基于北斗衛星的大型海洋浮標通信機制研究

黎 明，時海勇

(中國海洋大學工程學院，山東 青島 266100)

基于北斗衛星的大型海洋浮標通信機制研究

黎 明，時海勇

(中國海洋大學工程學院，山東 青島 266100)

針對北斗通信效率低、通信并非百分百可靠等問題，提出了一套新的大型海洋浮標北斗通信機制，包含一套通信協議、一種適用于通信數據的“位拼接-LZW”兩重數據壓縮機制以及一套適用于通信系統的“主-從”兩重狀態機通信控制機制。該機制有效地提高了通信傳輸效率，節約了通信成本，保證了北斗通信的可靠性，并且已成功應用于大型海洋浮標中。

大型海洋浮標；北斗通信；數據壓縮；LZW算法；狀態機

北斗衛星導航定位系統是我國自主研制開發的區域性有源三維衛星定位與通信系統，該系統主要有快速定位、簡短通信和精密授時三大功能，是繼美國的全球定位系統(GPS)、俄羅斯的GLONASS之后第三個成熟的衛星導航系統[1]。

北斗衛星導航定位系統能有效保障用戶關鍵業務數據在存儲、處理和傳輸過程中的安全性，對國防及經濟安全起著至關重要的作用。現代海洋浮標的通信方式多種多樣，包括海事衛星、GPRS、北斗衛星以及VHF等。但是出于安全性與自主性的考慮，北斗通信成為了我國海洋浮標數據通信的主要通信方式。但是北斗自身特性上存在一些缺陷：

(1)北斗衛星單次通信數據量小。北斗衛星二類民用用戶一次只可以傳輸最多77個字節的二進制數據。

(2)北斗衛星通信時間間隔大。二類民用用戶連續兩次通信需要至少1 min的時間間隔。如果通信幀數過多，一個完整數據包通信的完成將跨越較長的時間跨度，考慮多浮標的情況，很可能出現數據不能在本時次的有限時間內完全傳輸完的情況。

(3)北斗通信按數據量收費。常年累月大數據量通信勢必導致通信成本的飆升。

(4)北斗衛星可靠性并非百分之百。北斗衛星導航定位系統截至2008年底已累計提供定位服務2.5億次、通信服務1.2億次、授時服務2,500萬次，系統可靠性達99.98%，但是存在0.02%的不可靠概率。

除了北斗衛星自身特性上的缺陷，海洋浮標行業也具有其行業的特殊性——海洋浮標通信數據量大。大型海洋浮標通信數據包含風速、風向、波高、波周期、波向、海流流速、海流流向、氣壓、溫度、濕度、水溫、鹽度、濁度以及葉綠素等10多類200多種數據。

針對北斗衛星自身通信量小、通信時間間隔大、收費、存在一定不可靠性以及海洋浮標通信數據量大等問題，研究一種適用于大型海洋浮標、高效可靠的數據通信機制，有重要意義。本文提出一種基于“位拼接-LZW”兩重數據壓縮和“主-從”兩重狀態機控制的北斗通信機制，很好地解決了海洋浮標北斗通信效率和可靠性的問題。該機制已經被成功應用于中國海洋大學與海洋局東海分局合作的大型海洋浮標項目中。本文將從以下幾個方面來闡述該通信機制：

(1)“位拼接-LZW”兩重數據壓縮機制。位拼接就是將數據在位的層面按一定順序首尾相接，再斷截成字節，這樣做可以減少位空間浪費；LZW壓縮算法對具有一定相似度的數據具有顯著的壓縮效果。兩者結合能有效提升北斗通信效率。

(2)通信協議。由于經兩重數據壓縮后，數據長度不固定，該通信協議被設計為變幀協議，即通信總幀數視壓縮結果而定。

(3)“主-從”兩重狀態機控制機制。主狀態機在多浮標的層面處理數據，識別出浮標號后，將數據幀拋給從狀態機。從狀態機與單個浮標對應，在單浮標的層面處理數據。

1 “位拼接-LZW”兩重壓縮機制

1.1 位拼接算法

數據壓縮技術就是減少用于存儲和傳輸信息的位的數目[2]。位拼接算法就是在位的層面將數據加以拼接，節省掉數據之間的位空間浪費。現實中，海洋環境各種參數量值都是在一定的范圍內的，如風速只可能是0～100 m/s,水溫只可能在-50～50℃，超出該范圍的值就可以認為是野值。因此，就可以根據物理量的實際范圍，來確定最小的數據表達位數。

在發送端，只需將各類物理量對應的最小位數的二進制數在位的層面拼接起來，再斷截成字節；在接收端，我們需要按位拼接算法反解出各個數據，再加上偏移量就得到了所需物理量。

位拼接算法節省位空間，效果十分顯著，位拼接之前，海洋浮標200多種數據要占355個字節，經位拼接壓縮后，只占255個字節，有效節省了100個字節的空間，壓縮率約為28.17%。

1.2 LZW算法

LZW實質是一種無損壓縮[3-6]。LZW算法是在1984年由TA Welch對LZ編碼中的LZ78算法修改而成的一種實用的字典壓縮算法，是對LZ78算法的改進[7]。字典是在編解碼過程中動態形成的且不必將字典傳給解碼器，這是LZW高效的主要原因。

LZW壓縮算法的基本思想是根據待壓縮的字符流動態生成一個字典，將輸入字符串映射成定長的碼字輸出。LZW壓縮算法實現步驟如下：

（1）初始化字典，使字典包含所有可能的前綴根，并置前綴Prifix為空；

（2）讀取輸入流中的字符，賦給當前字符C；

（3）判斷綴符PrifixC(Prifix+C)是否在字典中，若在字典中，更新Prifix=PrifixC，若不在字典中：①將Prifix對應的碼字寫入輸出碼流；②將PrifixC添加到字典中并更新Prifix=C；

（4）判斷是否還有數據要壓縮，如果有，則轉到(2)；否則，轉到(5)；

（5）將Prifix對應的字典索引寫入輸出碼流，編碼結束。

LZW解壓縮與壓縮相對，基本思想是根據待解壓縮的碼字流動態生成一個字典，將輸入碼字映射成字符串輸出。LZW解壓縮實現步驟如下：

（1）初始化字典，使字典包含所有可能的前綴根；

（2）讀取編碼數據流中的第一個碼字，賦給cW；

（3）在詞典中查出cW對應的字符串，輸出到字符流；

（4）將當前碼字cW賦給先前碼字pW,即令pW=cW；

（5）讀取編碼數據流中的下一個碼字，賦給cW；

（6）判斷當前碼字是否在字典中，如果在：①把當前碼字對應的字符串輸出到字符流；②將先前碼字對應的字符串賦給前綴Prifix；③取當前碼字cW對應字符串的第一個字符，賦給當前字符C；④將字串Prifix+C添加到字典中；如果不在：①將先前碼字pW對應的字串賦給前綴Prifix；②取先前碼字pW對應字符串的第一個字符，賦給當前字符C；③將字符串Prifix+C輸出到字符流，并將該字串添加到字典中；

（7）判斷編碼數據流中是否還有數據，若果有，則轉到(5)；如果沒有，解壓縮結束。

結合上述LZW算法原理，可知LZW壓縮算法的壓縮率與源數據有關，在一定范圍內浮動，源數據的相似度越高，即包含的相同字符越多，壓縮率越理想；源數據的相似性越低，即包含的相同字符越少，壓縮率越低。給定源數組長度為w，現給出LZW算法的壓縮率范圍：

待壓縮源數組字符都一樣的情況，壓縮率最大，為：

待壓縮源數組字符都不一樣的情況，壓縮率最小，為：

式中：n為碼字字長，m與w存在式（3）所示關系。

1.3 嵌入式環境下LZW算法字典設計

嵌入式環境下，程序開發要考慮的一個重要因素就是存儲空間的大小。盡可能的節省資源是必須遵循的一個原則。LZW算法中最消耗內存資源的就是字典。本文給出一個一維代替二維的一維數組字典模式。該模式用兩個一維數組來作為字典容器。一個存放字串，稱之為字串數組；一個存放字串的首地址及長度，稱之為地址數組。字典數組如圖1所示。該模式避免了二維數組由于字串長度不等帶來的空間冗余。

圖1 字典數組

為了節省空間，ASCII碼值為0～255的256個單字符不占用字典空間，該字典只包含長度大于1的字串。如此一來，字典字串索引碼值Index與輸出碼字Code存在式（4）所示的關系。

為了最大程度滿足需要，同時避免空間浪費，現在給出字典數組大小：

（1）假設需要LZW壓縮源數組的長度為w。

（2）結合LZW算法原理可知，源數組所有字符都不相同的情況，字典所需空間最大，這時源數組中所有字符都在字串中出現兩次，故串數組的最大長度為2w。

（3）源數組所有字符都不相同時，字典項數最多，項數為w，此時對應址數組長度最大，長度為2w。

1.4 壓縮效果

由前文可知，LZW算法的壓縮率與原數據有關，在一個范圍內浮動，那么就只能在統計的層面討論兩重數據壓縮的效果。圖2給出了對1 000包數大型海洋浮標實際數據進行兩重數據壓縮處理時，LZW壓縮的壓縮率分布情況。數據是從浮標現場隨機抽取的，從圖中可以看出經過位拼接后，LZW算法的壓縮率很大概率集中在25%以上。這意味著如果位拼接后的幀數超過4幀的話，經LZW壓縮后很大概率上能夠壓掉至少一幀數據。這無論是從通信時延還是成本上考慮，都是極大的改良。

圖2 LZW壓縮率分布圖

2 通信協議

通信協議是設備間通訊的規范，通信協議設計主要側重于協議可靠性和傳輸效率等方面。由前文可知，“位拼接-LZW”兩重數據壓縮的壓縮率與源數據有關，在某一范圍內浮動，也就是說最終壓縮得到的數據長度不定。針對這種情況，本協議設計成變幀結構，如圖3所示。該協議分為兩層：幀元結構和包元結構。

2.1 幀元結構

幀元結構是該通信協議中的最小通信單元。發送端，各個幀對應的通信數據按位拼接壓縮算法壓縮后，填充到幀元結構的通信數據區，組成幀元；接收端，從幀元結構的通信數據區取出數據后，按位拼接解壓縮算法解析出各個幀對應的通信數據。

幀元結構各個區段的意義見表1。其中命令碼標示幀類型，具體類型見表2。

2.2 包元結構

包元結構是幀元結構的容器，每個包元結果至少包含一個幀元。發送端，將本次要發送的所有幀元結構統一按LZW壓縮算法壓縮后，再將所得數據依次取74個字節填充到包元結構的通信數據區段，組成包元結構，最后一包通信數據不滿74字節的話，有多少數據就填充多少；接收端，取出本次接收到的所有包元結構的通信數據區段，按LZW解壓縮算法解析出各個幀元結構。

包元結構各個區段的意義見表3。

3 “主-從”兩重狀態機控制機制

圖3 通信協議格式

表1 幀元區段意義

表2 命令碼

表3 包元區段意義

兩重數據壓縮只是保證了北斗通信的傳輸效率，北斗通信的另一個重要方面就是通信的可靠性。通信可靠性就是指信息在傳輸中由于信道不理想性出錯概率的大小。影響通信可靠性的因素眾多，主要有通信環境、通信差錯控制技術等[8]。本文從通信差錯控制技術入手，將有限狀態機引入通信控制機制中來，提出了一種“主-從”兩重狀態機控制機制，如圖4所示。“主-從”兩重狀態機機制彌補了北斗通信可靠性上的瑕疵，能夠有效應對丟包的情況，使得通信控制更加有序、不紊亂，增強了系統的健壯性。其作用及優點表現在以下幾個方面：

(1)“主-從”兩重狀態機，有效地解決了多浮標數據通信控制的問題。主狀態機統籌調度，從狀態機分管各單浮標的數據處理工作。

(2)“主-從”兩重狀態機，具有部分幀重發的功能。所謂部分幀重發，就是哪一幀或幾幀漏發或丟失，只要求重發這一幀或幾幀就可以了，不必將所有幀重發一遍。這一功能是在從狀態機的發送應答幀中實現的。

(3)“主-從”兩重狀態機，具有多重糾錯、排錯的功能。主狀態機包含校驗和錯誤處理功能，能初步排除部分錯誤；從狀態機中的錯誤處理，進行進一步排錯。

3.1 主狀態機

主狀態機根據識別出來的浮標號，將數據以及識別出的命令號拋給與該浮標號對應的從狀態機，從而啟動后續數據處理。主狀態機好比一道防火墻，所有浮標的數據都要經其篩選把關，再路由給不同的從狀態機，既起著激活各個從狀態機的作用，同時為從狀態機分擔了部分錯誤處理工作，減輕了從狀態機的負擔。

3.2 從狀態機

從接收狀態與浮標號一一對應，有幾個浮標就有幾個從接受狀態機。從狀態機負責各個浮標數據通信的控制，每個從狀態機都獨占一個線程，所有從狀態機同時自行運轉，各司其職，同時都接受主狀態機這個主線程的通道調度。從狀態機就是“多浮標”這一功能概念在多線程技術下的完美詮釋。

從狀態機中的發送應答幀環節是至關重要的環節，綜合分析標志位，做出或者部分幀重發應答，或者接收完成應答。從狀態機中錯誤處理環節可以處理超時錯誤和接收錯誤，避免接收過程陷入死循環。

4 結束語

本文提出的“位拼接-LZW”兩重數據壓縮機制在壓縮效率上效果顯著，極大地提升了北斗通信的通信效率，有效地控制了通信成本。從圖2看出，如果通信幀數超過4幀的話，很大概率上能至少壓掉1幀，也就是說每一包就能節省一幀的通信費用以及通信時間。

圖4 “主-從”兩重狀態機機制

本文提出的“主-從”兩重狀態機控制機制很好地抑制了丟包現象，保證了通信的可靠性。與國家海洋局東海分局合作的大型海洋浮標在海上連續運行7個月，其間經歷過多次臺風，系統運行穩定可靠，未出現過通信故障。

[1]姚一飛,王浩,趙東發.北斗衛星導航定位系統綜述[J].科技向導,2011,2(8):10-11.

[2]楊鵬飛,張鵬,趙潔,等.LZW數據壓縮技術在野戰炮兵指揮系統中的應用[J].彈箭與制導學報,2011,31(1):237-240.

[3]姜濱.基于LZW算法的改進算法[J].北華大學學報(自然科學版),2010,11(5):474-476.

[4]姜丹.信息論與編碼[M]（第2版）.合肥:中國科學技術大學出版社,2004．

[5]張鳳林,劉思峰.LZW～*:一個改進的LZW數據壓縮算法[J].小型微型計算機系統,2006,27(10):1897-1899.

[6]Hiroshi Ayama,KazuhiroUeda.Evaluation ofUsers’Adaptation byApplyingLZWCompression AlgorithmtoOperation Logs[M].Berlin:Pringer-Verlag,2004.

[7]陳昌主,陳小松.數據壓縮算法研究與設計[J].電腦與信息技術,2010,18(6):23-25.

[8]高明亮,謝強.無線通信可靠性研究[J].自動化與儀器儀表,2010,148(2):17-23.

Research of Communication Mechanism Based on Beidou Satellite for Large Buoy

LI Ming,SHI Hai-yong
(College of Engineering,Ocean University of China,Qingdao Shandong 266100,China)

For the problems such as low communication efficiency and unreliability of communication,a new communication mechanism for large buoy based on Beidou satellite was proposed,including a set of communication protocols,a double data compression mechanism called “bit splicing-LZW” for communication data and a “master-slave” double state machine communication control mechanism for communication system.The mechanism could improve the communication transmission efficiency,save communication cost and ensure the reliability of communication.The mechanism has been successfully applied to the large buoy.

large buoy;Beidou satellite communication;data compression;LZW algorithm;state machine

P715.2，TN927

B

1003-2029（2012）01-0001-05

2011-09-27

黎明(1975-)，男，副教授，研究方向為智能信息處理與智能控制。