基于有线通信的高速数据传输技术研究与优化

2024-03-25温胜华

通信电源技术 2024年1期

温胜华

（湖南省通信建设有限公司，湖南长沙 410000）

0 引言

随着信息量的爆炸式增长和云计算、物联网等新兴技术的兴起，社会各界对高速数据传输的需求也日益迫切。高速数据传输不仅影响着人们的日常生活，也直接影响着各个行业的创新与发展[1-2]。然而，随着传输速率的提升，传输过程中可能会面临丢包、延迟、拥塞等问题，这些问题会直接影响数据的完整性和实时性。通过应用基于流控制和拥塞控制的传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）优化算法，以改善数据传输的能力。文章旨在研究基于有线通信的高速数据传输技术，并以优化算法为手段，提高数据传输的速率和可靠性。

1 TCP 优化算法

1.1 TCP 原理和流控制机制

TCP 是一种面向连接的协议，用于实现可靠的数据传输。其流控制机制是通过滑动窗口协议来实现的。滑动窗口协议允许发送方根据接收方的处理能力动态调整发送数据的速率。发送方会根据接收方返回的确认字符（Acknowledge character，ACK）来判断发送速率的合适性，并根据接收方的处理能力调整窗口大小[3]。

1.2 基于流控制和拥塞控制的TCP 优化算法设计

在基于有线通信的高速数据传输中，可以结合流控制和拥塞控制的机制，设计一种性能更为优异的TCP 算法[4]。

第一步，输入目标传输速率R_target、往返时延RTT、拥塞窗口CWND 以及拥塞窗口阈值CWND_threshold；第二步，初始化CWND、CWND_threshold、发送速率R_send；第三步，当数据传输未完成时，发送数据，此时传输速率为R_send；第四步，如果数据接收到ACK，则进入流控制阶段，根据接收方的处理能力和通信网络状况动态调整拥塞窗口大小，更新CWND；否则，进入拥塞控制阶段，根据拥塞状况动态调整拥塞窗口大小和发送速率，更新CWND、R_send 和CWND_threshold；第五步，如果传输超时，需要进行快速重传和快速恢复来减少数据丢包，并等待一个RTT；第六步，输出发送速率R_send、CWND、CWND_threshold。

2 应用案例与算法评估

2.1 案例背景

将文章提出的优化算法应用于某地区输电网的监控系统，并将视频监控技术应用于输电网的实时监控，实现对输电设备运行状态的实时观察和远程控制，以便及早发现潜在的故障和问题，确保输电网稳定运行。传统的输电网监控系统面临着监控范围广、实时性要求高等挑战，无法满足对输电设备状态进行实时监测和预警的需求。因此，需要一种高效、可靠的监控技术来实现对输电网的实时监控。

由于输电网具有复杂性和覆盖范围广等特点，传输视频数据常常面临着带宽波动、延迟、数据拥塞等问题。这些问题可能会影响监控数据的实时性和准确性，限制了输电网实时监控系统的性能和可靠性[5]。为解决这些问题，将基于流控制和拥塞控制的TCP优化算法应用于输电网视频实时监控系统，以动态调整视频数据的发送速率和窗口大小，适应当前的通信网络状况。该算法可以根据通信网络带宽和接收方的处理能力来控制数据的传输，避免数据拥塞和丢失。同时，监控中心能够及时、准确地收集并显示输电设备状态，以便进行实时监测、预警和远程控制。

2.2 通信网络环境和传输设备设置

在输电网的视频实时监控项目中，构建稳定的通信网络环境和适当的传输设备是实现高效数据传输的关键。

2.2.1 测量和评估带宽需求

文章采用杭州海康威视数字技术股份有限公司生产的型号为DS-2CD2143G0-I（摄像头A）和DS-2DE4A425IW-DE（摄像头B）的2 款摄像头。摄像头A 采用1 080p（1 920×1 080 像素）分辨率，帧率为25 f/s；摄像头B 采用720p（1 280×720 像素）分辨率，帧率为30 f/s。根据视频编码器、分辨率和帧率，计算每个摄像头的最低传输带宽。H.264 编码器的带宽计算公式为

式中：B表示带宽；P表示像素；F表示帧率，f/s；b表示比特率，Mb/s。摄像头A 以4 Mb/s 的比特率进行压缩时，需要20.7 Mb/s 的带宽；摄像头B 以2 Mb/s的比特率进行压缩时，需要55.3 Mb/s 的带宽，总带宽需求为76 Mb/s。输电网中原有总带宽仅为50 Mb/s，不能满足当前设备需求，因此需要将带宽升级到100 Mb/s，以满足更高的数据传输需求。

2.2.2 优化通信网络拓扑结构

文章采用快速以太网交换机，配置了基于硬件的敏捷路由器，确保通信网络流量能够以低延迟、高吞吐量的方式流动。同时，通信网络拓扑结构要确保摄像头与监控中心之间的高速、稳定连接。优化的拓扑结构为三角形结构，使用两个摄像头和一个监控中心。该结构可以提供广阔的监控范围，确保监控目标不会出现盲区。同时，三角形结构允许监控中心同时接收和处理两个摄像头传输的数据，以提高数据传输效率，并降低传输延迟。摄像头之间的数据传输也可以通过有线或无线方式连接，便于快速、稳定地传输数据。采用三角形的摄像头拓扑结构可以提供更好的监控覆盖范围，实现高效的数据传输和冗余备份，从而提高整体监控系统的性能和可靠性。

2.2.3 安装通信网络监测工具

利用通信网络监测工具，如PRTG Network Monitor，监测通信网络的质量。PRTG Network Monitor 可以实时监测网络中的带宽利用效率，并提供整体网络和单个设备的带宽使用情况。通过分析带宽利用效率，可以评估网络是否过载或带宽资源是否充足，以便及时做出调整；测量通信网络中的延迟，可以帮助评估网络的响应速度，及时发现并解决网络延迟引起的问题。丢包率是衡量网络连接质量和可靠性的重要指标。如果丢包率过高，可能会导致网络应用的性能下降。因此，监测丢包率是解决网络连接问题的重要手段。

2.3 输电网监控视频数据高速传输实际测量实验

利用PRTG Network Monitor 通信网络监测工具，测量输电网中视频数据高速传输技术优化前后的带宽利用效率、通信网络延迟和丢包率，测量结果如图1所示。

图1 优化前后的网络性能指标变化

原始通信网络中，带宽利用效率的波动范围为0.5 ～2 Mb/s，通信网络延迟在100 ～500 ms 波动，丢包率保持在0%～5%。通信传输容易受到各种波动和不稳定因素的影响，导致传输速度和质量下降。

优化后的通信网络中，带宽利用率得到了改善，宽带利用效率的波动范围为0.8 ～2.5 Mb/s，表明通信网络的带宽资源得到了更好地利用，数据的传输速率也有所提高。延迟范围在80 ～300 ms，远低于原始通信网络的延迟范围。这意味着在优化后的通信网络中，数据传输的响应时间更短，用户能够更快地获取到所请求的数据。丢包率的波动范围为0%～2%，表明数据传输更可靠，且数据完整度高。

2.4 指导与展望

在选择通信技术时，应根据实际应用需求和环境条件，综合考虑各种有线通信技术的优缺点，并结合实际情况进行优化选择。例如，如果传输距离较长且对带宽需求较高，可以优先选择光纤通信技术；如果考虑到成本因素或在特定环境下的应用，可优先选用同轴电缆通信技术。在选择通信技术的同时，还应考虑相关设备的性能参数、价格、未来的可扩展性以及升级空间等。

为满足视频数据传输的特殊需求，需要采取一系列措施来确保数据传输的稳定性和实时性。第一，采用数据包重传机制来应对数据丢失问题，并优化网络拓扑结构和路由算法，以降低数据传输延迟。第二，采用流量控制和拥塞控制等技术，有效管理网络流量，确保数据传输的稳定性和实时性。第三，建立完善的网络性能监测系统，实时监测网络设备和链路的性能参数，以及时发现并解决网络故障和性能瓶颈。第四，通过数据分析和优化算法，对网络进行持续优化，以提升网络的整体性能和效率。

在设计通信网络时，需要进行容量规划，确保网络能够满足未来的数据传输需求。例如，对网络带宽、存储容量等资源进行合理分配和规划，以应对数据量增长和业务扩展的挑战。同时，采用负载均衡技术，将数据流量均匀地分配到各网络节点上，避免出现某些节点负载过重导致性能下降。

在设计和部署通信网络时，需要分析成本效益，综合考虑投资成本、运营成本和维护成本等因素。通过合理的成本效益分析，可以选择最优的通信方案，并优化网络设计和运营策略，以实现成本最小化和效益最大化。

为提高通信网络的可靠性和容错性，可以采用冗余设计和备份方案。例如，采用链路冗余和设备冗余技术，确保即使在某个链路或设备发生故障时，仍然能够顺利地传输数据。此外，还可以采用自动故障恢复和容错机制，及时检测和修复网络故障，确保网络的稳定运行。同时，密切关注通信技术领域的最新进展，积极探索并应用新技术，以提升视频数据传输技术的性能和效率。例如，采用5G 通信技术、物联网技术、边缘计算等新技术，实现视频数据的高速传输和智能化处理。