一種基于串口終端+超短波電臺(tái)的通聯(lián)模型設(shè)計(jì)

李沖霄 王璇

摘要：為了滿足運(yùn)輸車、加油車、急救車等配發(fā)數(shù)量較大且單裝價(jià)值較低的保障平臺(tái)北斗導(dǎo)航終端一機(jī)多用使用需求，在傳統(tǒng)“網(wǎng)口終端+超短波電臺(tái)”通聯(lián)模型的基礎(chǔ)上，提出了一種基于“串口終端+超短波電臺(tái)”的通聯(lián)模型，并進(jìn)一步設(shè)計(jì)了相應(yīng)的串口NAT協(xié)議。在不改變上層指控應(yīng)用使用習(xí)慣的條件下，有效解決了串口終端網(wǎng)絡(luò)路由尋址和指控名錄尋址難的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：串口終端；超短波電臺(tái)；NAT

中圖分類號(hào)：TN73文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2022）24-55-5

0引言

在工程、修理、衛(wèi)生和運(yùn)輸?shù)纫恍┍Ｕ项惼脚_(tái)上，通常不上裝交換設(shè)備，而是直接上裝信息終端、超短波電臺(tái)和北斗導(dǎo)航終端等設(shè)備，基于信息終端部署指控軟件和保障業(yè)務(wù)軟件，基于超短波電臺(tái)內(nèi)部協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通聯(lián)，基于北斗導(dǎo)航終端進(jìn)行定位導(dǎo)航。更有甚者，受平臺(tái)集成空間緊張、保障人力缺少和建設(shè)經(jīng)費(fèi)不足等原因影響，運(yùn)輸車、加油車、急救車等配發(fā)數(shù)量較大且單裝價(jià)值較低的保障平臺(tái)。為了進(jìn)一步壓縮上裝信息化設(shè)備數(shù)量，通常將信息終端和北斗導(dǎo)航終端合并使用，直接在北斗導(dǎo)航終端上部署指控軟件和保障業(yè)務(wù)軟件，進(jìn)行一機(jī)多用。但北斗導(dǎo)航終端一機(jī)多用方式會(huì)帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)路由和指控名錄尋址難等問(wèn)題，嚴(yán)重影響通聯(lián)使用，亟待解決[1-3]。

1傳統(tǒng)通聯(lián)模型

工程、修理、衛(wèi)生和運(yùn)輸?shù)纫恍┍Ｕ项惼脚_(tái)，通常上裝信息終端、超短波電臺(tái)和北斗導(dǎo)航等終端。其中，信息終端部署指控軟件和保障業(yè)務(wù)軟件，且通過(guò)以太網(wǎng)口連接超短波電臺(tái)。保障平臺(tái)之間通聯(lián)手段有2種：一是基于超短波電臺(tái)無(wú)線信道，進(jìn)行保障分隊(duì)內(nèi)部近距離通聯(lián)；二是基于北斗短消息進(jìn)行互通，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通聯(lián)。2種通聯(lián)手段互為冗余備份，有效保證了保障分隊(duì)的通聯(lián)需求。保障業(yè)務(wù)軟件通常單裝使用，而指控軟件通常需跨平臺(tái)互通。因此，指控軟件既可以通過(guò)北斗短消息進(jìn)行平臺(tái)間互通，也可以基于超短波電臺(tái)信道進(jìn)行跨平臺(tái)通聯(lián)。指控軟件通過(guò)北斗短消息進(jìn)行平臺(tái)間互通，不在本文研究范疇。指控軟件基于超短波電臺(tái)信道跨平臺(tái)通聯(lián)，模型主要包括網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖1所示。

（1）網(wǎng)絡(luò)接口層

平臺(tái)內(nèi)部，信息終端與超短波電臺(tái)通過(guò)網(wǎng)口連接，基于以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行互通。平臺(tái)之間，通過(guò)超短波電臺(tái)無(wú)線信道互通。

（2）網(wǎng)絡(luò)層

平臺(tái)內(nèi)部，信息終端配置IP地址，默認(rèn)網(wǎng)關(guān)設(shè)置為超短波電臺(tái)IP地址。信息終端和超短波電臺(tái)之間基于IP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層尋址。平臺(tái)之間，通過(guò)超短波電臺(tái)Ad hoc路由協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層尋址。

（3）應(yīng)用層

發(fā)送端指控軟件名錄地址設(shè)置為發(fā)送端信息終端IP地址，接收端設(shè)置為接收端信息終端IP地址。指控名錄基于本地信息終端IP地址尋址。

2存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)基于網(wǎng)口終端+超短波電臺(tái)的通聯(lián)模型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，層次清晰。指控軟件部署在信息終端上，信息終端通過(guò)以太網(wǎng)口連接超短波電臺(tái)，超短波電臺(tái)之間基于無(wú)線信道進(jìn)行組網(wǎng)互聯(lián)，屬于典型的“終端+路由器”組網(wǎng)使用模式，能夠支持平臺(tái)間IP報(bào)文路由尋址以及上層指控應(yīng)用間名錄尋址[4-6]。

受平臺(tái)集成空間緊張、保障人力缺少和建設(shè)經(jīng)費(fèi)不足等原因影響，運(yùn)輸車、加油車、急救車等單裝價(jià)值較低且配發(fā)數(shù)量較大的保障平臺(tái)，為進(jìn)一步壓縮上裝信息化設(shè)備數(shù)量，通常將信息終端和北斗導(dǎo)航終端合并使用，直接在北斗導(dǎo)航終端上部署指控軟件，進(jìn)行一機(jī)多用。由于北斗導(dǎo)航終端通常基于“手機(jī)”原型進(jìn)行研發(fā)，對(duì)外接口通常僅有一個(gè)Type-C接口，支持充電和串口數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽恢С忠蕴W(wǎng)口。因此，北斗導(dǎo)航終端和超短波電臺(tái)之間無(wú)法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，進(jìn)一步導(dǎo)致IP報(bào)文路由尋址在北斗導(dǎo)航終端和超短波電臺(tái)之間中斷。北斗導(dǎo)航終端串口不支持IP地址配置，進(jìn)一步導(dǎo)致上層指控應(yīng)用間名錄基于本地IP地址尋址無(wú)法進(jìn)行。需針對(duì)運(yùn)輸車、加油車、急救車等保障平臺(tái)通聯(lián)需求，設(shè)計(jì)一種基于串口終端+超短波電臺(tái)的通聯(lián)模型，用于解決北斗導(dǎo)航終端一機(jī)多用的裝車模式通聯(lián)問(wèn)題。

3串口通聯(lián)模型

串口終端+超短波電臺(tái)的通聯(lián)模型面臨的通聯(lián)難點(diǎn)主要在于，基于保障平臺(tái)內(nèi)部北斗導(dǎo)航終端與超短波電臺(tái)通過(guò)串口互聯(lián)的實(shí)際情況，解決網(wǎng)絡(luò)層路由尋址和指控名錄尋址的問(wèn)題。

3.1串口通聯(lián)模型設(shè)計(jì)

北斗導(dǎo)航終端一機(jī)多用的裝車模式，平臺(tái)上裝北斗導(dǎo)航終端和超短波電臺(tái)[7]。其中，北斗導(dǎo)航終端部署指控軟件和保障業(yè)務(wù)軟件，并通過(guò)串口連接超短波電臺(tái)。保障平臺(tái)之間通聯(lián)的手段有2種，既可以基于超短波電臺(tái)無(wú)線信道進(jìn)行互聯(lián)，也可以基于北斗短消息進(jìn)行互通，2種手段互為備份。保障業(yè)務(wù)軟件通常單裝使用，指控軟件通常需跨平臺(tái)互通。指控軟件既可以通過(guò)北斗短消息進(jìn)行平臺(tái)間互通，也可以基于超短波電臺(tái)信道進(jìn)行跨平臺(tái)通聯(lián)[8]。本文重點(diǎn)研究解決指控軟件通過(guò)超短波電臺(tái)信道進(jìn)行跨平臺(tái)問(wèn)題。

根據(jù)上述使用需求，在傳統(tǒng)網(wǎng)口終端+超短波電臺(tái)的通聯(lián)方式基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一機(jī)多用的裝車模式下，指控軟件基于串口終端+超短波電臺(tái)進(jìn)行互通，模型如圖2所示[9]。

（1）網(wǎng)絡(luò)接口層

平臺(tái)內(nèi)部，北斗導(dǎo)航終端與超短波電臺(tái)通過(guò)串口連接，基于SLIP協(xié)議進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，而不是基于以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行互通。平臺(tái)之間，通過(guò)超短波電臺(tái)無(wú)線信道互通。

（2）網(wǎng)絡(luò)層

平臺(tái)內(nèi)部，由于北斗導(dǎo)航終端與超短波電臺(tái)通過(guò)串口連接，導(dǎo)致北斗導(dǎo)航終端與超短波電臺(tái)之間傳統(tǒng)意義上的IP網(wǎng)絡(luò)處于割裂狀態(tài)，導(dǎo)致IP報(bào)文路由尋址在北斗導(dǎo)航終端和超短波電臺(tái)之間中斷，因此指控軟件無(wú)法基于IP網(wǎng)絡(luò)獲取接收端路由，更無(wú)法直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向接收端發(fā)送指控報(bào)文。

考慮到兩端超短波電臺(tái)之間通過(guò)Ad hoc協(xié)議進(jìn)行互通，具備平臺(tái)間基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通聯(lián)環(huán)境。因此北斗導(dǎo)航終端可以基于SLIP協(xié)議封裝IP報(bào)文后，通過(guò)串口鏈路，采取握手轉(zhuǎn)發(fā)方式，將其傳輸至發(fā)送端超短波電臺(tái)。發(fā)送端超短波電臺(tái)通過(guò)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行尋址，獲取接收端路由后，發(fā)送至接收端超短波電臺(tái)。接收端超短波電臺(tái)收到IP報(bào)文后，基于SLIP協(xié)議封裝IP報(bào)文，通過(guò)串口鏈路，采取握手轉(zhuǎn)發(fā)方式，再將其傳輸至接收端北斗導(dǎo)航終端，完成網(wǎng)絡(luò)層尋址轉(zhuǎn)發(fā)。

（3）應(yīng)用層

由于北斗導(dǎo)航終端與超短波電臺(tái)之間采取握手轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，指控軟件名錄無(wú)法基于串口終端（北斗導(dǎo)航終端）IP地址進(jìn)行尋址。因此，北斗導(dǎo)航終端部署指控軟件名錄地址不能設(shè)置為北斗導(dǎo)航終端IP地址。

考慮到與北斗導(dǎo)航終端直連的超短波電臺(tái)IP地址可以進(jìn)行尋址轉(zhuǎn)發(fā)，指控軟件名錄地址對(duì)應(yīng)IP地址可以設(shè)置為本端超短波電臺(tái)IP地址，對(duì)端名錄地址對(duì)應(yīng)IP地址可以設(shè)置為對(duì)端超短波電臺(tái)IP地址，指控軟件之間即可基于指控名錄進(jìn)行報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)。

綜上所述，應(yīng)用層指控軟件之間基于指控名錄進(jìn)行指控報(bào)文收發(fā)；網(wǎng)絡(luò)層兩端超短波電臺(tái)之間通過(guò)Ad hoc進(jìn)行路由尋址和IP報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)；網(wǎng)絡(luò)接口層北斗導(dǎo)航終端通過(guò)串口鏈路，采用握手轉(zhuǎn)發(fā)方式，將報(bào)文傳輸至超短波電臺(tái)，超短波電臺(tái)之間基于無(wú)線信道實(shí)現(xiàn)報(bào)文透明傳輸。

3.2串口NAT協(xié)議

串口終端+超短波電臺(tái)通聯(lián)的核心在于[10]，在不改變上層指控應(yīng)用使用習(xí)慣的條件下，解決串口終端網(wǎng)絡(luò)路由尋址和指控名錄尋址問(wèn)題。通過(guò)在北斗導(dǎo)航終端（串口終端）與超短波電臺(tái)之間，構(gòu)建串口NAT協(xié)議，實(shí)現(xiàn)北斗導(dǎo)航終端與超短波電臺(tái)之間基于串口鏈路，采用握手轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行報(bào)文傳輸。同時(shí)，超短波電臺(tái)預(yù)留部分指控報(bào)文專用端口資源，并設(shè)置NAT Binding轉(zhuǎn)換，如圖3所示，對(duì)報(bào)文進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，以便于報(bào)文在平臺(tái)間基于超短波信道進(jìn)行透明傳輸。

串口NAT協(xié)議設(shè)計(jì)，可基于TCP/IP NAT思想，在超短波電臺(tái)設(shè)置NAT Binding轉(zhuǎn)換，建立指控軟件業(yè)務(wù)端口與超短波電臺(tái)預(yù)留指控報(bào)文端口映射關(guān)系，并對(duì)IP報(bào)文進(jìn)行IP地址和端口替換，如圖4所示。

串口NAT協(xié)議流程如下：

（1）北斗導(dǎo)航終端與超短波電臺(tái)通過(guò)串口SLIP協(xié)議，握手識(shí)別相互設(shè)備狀態(tài)和基本信息；

（2）發(fā)送端指控軟件查找接收端名錄地址（對(duì)應(yīng)IP地址為接收端超短波電臺(tái)IP地址），生成指控報(bào)文并封裝為IP報(bào)文，源IP地址和源端口分別為發(fā)送端北斗導(dǎo)航終端IP地址（無(wú)實(shí)際意義，僅作為標(biāo)識(shí)）和發(fā)送端北斗導(dǎo)航終端指控軟件所使用端口，目的IP地址和目的端口分別為接收端超短波電臺(tái)IP地址和接收端北斗導(dǎo)航終端指控軟件所使用端口；

（3）指控軟件調(diào)用系統(tǒng)資源發(fā)送指控報(bào)文后，北斗導(dǎo)航終端操作系統(tǒng)截獲報(bào)文，直接調(diào)用串口SLIP協(xié)議，采取握手轉(zhuǎn)發(fā)方式，將IP報(bào)文傳輸至發(fā)送端超短波電臺(tái)；

（4）發(fā)送端超短波電臺(tái)收到報(bào)文后，查看目的端口為指定指控報(bào)文業(yè)務(wù)端口后，依據(jù)NAT Binding轉(zhuǎn)換，對(duì)報(bào)文進(jìn)行IP地址和端口替換，源IP地址和源端口分別替換為發(fā)送端電臺(tái)IP地址和電臺(tái)預(yù)留指控報(bào)文端口，目的IP地址保持不變，目的端口替換為電臺(tái)預(yù)留指控報(bào)文端口；

（5）發(fā)送端超短波電臺(tái)將IP報(bào)文轉(zhuǎn)換后，通過(guò)Ad hoc協(xié)議查找接收端超短波電臺(tái)地址，通過(guò)無(wú)線信道，將報(bào)文發(fā)送至接收端超短波電臺(tái)；

（6）接收端超短波電臺(tái)收到報(bào)文后，解封裝出IP報(bào)文；

（7）查看IP報(bào)文目的端口為電臺(tái)指控報(bào)文預(yù)留端口后，依據(jù)NAT Binding轉(zhuǎn)換，對(duì)報(bào)文進(jìn)行IP地址和端口替換，源IP地址和源端口分別替換為發(fā)送端電臺(tái)IP地址和電臺(tái)指控報(bào)文預(yù)留端口，目的IP地址保持不變，目的端口替換為電臺(tái)指控報(bào)文預(yù)留端口；

（8）接收端超短波電臺(tái)調(diào)用串口SLIP協(xié)議，將IP報(bào)文傳輸至接收端北斗導(dǎo)航終端；

（9）接收端北斗導(dǎo)航終端將報(bào)文交付指控軟件，指控軟件查找名錄，確認(rèn)為發(fā)送端名錄地址（對(duì)應(yīng)IP地址為發(fā)送端超短波電臺(tái)IP地址）。

3.3效能提升

相對(duì)于傳統(tǒng)基于網(wǎng)口終端+超短波電臺(tái)的通聯(lián)模型，串口終端+超短波電臺(tái)的通聯(lián)模型有如下優(yōu)點(diǎn)：

一是可以有效解決保障平臺(tái)互通難題。運(yùn)輸車、加油車、急救車等單裝價(jià)值較低且配備數(shù)量較大的保障平臺(tái)，將信息終端和北斗導(dǎo)航終端合并使用，直接在北斗導(dǎo)航終端上部署指控軟件。在降低保障經(jīng)費(fèi)，提高集成化程度的同時(shí)，也帶來(lái)了網(wǎng)絡(luò)路由和指控名錄尋址難的問(wèn)題。串口終端+超短波電臺(tái)的通聯(lián)模型，可以基于串口NAT協(xié)議，解決保障平臺(tái)互通問(wèn)題。

二是對(duì)上層應(yīng)用透明。串口終端+超短波電臺(tái)的通聯(lián)模型，可以在不改變上層指控應(yīng)用使用習(xí)慣的條件下，有效解決串口終端網(wǎng)絡(luò)路由尋址和指控名錄尋址難的問(wèn)題。

三是基于NAT思想，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了串口NAT協(xié)議。由于北斗導(dǎo)航終端，通常基于“手機(jī)”模型研發(fā)，對(duì)外接口通常僅有一個(gè)Type-C接口，支持充電和串口數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，不支持以太網(wǎng)口。因此，傳統(tǒng)基于網(wǎng)口終端+超短波電臺(tái)的通聯(lián)方式，將不再適用。針對(duì)運(yùn)輸車、加油車、急救車等保障平臺(tái)通聯(lián)需求，基于串口終端和超短波電臺(tái)，在超短波電臺(tái)設(shè)置NAT Binding轉(zhuǎn)換，建立指控軟件業(yè)務(wù)端口與超短波電臺(tái)預(yù)留指控報(bào)文端口映射關(guān)系，并對(duì)IP報(bào)文進(jìn)行IP地址和端口替換，解決了保障平臺(tái)一機(jī)多用的裝車模式通聯(lián)問(wèn)題。

4結(jié)束語(yǔ)

工程、修理、衛(wèi)生、運(yùn)輸?shù)纫恍┍Ｕ项惼脚_(tái)，受平臺(tái)集成空間緊張、保障人力缺少和建設(shè)經(jīng)費(fèi)不足等原因，為了減少上裝設(shè)備數(shù)量、提高平臺(tái)集成化程度，將信息終端和北斗導(dǎo)航終端合并使用，直接在北斗導(dǎo)航終端上部署指控軟件，進(jìn)行一機(jī)多用。針對(duì)上述使用需求，本文分析了當(dāng)前“網(wǎng)口終端+超短波電臺(tái)”通聯(lián)模型特點(diǎn)和存在問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于串口終端+超短波電臺(tái)的通聯(lián)模型，并創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了相應(yīng)串口NAT協(xié)議，可以在不改變上層指控應(yīng)用使用習(xí)慣的條件下，有效解決串口終端基于超短波電臺(tái)信道進(jìn)行通聯(lián)的問(wèn)題。

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