基于北斗衛(wèi)星的車載移動站可靠通信鏈路設計

李 洋，韓書鍵，張 軻

基于北斗衛(wèi)星的車載移動站可靠通信鏈路設計

李 洋1，韓書鍵2，張 軻1

（1 中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068；2 北京衛(wèi)星導航中心，北京 100009）

為建立可靠的車載移動站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，設計了一種基于BDS短報文協(xié)議的可靠通信鏈路。針對BDS短報文通信的不可靠性和通信容量有限的缺陷，通過自定義通信協(xié)議，采用增強型數(shù)據(jù)握手機制加強數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院投嗫▍f(xié)同傳輸數(shù)據(jù)機制增大數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。?jīng)實驗表明，采用提出的可靠通信鏈路設計比傳統(tǒng)方式的傳輸成功率平均提高了35%，能提高北斗衛(wèi)星的移動站數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

BDS短報文；增強型數(shù)據(jù)握手機制；多卡協(xié)同傳輸數(shù)據(jù)機制

0 引言

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Beidou Navigation Satellite System，BDS）的短報文通信[1]，是指北斗地面終端、北斗衛(wèi)星和北斗地面監(jiān)控總站之間能夠直接通過衛(wèi)星信號進行雙向的信息傳遞，通信以短報文為傳輸基本單位，是BDS區(qū)別于其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)的一項功能特性。隨著北斗通信服務在亞太地區(qū)的全覆蓋，BDS短報文在應急救助、野外作業(yè)及海上生產(chǎn)等通信盲區(qū)的重要性逐漸體現(xiàn)。

車載移動站主要在偏遠地區(qū)、荒嶺探險甚至反恐安全中使用，因此利用BDS短報文的特點以構建無盲區(qū)可靠遠程通信鏈路是車載移動站穩(wěn)定運行的前提，然而短報文通信鏈路自身存在可靠性差、通信容量小以及通信范圍局限等問題。文獻[2-3]提出一種分布傳輸方法提高可靠性，但是沒有充分利用北斗通信容量，造成傳輸效率低下。

本文依據(jù)實際需求，通過改進系統(tǒng)通信協(xié)議結構，運用增強型數(shù)據(jù)握手機制提升了傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性；同時運用多卡協(xié)同傳輸數(shù)據(jù)機制提高傳輸效率和正確性。

1 系統(tǒng)框架

車載移動站可對區(qū)域內系統(tǒng)的定位性能和衛(wèi)星可用狀態(tài)進行監(jiān)測、評估，當定位性能出現(xiàn)異?；蛐l(wèi)星不可用時，能夠快速檢測并通過BDS短報文通信手段上報至固定站，實現(xiàn)完好性監(jiān)測功能。如圖1所示。

圖1 車載移動站系統(tǒng)框架

2 BDS短報文通信缺陷及改進設計

2.1 BDS短報文通信缺陷

北斗衛(wèi)星通信可分為民用和軍用兩種，北斗軍用服務擁有更高的精確度，但目前尚未完全開放使用。為保證本文所搭建通信系統(tǒng)的可重用性和可操作性，本文采用北斗民用服務來實現(xiàn)。然而北斗系統(tǒng)的民用報文通信存在以下三個方面的限制[4]：

（1）北斗衛(wèi)星通信鏈路的通信連接易受環(huán)境影響，且在通信過程中沒有通信回執(zhí)，使得其可靠性較低，因此北斗用戶發(fā)送方不知道接收方是否開機在線以及是否接收到數(shù)據(jù)；

（2）北斗衛(wèi)星通信鏈路通信存在一定的通信間隔，民用通信間隔為1分鐘，因此無法進行大數(shù)據(jù)的通信和頻繁握手交互；

（3）通信資源有限，根據(jù)協(xié)議要求，每次通信數(shù)據(jù)包長度不得超過78字節(jié)，若用戶發(fā)送信息長度過長易導致數(shù)據(jù)包信息丟失；若用戶發(fā)送信息長度過短易造成信息容量包因未填滿導致通信容量浪費。

2.2 系統(tǒng)通信改進設計

針對上述BDS短報文通信的缺陷以及固定站和車載移動站傳送監(jiān)測衛(wèi)星完好性數(shù)據(jù)及衛(wèi)星測量數(shù)據(jù)的實際需求，本文從兩點出發(fā)提出相應的改進機制：

（1）增強型數(shù)據(jù)握手機制。針對北斗通信容量有限的特點，重新設計通信協(xié)議格式，將關鍵字的字節(jié)占用率極大壓縮[5]的同時保證通信策略的正確運行。關鍵字的部分bit 信息位是實現(xiàn)增強數(shù)據(jù)握手功能和丟包重傳功能的關鍵。

（2）多卡協(xié)同傳輸數(shù)據(jù)機制。分析衛(wèi)星完好性和測量數(shù)據(jù)包后得出，車載移動站的采樣數(shù)據(jù)包長度在450字節(jié)以內，因此采用六張用戶卡以動態(tài)協(xié)同數(shù)據(jù)傳輸方式完成數(shù)據(jù)通信。車載移動站用戶機上電啟動后，六張用戶卡采用預定順序以間隔10秒的發(fā)送頻率完成數(shù)據(jù)發(fā)送，一旦任一用戶卡發(fā)送數(shù)據(jù)失敗，則由下一張用戶卡重復發(fā)送數(shù)據(jù)；通過降低發(fā)送失敗的用戶卡優(yōu)先級以實現(xiàn)動態(tài)調整。

3 系統(tǒng)通信改進實現(xiàn)

3.1 增強型數(shù)據(jù)握手機制實現(xiàn)

針對衛(wèi)星通信傳輸不穩(wěn)定的缺陷，本文提出了相應改進機制，為了保證改進機制的可用性，首先調整通信協(xié)議結構，重新定義傳輸約定的關鍵字位以增強數(shù)據(jù)通信之間的握手。本文中，系統(tǒng)通信協(xié)議結構主要由關鍵字位、長度位、數(shù)據(jù)內容和校驗位組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)通信協(xié)議結構

（1）關鍵字位。占用1個字節(jié)，關鍵字位用于傳輸機制的控制，可根據(jù)發(fā)送方和接收方的不同分為四部分（卡序號、段序號、末位標識和重發(fā)標識）和一部分（反饋標識）：

1）卡序號。占用0 ~2 bit，標記該數(shù)據(jù)的發(fā)送端卡號，因BDS短報文通信不適用于大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸，故本文采取多卡數(shù)據(jù)傳輸，在關鍵字位首先要標明發(fā)送端卡號?？ㄐ蛱栔饕糜跀?shù)據(jù)接收端的握手反饋。

2）段序號。占用3 ~5 bit，標記該組數(shù)據(jù)在整包數(shù)據(jù)內的位置，本文將用戶端一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小控制在450字節(jié)內，即數(shù)據(jù)最多分為6段，由6張用戶卡分別進行發(fā)送。段序號主要用于大數(shù)據(jù)分段后的重組。

3）末位標識。占用6 bit，用于標識該段數(shù)據(jù)是否為分段的最后一段。本文設定若末位標識為0，則該組報文不是最后一段；若為1表示該組報文是最后一段。末位標識用于大數(shù)據(jù)分段后的重組。

4）重發(fā)標識。占用7 bit，用于標識該段數(shù)據(jù)是否為握手失敗后的重發(fā)數(shù)據(jù)。本文設定若重發(fā)標識為0，則該組數(shù)據(jù)不是重發(fā)數(shù)據(jù)；若為1表示該組數(shù)據(jù)是重發(fā)數(shù)據(jù)。重發(fā)標識用于大數(shù)據(jù)分段后的重組。

5）反饋標識。占用1個字節(jié)，bit位由高到低分別表示指揮機接收到順序用戶卡的結果，若為1表示該組數(shù)據(jù)接收成功；若為0表示該組數(shù)據(jù)接收失敗。

（2）長度位。占用1個字節(jié)，僅用以表示數(shù)據(jù)內容的長度，不包含關鍵字位、長度位和校驗位。

（3）校驗位。占用3個字節(jié)，采用QualComm校驗算法，該算法能夠防止區(qū)間誤差和隨機誤差，其未被發(fā)現(xiàn)的誤差概率≤2-24=5.96×10-8，并且對所有信道的bit誤差概率≤0.5。

3.2 多卡動態(tài)協(xié)同傳輸數(shù)據(jù)實現(xiàn)

依據(jù)北斗衛(wèi)星民用通信協(xié)議規(guī)定，單卡的發(fā)送周期間隔最小為1分鐘。為保證數(shù)據(jù)能完整傳輸，車載移動站用戶機采用多用戶卡動態(tài)協(xié)同完成數(shù)據(jù)發(fā)送，具體實現(xiàn)步驟為：

（1）車載移動站六張用戶卡依照間隔10秒的頻率依次完成數(shù)據(jù)傳輸；

（2）固定站將一分鐘數(shù)據(jù)接收結果發(fā)送至車載移動站；

（3）如果數(shù)據(jù)均發(fā)送成功，則繼續(xù)發(fā)送下一組數(shù)據(jù)；如果數(shù)據(jù)某包發(fā)送失敗，則將該組數(shù)據(jù)重復發(fā)送，重復發(fā)送三次后均失敗則將該組數(shù)據(jù)丟失；

（4）車載移動站自動將剛完成數(shù)據(jù)發(fā)送的用戶卡優(yōu)先級降為最低。

具體流程如圖3所示。

圖3 多卡動態(tài)協(xié)同傳輸流程圖

4 實驗與結果分析

4.1 實驗設計

為驗證本文提出機制的有效性，使用部署在車載移動站的BDS短報文用戶機向部署在固定站的BDS短報文指揮機進行遠程數(shù)據(jù)傳輸，通過對數(shù)據(jù)傳輸后的誤碼率對比測試來評估效果。在測試中，將三個車載移動站數(shù)據(jù)均向同一固定站進行數(shù)據(jù)通信，每個車載移動站北斗用戶機均安裝6張同批次用戶卡。每個用戶卡相隔1分鐘進行數(shù)據(jù)傳輸，且發(fā)送的數(shù)據(jù)為實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長度隨機。

在綜合各種環(huán)境條件下，將系統(tǒng)運行24小時完成數(shù)據(jù)的收發(fā)測試，對比采用本文提出的可靠通信機制與原傳統(tǒng)通信機制下的數(shù)據(jù)發(fā)送成功率，其中將失真的數(shù)據(jù)作為丟包來處理。實驗結果如表1和表2所示。

表1 傳統(tǒng)通信機制丟包率

表2 可靠通信機制丟包率

4.2 結果分析

從實驗結果可以看出，試驗所處環(huán)境好壞與周圍信號干擾強度相關。在傳統(tǒng)通信機制下，數(shù)據(jù)成功率最低為61.25%，最高為75.42%，傳輸數(shù)據(jù)連續(xù)性較差，但可以保證數(shù)據(jù)實時性；可靠通信機制下，數(shù)據(jù)成功率最低為98.75%，最高為100%，傳輸數(shù)據(jù)連續(xù)性得到保證，但是由于數(shù)據(jù)重傳機制影響，數(shù)據(jù)實時性受到一定影響，實驗表明傳統(tǒng)BDS報文傳輸平均時間為68.12 s，而采用本文提出的可靠性鏈路下報文傳輸平均時間為157.45 s，延遲在89 s，在可接受延遲范圍內。

5 結束語

綜上所述，本文提出的車載移動站可靠通信系統(tǒng)可以有效解決傳統(tǒng)通信機制下數(shù)據(jù)丟包率嚴重問題，對實時性要求不大的場景有較大的實用價值。

[1] 葛冰兒，宋娟. 基于北斗的船舶監(jiān)控系統(tǒng)[C]. 第十二屆中國衛(wèi)星導航年會，2021：1123-1127.

[2] 歐陽中輝，樊輝錦，陳青華，等. 基于北斗短報文的特種車輛狀態(tài)信息壓縮傳輸方法研究[J]. 兵器裝備工程學報，2020，41（9）：56-61.

[3] 劉飛，林琳，徐文江. 基于北斗RDSS的監(jiān)視數(shù)據(jù)傳輸技術研究[J]. 信息技術，2020，44（1）：45-49.

[4] 顏曉星，車明，高小娟. 基于北斗衛(wèi)星的可靠遠程通信系統(tǒng)設計[J]. 計算機工程，2017，43（3）：62-67.

[5] 于龍洋，王鑫，李署堅. 基于北斗短報文的定位數(shù)據(jù)壓縮和可靠傳輸[J]. 電子技術應用，2012，38（11）：108-111.

Reliable Communication Link Design of Vehicle Mobile Station Based on Beidou Satellite

LI Yang, HAN Shujian, ZHANG Ke

In order to establish a reliable data transmission system of mobile station, a reliable communication link based on BDS short message protocol is designed. Aiming at the shortcomings of BDS short message communication and the limited communication capacity, through the self defined communication protocol, enhanced data mobile phone system is adopted to enhance the reliability of data transmission and simultaneous interpreting data transmission mechanism of multi card, which improves the efficiency of data transmission. The experimental results show that the reliability of the data transmission in Beidou satellite mobile station can be guaranteed by using the reliable communication link design proposed in this paper, which is 35% higher than that of the traditional method.

BDS Short Message; Enhanced Data Handshake; Multi Card Simultaneous Interpreting Data Mechanism

TN967

A

1674-7976-(2021)-06-416-04

2021-05-10。

李洋（1988.07—），河南衛(wèi)輝人，碩士，工程師，主要研究方向為衛(wèi)星導航系統(tǒng)。