一種超短波電臺低帶寬下文件可靠群發(fā)方法

楊紫薇，丁敬海,張士軍

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所,北京 100076)

?

一種超短波電臺低帶寬下文件可靠群發(fā)方法

楊紫薇，丁敬海,張士軍

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所,北京 100076)

在現(xiàn)代連隊(duì)指揮系統(tǒng)內(nèi)，普遍采用無線超短波電臺傳輸文件作為通信方式。傳統(tǒng)的發(fā)送方式是發(fā)送方不斷檢測接收節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答幀來判斷是否需要續(xù)傳文件，但在文件群發(fā)過程中，發(fā)送方頻繁查詢接收方是否成功接收會嚴(yán)重占用帶寬，造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓，從而導(dǎo)致文件傳輸成功率低下。然而作為連隊(duì)指揮系統(tǒng)的可靠性要求之一，在超短波電臺傳輸帶寬較低(4 800 KBps)的情況下，指揮車對作戰(zhàn)單元群發(fā)文件的成功率決不能低于90%。為了解決這一難題，提出了一種新的文件可靠群發(fā)方法，該方法對發(fā)送方設(shè)計(jì)通信首幀，將文件分割編序封裝并按周期順序發(fā)送，同時(shí)各個接收節(jié)點(diǎn)對文件進(jìn)行CRC校驗(yàn)，索引漏幀并主動發(fā)起補(bǔ)傳要求。通過這種通信方法，連隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，指揮車可以一次將10 KB的文件發(fā)送至10個作戰(zhàn)單元，經(jīng)過測試，數(shù)據(jù)通信成功率保持在90%以上。

超短波電臺;文件群發(fā);數(shù)字通信;無線電通信

0 引言

指揮通信系統(tǒng)是戰(zhàn)場中各作戰(zhàn)單元的重要組成部分，超短波電臺因其通信質(zhì)量高、傳輸距離遠(yuǎn)、抗噪性能好，被廣泛應(yīng)用于指揮通信系統(tǒng)中[1-2]，特別適用于在機(jī)動作戰(zhàn)中的快速通信需求[3]。為提高傳輸效率，指揮車通常采用一對多群發(fā)的方式進(jìn)行文件傳輸，現(xiàn)有的超短波電臺會因?yàn)榄h(huán)境等原因易造成通信誤碼，另外以往的文件傳輸[4]多采用ARQ“發(fā)送-應(yīng)答-重傳”的方式[5-6]。然而在使用低帶寬的電臺進(jìn)行文件群發(fā)時(shí)，這種方式易造成部分節(jié)點(diǎn)的文件接收不完整。

為解決超短波電臺低帶寬下文件可靠傳輸難題，設(shè)計(jì)了通信首幀保證接收方建立接收過程，采用斷點(diǎn)續(xù)傳技術(shù)進(jìn)行故障檢測和重傳，多個點(diǎn)同時(shí)續(xù)傳時(shí)易造成信道二次堵塞，故設(shè)計(jì)了補(bǔ)傳延時(shí)處理，保證文件傳輸可靠性。最后，對設(shè)計(jì)算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試[7-8]。文獻(xiàn)[9]利用超短波電臺特性和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電臺數(shù)據(jù)傳輸及互通功能，針對本文中文件群發(fā)的協(xié)議設(shè)計(jì)有一定的借鑒價(jià)值。文獻(xiàn)[10-12]中利用TFTP實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多點(diǎn)小文件的可靠傳輸方法，其重傳機(jī)制中的丟包隊(duì)列建立方法可作參考。文獻(xiàn)[13]提出的基于時(shí)分多址的“隨機(jī)延時(shí)”防通信碰撞協(xié)議可對本文補(bǔ)傳延時(shí)處理有參考價(jià)值。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 通信系統(tǒng)工作原理

整個系統(tǒng)基于無線電臺進(jìn)行組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意兩個車輛節(jié)點(diǎn)可互通，無中心自組網(wǎng)使武器系統(tǒng)各車都是通信網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)內(nèi)任何車輛被摧毀，都不影響全網(wǎng)通信。

通信系統(tǒng)的工作方式包括語音通信和數(shù)據(jù)通信，電臺以數(shù)據(jù)通信為主，語音通信優(yōu)先。發(fā)射連內(nèi)每輛車的電臺通過自身RS232串口連接一臺通信計(jì)算機(jī)，作戰(zhàn)人員通過通信計(jì)算機(jī)上安裝的通信軟件進(jìn)行短消息和文件通信的可視化操作。

1.2 數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)

通信軟件通過RS232串口連接無線電臺實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信，通信協(xié)議改造于國內(nèi)軍方使用的無線分組協(xié)議，它以國際通用SLIP協(xié)議為基礎(chǔ)，結(jié)合TCP/IP協(xié)議的工作原理，使各通信節(jié)點(diǎn)成為無線局域網(wǎng)內(nèi)的一個節(jié)點(diǎn)，文件傳輸時(shí)以發(fā)送方作為中心，將文件分割為基本單元，周期向所有接收方發(fā)送基本文件塊，接收方實(shí)現(xiàn)CRC校驗(yàn)和文件完整性檢查，對漏幀發(fā)起重傳請求，發(fā)送方逐個補(bǔ)發(fā)漏幀，實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)續(xù)傳，具體如下：

① 數(shù)據(jù)通信模式設(shè)置：電臺開機(jī)時(shí)通過指揮通信軟件設(shè)置電臺參數(shù)，以點(diǎn)對點(diǎn)透明數(shù)傳的模式傳輸文件，在該通信模式下，系統(tǒng)用于維護(hù)通信數(shù)據(jù)鏈路層所消耗的資源較少，可以在較短的時(shí)間內(nèi)將文件發(fā)送出去；

② 通信協(xié)議設(shè)計(jì)：首先將通信網(wǎng)內(nèi)電臺按IP地址格式設(shè)置為A單元、B單元、C單元和D單元，在通信協(xié)議中，每一幀數(shù)據(jù)均包含發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的信息，通信的第一幀設(shè)計(jì)專門的首幀數(shù)據(jù)，通信內(nèi)容包含文件名、文件大小，文件的CRC校驗(yàn)值和文件分割封裝后的幀數(shù)信息；

③ 發(fā)送過程：發(fā)送節(jié)點(diǎn)先將首幀數(shù)據(jù)傳遞給接收方，接收方接收到這些信息后，建立相應(yīng)大小的臨時(shí)文件，將要傳送的文件分割成多幀，發(fā)送節(jié)點(diǎn)按協(xié)議封裝成各個數(shù)據(jù)幀，并按一定的周期，順序地將數(shù)據(jù)全部發(fā)送出去；

④ 接收過程：各接收節(jié)點(diǎn)以幀序號為索引條件，將幀序號和通信內(nèi)容覆蓋臨時(shí)文件對應(yīng)的位置，當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)主動發(fā)送完畢后，若接收節(jié)點(diǎn)收到全部數(shù)據(jù)幀，那接收節(jié)點(diǎn)就從臨時(shí)文件中讀取相應(yīng)的內(nèi)容形成接收文件，當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送完畢后，若接收節(jié)點(diǎn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有接收到數(shù)據(jù)幀，按補(bǔ)傳幀格式周期地分別發(fā)出需要補(bǔ)傳的信息，若文件未成功接收，就從臨時(shí)文件中讀取相應(yīng)內(nèi)容形成接收文件，否則提示無法完成通信。

2 文件分塊傳輸與算法設(shè)計(jì)

2.1 通信首幀設(shè)計(jì)

首幀通信內(nèi)容是整個通信過程中最關(guān)鍵的數(shù)據(jù)幀，接收節(jié)點(diǎn)只有接收到該幀數(shù)據(jù)才能建立接收過程。通信首幀格式如圖1所示，其數(shù)據(jù)格式如表1所示。

圖1 通信首幀格式

表1 通信首幀數(shù)據(jù)格式

2.2 數(shù)據(jù)幀設(shè)計(jì)

為了方便文件傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)，針對文件傳輸設(shè)計(jì)了如圖2結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)幀，基本數(shù)據(jù)幀格式如表2所示。

圖2 數(shù)據(jù)幀格式

表2 基本數(shù)據(jù)幀格式

2.3 文件分塊傳輸過程

超短波電臺最大傳輸單元為256個字節(jié)，針對10 KB的氣象文件傳輸需求，需要對文件進(jìn)行分塊多線程傳輸；發(fā)送節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)數(shù)計(jì)算分塊基本單元，將文件進(jìn)行分塊后，在傳輸之前對整個文件進(jìn)行CRC校驗(yàn)，同時(shí)向各個接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送文件基本信息(文件名、文件擴(kuò)展名和文件大小)，周期3 s發(fā)送文件塊，接收節(jié)點(diǎn)在本地建立接收緩存區(qū)，根據(jù)接收文件塊攜帶的索引值進(jìn)行單塊CRC校驗(yàn)，在收齊所有文件塊后，CRC校驗(yàn)正確完畢，從緩存區(qū)將各塊組合成文件,整個邏輯如圖3所示，具體內(nèi)容詳細(xì)說明如下。

① 獲取文件名、文件擴(kuò)展名和文件大小FileLen，根據(jù)文件大小建立緩沖區(qū)，對整個文件進(jìn)行CRC校驗(yàn)；

② 計(jì)算文件分割長度AvLen=256(MTU)-3(幀頭長度)-1(指令內(nèi)容)-1(幀尾長度)-2(CRC校驗(yàn)長度)-4(源地址)-1(接收節(jié)點(diǎn)的個數(shù)，假定為n)-(3+n)(目的地址1～nIP)-1(幀長)-2(幀序號長度)；

③ 計(jì)算文件分割后總幀數(shù)FileNum = FileLen/AvLen，即以文件分割長度為基本單位，算出文件可分割的數(shù)量，當(dāng)將文件分割完數(shù)幀有余量且不足一幀長度時(shí)，在已經(jīng)分割完的幀數(shù)基礎(chǔ)上加1；

④ 形成首幀數(shù)據(jù)，并以3 s為周期連續(xù)發(fā)送5次，以增加接收節(jié)點(diǎn)接收到首幀數(shù)據(jù)的概率；

⑤ 將文件分割成FileNum份，并按照幀格式進(jìn)行封裝，以3 s為周期順序地發(fā)出每份數(shù)據(jù)幀。

圖3 文件分塊傳輸邏輯圖

3 斷點(diǎn)續(xù)傳技術(shù)

3.1 故障檢測及重傳方法

整個連指揮通信系統(tǒng)基于無線電臺傳輸，在傳輸過程中難免會因環(huán)境因素、網(wǎng)絡(luò)連接故障導(dǎo)致通信數(shù)據(jù)丟幀，在文件傳輸過程中，接收節(jié)點(diǎn)不僅檢測接收的文件塊是否正確，并檢測文件塊是否丟失，接收節(jié)點(diǎn)通過CRC校驗(yàn)針對單個文件塊進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)文件傳輸錯誤進(jìn)行舍棄，同時(shí)以4 s為周期開啟一個監(jiān)視接收狀態(tài)，若在5個周期內(nèi)無法接收到數(shù)據(jù)，檢索本地文件數(shù)據(jù)塊是否收全，未收全，則發(fā)出補(bǔ)傳幀，其流程如圖4所示。

圖4 故障檢測及重傳邏輯圖

① 接收數(shù)據(jù)幀正確性檢測：接收節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)幀，先進(jìn)行CRC校驗(yàn)，驗(yàn)證數(shù)據(jù)幀的正確性，若數(shù)據(jù)幀不正確，則舍棄；

② 丟幀檢測：發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收到首幀數(shù)據(jù)，根據(jù)首幀通信內(nèi)容建立對應(yīng)大小的臨時(shí)文件，同時(shí)以4 s為周期進(jìn)行監(jiān)視是否連續(xù)接收到文件；若在5個周期內(nèi)無法接收到數(shù)據(jù)，判斷本地是否接收到全部數(shù)量的文件塊，根據(jù)文件塊唯一索引號檢測丟失的文件塊；

③ 若不存在丟幀，接收到全部數(shù)據(jù)，先建立和文件大小相同大小的緩沖區(qū)，從臨時(shí)文件中讀取對應(yīng)的內(nèi)容映射到緩沖區(qū)內(nèi)，并對緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，若校驗(yàn)結(jié)果和首幀數(shù)據(jù)中文件CRC校驗(yàn)結(jié)果相同，則形成和源文件相同文件名和擴(kuò)展名的數(shù)據(jù)文件；

④ 發(fā)起補(bǔ)傳申請：接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送補(bǔ)幀請求，數(shù)據(jù)幀的通信內(nèi)容是所需要補(bǔ)傳的幀序號；

⑤ 丟失幀重傳：發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收到補(bǔ)傳信息后，將對應(yīng)的數(shù)據(jù)幀發(fā)出，若接收節(jié)點(diǎn)請求5次補(bǔ)傳沒有回應(yīng)，提示文件接收失敗，將放棄本次通信。

3.2 多發(fā)送節(jié)點(diǎn)同時(shí)補(bǔ)傳延時(shí)處理

在接收節(jié)點(diǎn)主 動發(fā)起丟失幀補(bǔ)傳申請時(shí)，為了避免多個節(jié)點(diǎn)同時(shí)要求補(bǔ)幀二出現(xiàn)信道擁堵，設(shè)置了t s的延時(shí)。延時(shí)的設(shè)置準(zhǔn)則為：將各接收節(jié)點(diǎn)IP尾數(shù)進(jìn)行排序，若該節(jié)點(diǎn)IP尾數(shù)最小，則不需延時(shí)，即延時(shí)0 s，否則，依次遞增，即排名第2延時(shí)1 s……排名n的延時(shí)n-1 s。

4 文件通信成功率測試與分析

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，參試設(shè)備網(wǎng)絡(luò)圖如圖5所示，模擬連對內(nèi)1輛A車(COMV)，6輛B車(MLV1-6)，6輛C車(MTV1-6)，1輛D車(METV)的通信系統(tǒng)組網(wǎng)模式，試驗(yàn)驗(yàn)證單一節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)內(nèi)其余節(jié)點(diǎn)群發(fā)10 kb文件通信成功率。

① 文件傳輸：選取一個長度為10 KB的文件，向各個節(jié)點(diǎn)(分為單一節(jié)點(diǎn)和群組兩種方式)發(fā)送，發(fā)送30次；

② 更換通信節(jié)點(diǎn)的源和宿反復(fù)執(zhí)行，14個節(jié)點(diǎn)全部覆蓋，組合方式不限。

③ 故障處理及重傳測試：工況一，傳輸過程中，軟件界面顯示文件接收進(jìn)度為45%時(shí)，使用電臺進(jìn)行語音通信，強(qiáng)插中斷數(shù)據(jù)通信，結(jié)束語音通話，重新恢復(fù)數(shù)據(jù)傳輸；工況二，傳輸過程中關(guān)閉電臺，重新打開電臺。

圖5 試驗(yàn)組網(wǎng)圖

通信結(jié)果如表3所示。

表3 通信結(jié)果

5 結(jié)束語

指揮通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)整個武器系統(tǒng)數(shù)字信息的融合，連隊(duì)系統(tǒng)采用無線電臺為傳輸載體，實(shí)現(xiàn)無線通信網(wǎng)間的文件傳輸，本文提出的斷點(diǎn)續(xù)傳文件群發(fā)方法解決了通信數(shù)據(jù)量較大(10 K)和電臺帶寬較低(4 800 bps)的矛盾，有如下優(yōu)點(diǎn)：① 滿足連隊(duì)內(nèi)指揮車同時(shí)向10個作戰(zhàn)單元時(shí)群發(fā)10 KB文件的需求；② 網(wǎng)內(nèi)任意節(jié)點(diǎn)均可進(jìn)行文件的發(fā)送和接收，使用靈活；③ 文件CRC校驗(yàn)?zāi)艽_保文件接收的正確性。

[1] 牛強(qiáng)軍,楊朝斌,張?jiān)俚?數(shù)字化超短波測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].無線通信技術(shù),2007(4):53-56.

[2] 程 凱. 超短波電臺綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)研發(fā)[D]. 西安:西安電子科技大學(xué),2013.

[3] 封錦昌,王元春,鄒 津. 現(xiàn)代通信與通信指揮管理信息系統(tǒng)技術(shù)[J]. 無線電通信技術(shù),2009,35(5):1-3.

[4] 尹月靜,杜栓義. 超短波跳頻電臺的自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸[J]. 電子科技,2006(2):44-46.

[5] 李 峰,張志杰. 無線數(shù)傳電臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠傳輸技術(shù)的探討[J]. 機(jī)械管理開發(fā),2006(12):107-108.

[6] 吳 燕,周玉林. 采用主從方式實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多點(diǎn)的無線數(shù)傳設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2012,35(21):10-12.

[7] GJB2928-97. 戰(zhàn)術(shù)超短波跳頻電臺通用規(guī)范[S].

[8] GB/T6933-1995.短波單邊帶發(fā)射機(jī)性能測試方法[S].

[9] 張建斌. 某超短波電臺數(shù)傳測試設(shè)備研制和實(shí)現(xiàn)[J]. 信息技術(shù),2012(6):284-286.

[10]劉星辰,秦 浩,張 冰. 可靠組播傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)[J].數(shù)字通信世界,2007(8):77-80.

[11]周世杰.文件傳輸協(xié)議分析及應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2001,21(8):27-28.

[12]董淑松,康慕寧. 基于可靠組播文件傳輸協(xié)議的設(shè)計(jì)與分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010(10):2197-2198.

[13]韋日華,張 春,王志華. 一種點(diǎn)對多點(diǎn)無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù)，2003,43 (5):29-33.

A Reliable File Group Sending Method Based on Low-bandwidth VHF Radio

YANG Zi-wei,DING Jing-hai，ZHANG Shi-jun

(Beijing Institute of Space Launch Technology,Beijing 100076,China)

In company’s modern command system,files transmission by wireless FM radio is a universal communication method. The traditional sending method is that the sender determines whether to resume files or not by detecting response frame continuously from the receiver. But during the file group sending process,if the sender checks the file transfer result from the receiver frequently,then bandwidth may be consumed seriously and network paralysis even arises,thus the low success rate of file transfer will be caused. As one of the reliability requirements of company command system,the success rate of file group transfer must reach more than 90% by low bandwidth VHF radio (4 800 Kbps). In order to solve this problem,a reliable file group sending method is proposed in this paper,in which a kind of head frame is designed for the sender. The files are divided into several frames,a sequence number is assigned to each frame,and then each file frame is sent in order. Meanwhile,the receivers verify the files using CRC algorithm and ask for the lost frames. By this way,the command vehicle can send 10Kb file to 10 units. And the success rate can reach up to 90% by the communication experiment.

VHF radio; file group sending; digital communication; radio communication

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2016.06.24

楊紫薇，丁敬海,張士軍. 一種超短波電臺低帶寬下文件可靠群發(fā)方法[J].無線電通信技術(shù),2016,42(6):95-98.

2016-06-17

楊紫薇(1988—),女，碩士研究生,主要研究方向：無線通信、計(jì)算機(jī)控制。丁敬海(1974—)，男，研究員，主要研究方向：火控系統(tǒng)、指揮通信系統(tǒng)。

TP273

A

1003-3114(2016)06-95-4