邢留洋1,，何贊園，湯紅波，高 遠

(1.鄭州大學(xué) 中原網(wǎng)絡(luò)安全研究院，鄭州 450002；2.中國人民解放軍戰(zhàn)略支援部隊信息工程大學(xué) 信息技術(shù)研究所，鄭州 450001)

0 引 言

作為一種開放標準的硬件管理接口規(guī)范，智能平臺管理接口(Intelligent Platform Management Interface，IPMI)自被提出至今，得到了越來越多的供應(yīng)商的支持[1]。其中，先進電信計算架構(gòu)(Advanced Telecom Computing Architecture，ATCA)規(guī)范中引入了IPMI標準[2]。ATCA系統(tǒng)的機箱管理控制器(Shelf Management Controller，ShMC)與位于ATCA單板上的智能平臺管理控制器(Intelligent Platform Management Controller，IPMC)通過IPMI來進行信息交互，協(xié)同完成機箱內(nèi)管理[3]。

目前，ATCA監(jiān)測系統(tǒng)多采用自主可控度低的控制板卡IPMC，基于現(xiàn)網(wǎng)標準的ATCA系統(tǒng)架構(gòu)，通過監(jiān)控端采用有線網(wǎng)絡(luò)接口來完成對ATCA機箱內(nèi)各個設(shè)備的監(jiān)測。例如，文獻[4]和文獻[5]分別采用基于RISC和ATMEL的IPMC控制板卡經(jīng)過復(fù)雜的命令行操作實現(xiàn)對ATCA設(shè)備的監(jiān)測。

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)是指信息傳感設(shè)備以互聯(lián)網(wǎng)為載體實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的一種網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，其應(yīng)用也體現(xiàn)在各個方面，包括智能監(jiān)控、智能家居、智能電表、智慧城市和智慧農(nóng)業(yè)等[6]。依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的特點，廣泛使用的短距離無線傳輸技術(shù)(例如藍牙、WiFi、ZigBee等)已不適用于遠距離、廣覆蓋的通信場景?；谝苿臃涓C網(wǎng)絡(luò)(例如2G、3G和4G)的處理方案雖然可以解決區(qū)域性覆蓋范圍的問題，但同時也會提高設(shè)備能量的消耗。不同于傳統(tǒng)幾代的通信技術(shù)，5G不再以某項突出的能力或者典型技術(shù)為代表，更多地是全面發(fā)展，形成一個多業(yè)務(wù)多技術(shù)融合的網(wǎng)絡(luò)。相對于5G面向大帶寬、高速率的應(yīng)用場景，也急切需求一種面向于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的低功耗、廣覆蓋、大連接、低成本等特點的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。因此，低功耗廣域網(wǎng)(Low Power Wide Area Network，LPWAN)由于其網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、終端功耗低等特點更適合于大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用部署。

為了彌補短距離無線傳輸技術(shù)在ATCA設(shè)備健康狀況監(jiān)測中應(yīng)用的短板，將LPWAN技術(shù)與ATCA監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合的研究已經(jīng)備受關(guān)注，如Sigfox、NB-IoT、LoRa等技術(shù)。目前，窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)的建設(shè)在國內(nèi)正如火如荼地進行著。一份中國移動關(guān)于2020年NB-IoT網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模的通知中[7]指出，決定2020年底前停止新增2G物聯(lián)網(wǎng)用戶，由NB-IoT技術(shù)來承接2G物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。2G退網(wǎng)是大勢所趨，NB-IoT的商業(yè)化應(yīng)用已勢不可擋。

1 ATCA監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 ATCA監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

監(jiān)控端通過相關(guān)協(xié)議和管理模塊來監(jiān)測ATCA系統(tǒng)的溫度、電壓、電流以及風(fēng)扇等健康信息，并根據(jù)各單板的狀態(tài)信息、事件記錄信息等采取相應(yīng)管理措施，以保證ATCA單板及機箱內(nèi)其他單元的安全。通過相應(yīng)的AT指令集查詢MAC層吞吐量來實際測試以基站為起點不同距離的NB-IoT上下行傳輸速率，具體上下行速率測試結(jié)果如表1所示。在不同距離內(nèi)，NB-IoT在單通道傳輸模式下上行速率大約穩(wěn)定在4 kb/s，而下行速率在13～18 kb/s之間。以一個ATCA單板為例，預(yù)設(shè)每一類型數(shù)據(jù)大小為5 B，上傳10種數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)大小為50 B。因此，在規(guī)定時間間隔內(nèi)NB-IoT的傳輸速率理論上能滿足標準ATCA系統(tǒng)在滿槽位(14個)情況下設(shè)備健康狀況上傳及下發(fā)命令數(shù)據(jù)量。若需要上傳更為龐大的數(shù)據(jù)量，可將NB-IoT切換至多通道傳輸模式，上行速率高達62.5 kb/s。

表1 NB-IoT上下行速率測試

ATCA機箱主要組件[8]包括：機箱管理控制器，負責(zé)IPMC控制器與系統(tǒng)監(jiān)控端之間數(shù)據(jù)傳輸、交互；智能平臺管理控制器，負責(zé)監(jiān)控和管理對應(yīng)ATCA單板及其他現(xiàn)場可置換單元(Field Replace Unit，F(xiàn)RU)的健康狀況及各類故障信息；智能平臺管理總線(Intelligent Platform Management Bus,IPMB)及LAN接口，負責(zé)為各個管理模塊之間及監(jiān)控端與管理模塊之間提供通信、控制和管理等功能；ATCA單板基于TCP協(xié)議的高級管理接口(遠程啟動、磁盤管理和管理控制協(xié)議等)。ATCA系統(tǒng)管理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ATCA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

機箱管理控制單元ShMC作為ATCA系統(tǒng)的核心，整個系統(tǒng)包括主備兩個機箱管理控制器，負責(zé)整個機箱健康狀況的監(jiān)測和管理，防止因一個機箱管理單元宕機導(dǎo)致整個系統(tǒng)出現(xiàn)問題。IPMC負責(zé)收集對應(yīng)ATCA單板上的各類傳感器信息，通過冗余的IPMB總線與機箱管理控制單元進行通信，將單板的狀態(tài)信息上傳至ShMC，然后再通過LAN接口或串口將信息告知監(jiān)控端，同時也接收監(jiān)控端所下達的指令信息。

1.2 ATCA監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)中ATCA計算設(shè)備，智能平臺管理控制器IPMC和機箱管理控制器ShMC三者之間均采用基于IPMI消息的接口實現(xiàn)通信，其中包括網(wǎng)絡(luò)通信LAN接口、串行接口、IPMB接口等[9]。根據(jù)標準的IPMI消息格式，通過對底層驅(qū)動進行修改即可實現(xiàn)不同接口之間的轉(zhuǎn)換，而接口的不同也需要使用不同的協(xié)議和幀格式。例如，IPMB接口需要遵循I2C協(xié)議通過控制器地址實現(xiàn)對不同IPMC模塊的訪問，而LAN接口則以LAN數(shù)據(jù)包格式添加需要傳送的IPMI消息。

1.2.1 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)必須滿足并發(fā)性和實時性的特點，需要選擇一種可靠的、面向連接的通信協(xié)議，故遠程監(jiān)控端與ShMC之間，常采用TCP/IP協(xié)議來實現(xiàn)IPMI消息的傳輸。TCP/IP作為通信網(wǎng)絡(luò)中最基本、最常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一，與UDP協(xié)議的區(qū)別在于正式進行數(shù)據(jù)收發(fā)之前，TCP需要建立三次確認機制，以此來確保連接的可靠性。

1.2.2 串口通信協(xié)議

根據(jù)IPMIv1_5rev1_1_6規(guī)范，IPMC模塊與ATCA單板CPU之間實現(xiàn)串口通信指令，例如，讀取各溫度傳感器、各電源電壓值、單板上下電、復(fù)位等。同樣，ShMC與監(jiān)控端之間也可采用串行接口實現(xiàn)IPMI消息的交互。RS232廣泛應(yīng)用于通信工業(yè)與計算機中，它只需要三條傳輸線就可以簡單地實現(xiàn)全雙工工作方式，分別為發(fā)送線、接收線和地線，能夠?qū)崿F(xiàn)點對點的通信方式。

1.2.3 IPMB通信協(xié)議

由ATCA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以看出，IPMC模塊與ShMC機箱管理單元之間的通信主要通過IPMB接口來實現(xiàn)，基于I2C協(xié)議的IPMB總線是ATCA監(jiān)測系統(tǒng)中的實體承載。IPMB總線由兩條信號線組成，一條數(shù)據(jù)線SDA，一條時鐘線SCL，工作方式及原理與I2C協(xié)議相同。為了保證監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，IPMB總線以冗余備份的方式實現(xiàn)。

1.3 現(xiàn)有ATCA監(jiān)控系統(tǒng)不足之處

(1)IPMC控制板卡自主可控度低

基于IPMI標準可以實現(xiàn)對大量ATCA設(shè)備的遠程控制，然而，目前商用的智能平臺管理控制器往往由廠商針對特定的服務(wù)器設(shè)計，控制板卡與設(shè)備緊耦合，這樣設(shè)計存在的問題是：需要專用的監(jiān)控軟件，管理成本高；控制板卡多為國外品牌，如日本的RENESAS、荷蘭的NXP等，無法實現(xiàn)完全的自主可控[10]。

(2)監(jiān)測范圍有限

由于有線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍有限，ATCA設(shè)備的監(jiān)測區(qū)域具有較大局限性，在一些需要部署ATCA系統(tǒng)的區(qū)域只能在對應(yīng)區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)監(jiān)測，無法實現(xiàn)跨區(qū)域監(jiān)測。

(3)部署實施難度大

由于ATCA系統(tǒng)規(guī)模大，有線接入有較大局限性，需要設(shè)計有線網(wǎng)絡(luò)實施方案，并對現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境進行部署，工程量較大。

(4)運維成本高

現(xiàn)有的遠程監(jiān)控軟件多為簡單的頁面展示，不僅需要運維人員具備較高的專業(yè)技能，同時無法直觀反映ATCA設(shè)備的異常位置，幫助管理員快速排除故障，監(jiān)測效果不佳。

2 基于NB-IoT的ATCA監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案

隨著ATCA設(shè)備規(guī)模的不斷擴大，意外宕機事故難以避免，針對ATCA設(shè)備實現(xiàn)廣覆蓋、超遠程直觀監(jiān)測的運維方式也受到越來越多專家和學(xué)者的關(guān)注。蜂窩網(wǎng)絡(luò)的接入為ATCA設(shè)備實現(xiàn)這一運維方式帶來了可能，而NB-IoT技術(shù)在原有的GPRS技術(shù)的基礎(chǔ)上，借助于運營商的移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了更加廣度和深度的覆蓋[11]。隨著NB-IoT模組芯片成本的降低及技術(shù)的進一步迭代更新，NB-IoT技術(shù)將在ATCA設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)中將得到越來越多的推廣和更加廣泛的應(yīng)用。針對現(xiàn)網(wǎng)中ATCA監(jiān)測系統(tǒng)提出以下3種應(yīng)用方案。

2.1 方案1：NB-IoT集成到IPMC節(jié)點

隨著NB-IoT的進一步推廣應(yīng)用，模組芯片的價格更大程度下降，且集成能力進一步加強，將NB-IoT集成到每個IPMC節(jié)點中，通過接入NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的IPMC實現(xiàn)分布式監(jiān)測ATCA單板健康狀況，可大幅降低對現(xiàn)網(wǎng)ATCA監(jiān)測系統(tǒng)的依賴，如圖2所示。該節(jié)點不僅可以轉(zhuǎn)發(fā)信息，而且還能對各項數(shù)據(jù)進行融合。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，此節(jié)點需要對ATCA設(shè)備中的各類傳感器、傳送任務(wù)及數(shù)據(jù)進行管理，該設(shè)計方案實現(xiàn)較為簡單，不必修改協(xié)議。

圖2 NB-IoT集成到IPMC節(jié)點

2.2 方案2：NB-IoT集成到ShMC節(jié)點

此方案中對ATCA系統(tǒng)中的ShMC節(jié)點進行設(shè)計，將NB-IoT集成到ShMC節(jié)點中，充分利用現(xiàn)網(wǎng)中ATCA監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使該節(jié)點既能作為數(shù)據(jù)匯聚終端，又能作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕尤朦c。這樣一個雙模節(jié)點設(shè)計相對于方案1使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡化，并且提高數(shù)據(jù)傳輸過程中的有效性，降低傳輸過程的冗余性，如圖3所示。通過對ATCA監(jiān)測系統(tǒng)中的IPMB協(xié)議進行修改，或者修改NB-IoT協(xié)議棧中的部分協(xié)議[12]，使得IPMI消息能夠在NB-IoT協(xié)議與IPMB協(xié)議之間進行交互。

圖3 NB-IoT集成到ShMC節(jié)點

2.3 方案3：NB-IoT作為傳輸節(jié)點

方案3將NB-IoT作為外接傳輸節(jié)點，極大地降低方案2中對ShMC節(jié)點重新設(shè)計的復(fù)雜度以及現(xiàn)網(wǎng)中ATCA監(jiān)測系統(tǒng)布線難度，實現(xiàn)快速無線組網(wǎng)方式，如圖4所示。此方案基于現(xiàn)網(wǎng)中ATCA監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將ShMC作為ATCA監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)匯聚點，NB-IoT無線通信模塊作為數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，ShMC將匯集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給NB-IoT節(jié)點，由此傳輸節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)至上層應(yīng)用系統(tǒng)，然后在應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合并展示。

圖4 NB-IoT作為傳輸節(jié)點

2.4 方案對比分析

如表2所示，在現(xiàn)網(wǎng)ATCA監(jiān)測系統(tǒng)進行NB-IoT網(wǎng)絡(luò)無線接入時，方案1需要大規(guī)模應(yīng)用NB-IoT模組芯片，實現(xiàn)分布式監(jiān)測ATCA設(shè)備健康狀況，但目前來看單個模組價格較高，大規(guī)模應(yīng)用成本過高。方案2中雙模節(jié)點設(shè)計使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，但市場上目前無此類雙模產(chǎn)品，開發(fā)周期長，代價較高。方案3代價最小，可快速實現(xiàn)。在下面的組網(wǎng)設(shè)計中將基于方案3實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和傳輸。

表2 現(xiàn)網(wǎng)方案與3種NB-IoT應(yīng)用方案的對比

3 基于NB-IoT技術(shù)的ATCA監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

NB-IoT傳輸節(jié)點由電源模塊、NB-IoT模塊、微控制器模塊和其他輔助模塊構(gòu)成，如圖5所示。機箱管理控制單元ShMC通過IPMB總線可以訪問位于各個單板上的IPMC模塊，實現(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)信息上傳和命令下發(fā)等功能，通過串口與NB-IoT傳輸節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。其中，微控制器模塊主要對由ShMC傳入的串口數(shù)據(jù)包進行處理并以NB-IoT網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀格式將數(shù)據(jù)打包進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，無線傳輸模塊NB-IoT則基于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)進行通信。

圖5 NB-IoT傳輸節(jié)點

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，此傳輸節(jié)點的主控單元選用STM32L151RCT6，工作頻率高達36 MHz，具有豐富的I/O口及外設(shè)。此外，該主控單元具備多達3個USART串行接口，為系統(tǒng)的成功組網(wǎng)創(chuàng)造了條件。NB-IoT通信模塊則由BC26模塊、串口、天線、NB-IoT卡卡座及復(fù)位電路組成。STM32芯片與BC26之間采用串口通信，通過向BC26模塊發(fā)送AT指令集來完成數(shù)據(jù)傳輸和對BC26的設(shè)置。

NB-IoT下行傳輸采用NB-OFDMA(正交頻分多址)技術(shù)，使用72個頻寬為2.5 kHz的子載波傳輸，使頻譜有更高的使用效率，并在同一個蜂窩網(wǎng)絡(luò)允許大量的設(shè)備同時使用，提供更廣的覆蓋范圍，其只需要占用一個LTE資源區(qū)塊，且?guī)Y(jié)構(gòu)與LTE網(wǎng)絡(luò)幀結(jié)構(gòu)相同；上行傳輸采用搭配高斯最小頻移鍵控或相移鍵控調(diào)制的頻分多址(Frequency Division Multiple Access,FDMA)技術(shù)，可以提高頻譜的使用效率，降低元件復(fù)雜度，支持兩種子載波間隔，分別對應(yīng)的子載波帶寬為15 kHz和3.75 kHz，前者的幀結(jié)構(gòu)與LTE保持一致，后者將原來的12個子載波擴展到48個子載波，具備更靈活的調(diào)度。

3.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包含串口數(shù)據(jù)處理設(shè)計、NB-IoT通信協(xié)議設(shè)計、物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)計等。系統(tǒng)上電后，對串口、NB-IoT模塊等外圍電路進行初始化操作，其中，串口1負責(zé)打印測試信息，串口2負責(zé)和NB-IoT模塊連接，串口3實現(xiàn)與ShMC之間的連接。同時，節(jié)點進入While(1)循環(huán)進行任務(wù)處理，如串口數(shù)據(jù)包定時上傳，根據(jù)中斷程序響應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)平臺指令等。軟件主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

ShMC與NB-IoT傳輸節(jié)點之間的交互按照數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚩梢詫⑵溥^程分為下行和上行傳輸。以下行傳輸中的設(shè)備復(fù)位命令為例，上層應(yīng)用系統(tǒng)下發(fā)命令由NB-IoT傳輸節(jié)點進行數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)換，節(jié)點通過串口將此IPMI信息發(fā)送給ShMC，然后通過IPMB總線發(fā)送給控制板卡IPMC，再根據(jù)IPMI協(xié)議解析后對ATCA設(shè)備執(zhí)行復(fù)位指令。反之，IPMC采集的ATCA設(shè)備健康狀態(tài)信息通過層層封裝上傳到上層應(yīng)用系統(tǒng)，最后經(jīng)過一定算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合并展示。

4 系統(tǒng)測試

為了驗證本文中系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計的可靠性和穩(wěn)定性，首先，在不同信號強度下對NB-IoT傳輸節(jié)點進行丟包率性能測試，結(jié)果如表3所示。通過與丟包率標準對比分析表明，該節(jié)點在此類信號強度下數(shù)據(jù)傳輸效果良好，無丟包現(xiàn)象出現(xiàn)。

表3 NB-IoT丟包率測試

其次，按照軟件邏輯實現(xiàn)數(shù)據(jù)上下行通信鏈路的測試?；诂F(xiàn)網(wǎng)ATCA監(jiān)測系統(tǒng)，選用一個搭載IPMC模塊的ATCA設(shè)備進行通信鏈路測試，將本設(shè)計中NB-IoT傳輸節(jié)點與ShMC串口連接，實現(xiàn)系統(tǒng)快速組網(wǎng)。將ShMC數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點中的電壓、溫度、濕度等ATCA健康狀況信息通過串口上傳至NB-IoT傳輸節(jié)點，進行數(shù)據(jù)處理后以NB-IoT數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)打包，通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)以2 min的時間間隔發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺中。同時，當(dāng)ATCA設(shè)備出現(xiàn)告警信息時，可根據(jù)告警級別通過物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺對ATCA設(shè)備進行復(fù)位或下電等操作。經(jīng)過反復(fù)測試，數(shù)據(jù)傳輸過程穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，實驗效果良好。串口打印測試信息如圖7所示，基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)上行傳輸和下行傳輸測試如圖8和圖9所示。

圖7 串口測試信息

圖8 數(shù)據(jù)上行傳輸測試

圖9 數(shù)據(jù)下行傳輸測試

5 結(jié)束語

本文在對NB-IoT技術(shù)及ATCA監(jiān)測系統(tǒng)進一步研究的基礎(chǔ)上，提出了3種在現(xiàn)網(wǎng)ATCA監(jiān)測系統(tǒng)中基于NB-IoT技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用方案，依據(jù)方案對比分析結(jié)果選擇其中一種更加適用于當(dāng)前系統(tǒng)的應(yīng)用方案并進行了節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)ATCA監(jiān)測系統(tǒng)的快速無線組網(wǎng)，而且能提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。隨著無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)不斷的迭代更新，覆蓋范圍的不斷提升，以及模組芯片的愈加成熟，NB-IoT技術(shù)在ATCA計算設(shè)備監(jiān)測領(lǐng)域?qū)⒂懈顚哟蔚膽?yīng)用。目前對控制板卡IPMC自主可控設(shè)計和應(yīng)用系統(tǒng)界面設(shè)計工作已經(jīng)完成，下一步工作是對傳輸節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇a進行完善和上層應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合程序?qū)崿F(xiàn)。