一種用于北斗大容量通信的丟包重傳機制的實現(xiàn)

楊 雙

(深圳市遠東華強導(dǎo)航定位有限公司，河北 石家莊050081)

0 引言

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷發(fā)展和完善，北斗三號[1]報文通信系統(tǒng)解決了北斗一號和北斗二號報文通信功能存在的局限性，北斗三號的短報文能力，與北斗二號相比有了進一步的提升，每次可達1 000個漢字，還可以傳輸圖像、語音等內(nèi)容，并支持每次560 bit(40個漢字)的全球通信能力[2]。

原來北斗二號通信服務(wù)容量最多只有128 字節(jié)，這對于傳輸圖片、語音等大容量數(shù)據(jù)幾乎不可能。自北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)以來，北斗短報文通信服務(wù)能力有了顯著的提升。而且各行各業(yè)對使用北斗傳輸圖片、語音等大容量數(shù)據(jù)的需求越來越多，例如在發(fā)生森林災(zāi)害時，將森林失火照片傳遞到指揮管理中心，以便指揮中心根據(jù)災(zāi)情制定合理的救援方案；在智慧旅游行業(yè)，驢友們在移動信號差的沙漠、山谷等地，相互之間可以使用北斗短報文通信傳遞經(jīng)歷的風(fēng)景；在石油勘探行業(yè)，利用北斗短報文通信可以將油井的狀態(tài)數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)控平臺，以供生產(chǎn)監(jiān)控平臺進行監(jiān)控和分析，避免油井爆炸等災(zāi)害的發(fā)生。

本文在探究傳統(tǒng)丟包重傳機制基礎(chǔ)上，提出了一種用于北斗大容量通信的丟包重傳機制，該機制利用北斗收發(fā)終端陣列部署提高北斗短報文通信的時效性，運用丟包重傳機制使得數(shù)據(jù)傳輸更可靠，提高了北斗短報文通信成功率，滿足各行各業(yè)使用北斗傳輸語音、圖片等大容量數(shù)據(jù)的迫切要求，提高北斗應(yīng)用的廣泛性。

1 北斗短報文通信

北斗短報文通信[3]作為北斗三號最具特色的服務(wù),可以直接通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)點對點、點對多點、兼收下屬信息等服務(wù)，具有全天候、跨地域、收發(fā)業(yè)務(wù)簡單等特點。短報文通信服務(wù)包括區(qū)域短報文通信和全球短報文通信兩種。區(qū)域短報文通信利用3顆GEO衛(wèi)星實現(xiàn)，具備報文通信及位置報告、應(yīng)急搜救功能，報文最長長度為1 000個漢字。全球短報文通信利用14顆MEO衛(wèi)星實現(xiàn)覆蓋全球的報文通信服務(wù)，報文長度最長40個漢字[4]。

基于北斗短報文的通信服務(wù)已在船舶運輸、公路交通、鐵路運輸、海上作業(yè)、漁業(yè)作業(yè)、森林火災(zāi)預(yù)防以及環(huán)境管理監(jiān)測等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，覆蓋部隊、公安及海關(guān)等其他有特殊指揮調(diào)度要求的單位，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效應(yīng)和社會效應(yīng)。以森林防火、救災(zāi)減災(zāi)為例，北斗短報文應(yīng)急通信技術(shù)服務(wù)的應(yīng)用，不僅可以準確及時上報和共享災(zāi)情信息，還顯著提高了救災(zāi)減災(zāi)的決策部署能力和反應(yīng)能力[5]。

隨著北斗三號系統(tǒng)的建設(shè)，北斗短報文通信相比于北斗二號，在通信容量上提升了近10倍，既能傳輸文字，還可傳輸語音和圖片，尤其是在抗震救災(zāi)等惡劣環(huán)境中，可以通過語音快速將現(xiàn)場情況上報，還可以通過圖片展示災(zāi)區(qū)的破壞程度。若要提高通信質(zhì)量，就需要解決北斗大容量通信中丟包問題。針對此問題，本文提出了一種用于北斗大容量通信的丟包重傳機制的實現(xiàn)，可實現(xiàn)北斗在圖片、語音等大容量通信中的廣泛應(yīng)用。

2 丟包重傳

基于北斗的短報文通信服務(wù)向用戶提供了短報文通信功能，每條短報文所能發(fā)送的字節(jié)數(shù)有限，因此，一條長報文數(shù)據(jù)需要拆分成多條短報文數(shù)據(jù)后才能由北斗發(fā)送終端逐條發(fā)送給北斗接收終端。北斗接收終端只有收全所有短報文數(shù)據(jù)后，才能重組還原出原始的長報文數(shù)據(jù)。北斗短報文通信屬于無線通信，無線通信信道容易受到外部環(huán)境干擾，使終端之間的數(shù)據(jù)傳輸不可避免地存在數(shù)據(jù)報文丟失或誤碼的情況。

傳統(tǒng)的處理方法是：① 發(fā)送端配備一臺指揮機，接收端配備下屬用戶，所有發(fā)送都由指揮機進行，丟包后重傳也由單一指揮機來處理，效率較低，而且在進行丟包重傳時，發(fā)送端不能執(zhí)行其他的發(fā)送任務(wù)。② 接收端接收數(shù)據(jù)后，按照北斗短報文格式解析出電文內(nèi)容，并按照包頭標(biāo)識的子包序號組裝成長報文數(shù)據(jù)，組包成功后向發(fā)送端發(fā)送信息內(nèi)容為0的響應(yīng)包，表示數(shù)據(jù)包完成接收無子包丟失；若組包不成功，存在數(shù)據(jù)子包缺失，根據(jù)解析過程中包頭標(biāo)識信息定位丟失子包序號，并向發(fā)送端發(fā)送重傳的包序號，同時在預(yù)計時間內(nèi)沒能接收到全部子包，則重復(fù)補包操作，最多重復(fù)3次；若仍不成功，則放棄本次數(shù)據(jù)包補發(fā)，轉(zhuǎn)而執(zhí)行其他數(shù)據(jù)傳輸流程[6-7]。

這種傳統(tǒng)的丟包重傳機制，能夠在一定程度上提高通信鏈路的可靠性。但是對于包數(shù)較多，大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，通信效率無法得到保證，而且是在單一發(fā)送終端實現(xiàn)，通過單一發(fā)送終端按照服務(wù)頻度發(fā)送數(shù)據(jù)包，如果發(fā)生丟包重傳，則單一發(fā)送終端丟包重傳。采取這種方式，發(fā)送數(shù)據(jù)包較費時，而且成功率較低，用戶的體驗效果較差。有的方案采用了多個終端陣列，但是對于終端陣列使用分配以及丟包重傳也是采取機械式的方式，沒有合理利用通信鏈路資源。

下面對兩種方式傳輸大容量數(shù)據(jù)所需時間進行比較：

根據(jù)不同的IC卡，北斗三號全球短報文通信頻度預(yù)估主要分為1 s、5 s、30 s和60 s,由于全球用戶容量較小，1 s的卡幾乎不發(fā)放，5 s的卡只限特定用戶申請和發(fā)放，大部分普通用戶只能申請30 s和60 s的卡。

按能申請到的最高頻度5 s的卡來計算，如果發(fā)送一張1 MB的圖片，共需要耗時：(1×1 024×1 024×8/14 000)×5=2 995 s=0.8 h，考慮到14 000 bit不可能全部用于傳輸有效數(shù)據(jù)，估計傳輸時間在1 h左右。

同樣的數(shù)據(jù)容量如果用30 s的頻度進行傳輸，傳輸耗時則為6 h。

如果采用終端陣列的方案將極大地提高通信帶寬，如果采用32陣列，則傳輸1 MB的數(shù)據(jù)量，5 s卡耗時約0.025 h(1.5 min),30 s卡耗時約0.188 h(11.28 min)。

通過表1可以看出，本文介紹的一種實現(xiàn)北斗大容量數(shù)據(jù)傳輸，在一定程度上解決了丟包影響，而且通信效率和通信容量得到大幅度提升，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。

表1 數(shù)據(jù)傳輸量統(tǒng)計表

3 平臺軟件及北斗終端開發(fā)設(shè)計

3.1 北斗終端分配原理

發(fā)送端發(fā)送分包，根據(jù)分包總個數(shù)選擇終端陣列中的終端。假設(shè)終端陣列為N個，共M個任務(wù)，第1個任務(wù)需要發(fā)送X1個數(shù)據(jù)包，第2個任務(wù)需要發(fā)送X2個數(shù)據(jù)包，第M個任務(wù)需要發(fā)送Xm個數(shù)據(jù)包。則發(fā)送端對于北斗終端的分配如下：

(1) 如果X1>N，即第一個任務(wù)發(fā)送包個數(shù)大于終端陣列，則按照以下分配發(fā)送終端：

北斗終端1傳輸?shù)?包，第N+1,第2N+1,…,第X1-N包；

北斗終端2傳輸?shù)?包，第N+2,第2N+2,…,第X1+1-N包；

以此類推，北斗終端N傳輸?shù)贜包，第2N包，第3N包,…,第X1包(3N

第一個任務(wù)完成后，再執(zhí)行第二個任務(wù)。

(2) 如果X1+X2+…+Xp≤N(其中P

北斗終端1傳輸[任務(wù)1]第1包;

北斗終端2傳輸[任務(wù)1]第2包;

以此類推，北斗終端X傳輸[任務(wù)1]第X1包。

北斗終端X+1，傳輸[任務(wù)2]第1包;

北斗終端X+2，傳輸[任務(wù)2]第2包;

以此類推，北斗終端N，傳輸[任務(wù)P]第Xp包。

如果是丟包重傳數(shù)據(jù)包[5]，則與上述北斗終端分配原理相同。

3.2 數(shù)據(jù)分包

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在通信時每次傳輸數(shù)量必須限制在14 000 bit以內(nèi)，因此在進行大容量數(shù)據(jù)傳輸時，需要對其進行分包傳輸。具體是把大數(shù)據(jù)包拆分為系統(tǒng)所允許傳輸數(shù)據(jù)量n個字節(jié)的小數(shù)據(jù)包，然后每個小的數(shù)據(jù)包加上相對應(yīng)的包頭，包頭中含有數(shù)據(jù)的序列信息，將分包依次發(fā)送出去。接收端在接收到各個數(shù)據(jù)包后，對其進行對比驗證，確認所有數(shù)據(jù)包是否完全接收，完全接收的數(shù)據(jù)包合并分割前的數(shù)據(jù)，未完全接收的啟動丟包重傳機制[6]。

北斗三號短報文區(qū)域通信能力可達每次14 000 bit(1 000個漢字)，既能傳輸文字，也可以傳輸圖片，并支持560 bit/次(40個漢字)的全球通信能力[7]。

以一張245 kB的圖片，頻度為5 s，通過區(qū)域短報文通信來計算：

245 kB=245×1 024 B=245×1 024×8=2 007 040 bit；

通信次數(shù)：M(總包數(shù))=2 007 040/14 000≈144次(144個分包)；

144×5=720 s=12 min。

為了縮短發(fā)送所需的時間，采用北斗終端通信陣列，即：

令k=mod(M/N)，mod為取余數(shù)，0≤k

數(shù)據(jù)分包如圖 1所示。

圖1 數(shù)據(jù)分包示意圖Fig.1 Schematic diagram of data subcontracting

3.3 數(shù)據(jù)重組

接收方接收到包后，根據(jù)幀唯一標(biāo)識、總包數(shù)、包序號還原發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容，數(shù)據(jù)重組如圖 2所示。

圖2 數(shù)據(jù)重組示意圖Fig.2 Data reorganization diagram

3.4 傳輸流程

整個數(shù)據(jù)發(fā)送過程包括數(shù)據(jù)壓縮[8]、數(shù)據(jù)分包、數(shù)據(jù)發(fā)送和丟包重傳[9]流程。有3種情況：

(1) 整個過程未丟包

接收端接收到最后一包數(shù)據(jù)，判斷未丟包，通過接收終端陣列告知發(fā)送端信息接收完全。處理流程如圖3所示。

圖3 處理流程圖Fig.3 Processing flow chart

(2) 接收端丟失最后一包數(shù)據(jù)的情況下

發(fā)送端向接收端發(fā)送查詢指令，詢問接收端是否接收完全，接收端根據(jù)接收到的包信息，解析出包序號、總包數(shù)等信息，將未接收到的包序號組幀，通過接收終端陣列告知發(fā)送端，發(fā)送端根據(jù)終端繁忙情況，選擇終端陣列進行數(shù)據(jù)重發(fā)。數(shù)據(jù)發(fā)送處理流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)發(fā)送處理流程(發(fā)送端主動發(fā)起詢問)Fig.4 Data transmission processing flow (the sender actively initiates an inquiry)

(3) 接收端接收到最后一包數(shù)據(jù)，但是中間包有丟失的情況下

接收端接收到最后一包數(shù)據(jù)，將未接收到的包序號組幀，通過接收終端陣列告知發(fā)送端，發(fā)送端根據(jù)終端繁忙情況，選擇終端進行數(shù)據(jù)重發(fā)。數(shù)據(jù)發(fā)送處理流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送處理流程(接收端主動反饋接收信息)Fig.5 Data transmission processing flow (receiving end actively feedbacks received information)

重傳包流程如圖6所示。

圖6 重傳包處理流程Fig.6 Retransmission packet processing flow

由于發(fā)送端和接收端采用的是終端陣列，對于接收端反饋的丟包重傳指令，整個陣列終端全部發(fā)送此丟包重傳指令，發(fā)送端接收到一條即可以處理，相比于單一設(shè)備，使用終端通信陣列，通信成功率會大大提高。

3.5 數(shù)據(jù)丟包重傳實現(xiàn)

假設(shè)發(fā)送端終端個數(shù)為4，接收端終端個數(shù)為4。

發(fā)送端到接收端發(fā)送流程為：發(fā)送端將大容量信息先進行壓縮，壓縮后的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分包；分包后，平臺處理軟件通過發(fā)送終端陣列發(fā)送數(shù)據(jù)；北斗終端通過幀中的終端編號，判斷是否通過自己轉(zhuǎn)發(fā)，如果是，則繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)，如果不是則丟掉。

接收端接收數(shù)據(jù)處理流程：當(dāng)發(fā)送端發(fā)送完成后，向接收端發(fā)送查詢是否丟包指令，如果發(fā)送端連續(xù)發(fā)送3遍接收端都沒有反饋，則發(fā)送端不再等待，開始執(zhí)行下一個任務(wù)。如果接收端接收到發(fā)送端發(fā)送的查詢丟包指令，則根據(jù)每包的“包序號”識別丟失的包，如果未丟包，則通過4個用戶機通知發(fā)送端“數(shù)據(jù)接收完畢”；如果接收不全，則通過北斗信息將“丟失的包序號”通知發(fā)送端，發(fā)送端接收解析后，將這些包重發(fā)，如果丟包重傳指令發(fā)送3遍，發(fā)送端都未返回丟包數(shù)據(jù)，則不再等待，關(guān)閉此任務(wù)，開始執(zhí)行新的任務(wù)。

圖7為整個鏈路丟包工作流程圖。

圖7 丟包重傳系統(tǒng)工作流程圖Fig.7 Work flow chart of lost packet retransmission system

以上介紹的是發(fā)送查詢指令查詢接收端是否接收完全，接收端應(yīng)答此消息。還有一種情況是，接收端已經(jīng)接收到最后一包數(shù)據(jù)，接收端主動判斷是否已經(jīng)接收完全，并發(fā)送反饋指令，告知發(fā)送端“我已接收完畢”或“我有第X包未接收到”，發(fā)送端如果接收到接收完畢通知，則關(guān)閉此任務(wù)，如果接收到丟包重傳指令，則開啟丟包重傳流程。實驗結(jié)果如表2所示。

表2 通信實驗記錄

從表2可以看出，“北斗”衛(wèi)星系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信時數(shù)據(jù)丟包還是很嚴重的。數(shù)據(jù)丟包與通信終端性能以及外界干擾都有關(guān)系，但是采用了本文提出的終端收發(fā)陣列以及丟包重傳原理后，只有1次補發(fā)失敗，原因是當(dāng)時信號終端受到強烈干擾，載噪比很低，其他情況丟包重傳都成功了，最差的一次通信成功率達到了98.2%。

4 運行效果

發(fā)送端終端個數(shù)為4，接收端終端個數(shù)為4，終端采用頻度為5 s的卡進行圖片發(fā)送測試。

圖片大小為：30.94 kB，壓縮后大小為：13.923 kB，單包傳輸1.5 kB，分為10包，第1～9包為1.5 kB，最后一包為0.423 kB。

4個發(fā)送終端依次發(fā)送第1～10包數(shù)據(jù)，發(fā)送完成后，發(fā)送查詢指令，接收端接收到查詢指令后，申請重傳第1、第4包數(shù)據(jù);發(fā)送端分配兩個終端重發(fā)第1、第4包，接收端接收完全后，向發(fā)送端發(fā)送接收完全通知，發(fā)送端接收后，結(jié)束此任務(wù)。

圖8為發(fā)送端客戶端軟件，選擇一張圖片進行傳輸，圖9是接收端軟件，通信記錄中實時顯示發(fā)送和接收的內(nèi)容。由圖9可以看出，通過北斗發(fā)送大容量通信，發(fā)送一張30.94 kB的圖片用時僅為13 s，丟包重傳成功率達到100%。而且通過壓縮還原接收到的圖片，圖片質(zhì)量滿足一般用戶要求，達到了預(yù)想效果。

圖8 發(fā)送端運行效果圖Fig.8 Rendering of the sender′s operation

圖9 接收端運行效果圖Fig.9 Receiving end running effect diagram

5 結(jié)束語

針對北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)需要發(fā)送語音、圖片等大容量信息，提出了平臺及終端架構(gòu)、終端分配、數(shù)據(jù)包重傳機制等，極大地擴展了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用。相比于簡單的依靠單一終端重傳包的方式，本文方法應(yīng)用更靈活，經(jīng)試驗驗證通信成功率達到98.2%，通信速率可以提高到秒級。但是在環(huán)境受到嚴重干擾時，北斗短報文通信會出現(xiàn)丟包、誤碼的情況，影響了通信的成功率和用戶的體驗效果。如果需要解決此問題，就需要解決北斗短報文通信的傳輸?shù)却龝r間、傳輸速率、丟包及誤碼率等問題。隨著研究技術(shù)的不斷進步，北斗大容量信息傳輸將在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[10]。