额外的无线电模块（2.4和/或5 GHz）; 对极端酸性地区和高温天气条件的可靠性; 和计算机安全，即除了传统的无线物理介质上的保护认证系统之外，还实现了基于Unix内核的安全性的各个方面，如IP表。
特别是用于点对点骨干网的设备由一个铝壳IP67组成。 在里面如果安装了主板，则将RouterOS [9]作为基于Unix的操作系统[18]。 通过这种方式，可以从天气条件获得最大的保护，确保运行的稳健性和可靠性。
每个工作站都配备了Episensor ES-T类别的地震加速度传感器和采集板A /D，外壳采用防护等级IP67，输出为RS232串流，转换为TCP数据包。 数据传输通过RB433AH路由器板的无线链路来保证，与数字化仪的RS232端口连接，将RS232数据流转换成TCP / IP数据包。
地震传感器EpiSensor ES-T [11]由Kinemetrics公司制造，是一种带有三个正交分量的FBA（力平衡加速度计）型加速度计。 FBA是基于力平衡的原理，通过一系列反作用力（反馈），施加一个与土壤加速度成正比的力。 与速度计不同的是，这些工具能够在事件附近记录强运动，因为它们的动态范围很高而没有饱和。 响应曲线从0到200 Hz。 所有设备都独立于能源点
图5.在4小时记录的窗口中显示了间歇传输（红色圆圈）和长时间中断（由蓝色箭头指向）的示例，其中每行是一个10分钟的信号。
- 实时网络监控
无线网络配备了具有用户友好界面的实时网络监控工具。 监控系统的目标有两个：（i）跟踪骨干网络流量的统计数据，以便实现基线和网络管理;（ii）实时预防和修复可能出现的网络问题，例如由于网络设备故障和/或信道内和相邻信道干扰引起的服务中断或吞吐量减少[21,22,23]，因此增加了系统的可用性和传输服务在这样的关键中的质量基础设施。
图5示出了在4小时记录的窗口中间隔（红色圆圈）或长时间中断（由蓝色箭头指示）传输的示例，其中每行是10分钟的信号。 除非由于传输设备故障，这种情况通常可以通过自动调谐或重置过程来解决。 例如由于不受控制的干扰导致的网络基础设施上的传输问题就是这种情况，这在ISM频段中相当普遍。
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- 监控系统架构
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监控系统允许记录与网络运行状况和性能相关的信息，并实时检测故障情况并尝试自动修复。
该系统的框图如图6所示。该系统以Java实现，由四个类组成，它们实现以下功能：
- 编辑模块;
- “StatusFrame”图形用户界面（GUI）;
- 多参数网络“SeismicNetwork”的状态管理;
- QoS管理和维护“NetworkStatus”。
Edit类是读取输入参数并
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资料编号：[11343]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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