異構網絡制式下的3G點對點遠程數據傳輸

高小娟，車 明，黎 賀

（天津大學計算機科學與技術系，天津300072）

異構網絡制式下的3G點對點遠程數據傳輸

高小娟，車 明，黎 賀

（天津大學計算機科學與技術系，天津300072）

通過研究現有遠程通信技術的局限性，根據構建穩健遠程數據傳輸系統的實際需求，集成3G通信技術和北斗短報文通信技術，提出一種可靠的遠程數據傳輸方法。在3G網絡覆蓋的區域，采用3G技術進行遠程數據傳輸。在3G網絡無法覆蓋的區域或3G通信基站被干擾破壞的區域，采用北斗短報文通信進行數據傳輸。由于在WCDM A和TD-SCDMA制式下，無法實現設備間的點對點通信，因此，通過建立數據中轉服務器進行存儲轉發，為3G發送方和接收方提供實時與非實時2種通信方式，實現異構網絡制式下的點對點通信。同時，針對北斗短報文通信的不可靠傳輸，提出一種基于反饋的丟包重發機制來提高北斗短報文傳輸的可靠性。采用SBC8600嵌入式開發板以及Linux操作系統構建通信平臺進行通信實驗，結果驗證了該方法的合理性以及傳輸數據的可靠性。

3G網絡；點對點通信；存儲轉發；并發服務；異構網絡制式；北斗短報文通信

1 概述

隨著自然災害的頻繁發生，如何建立可靠穩健的自然災害預防系統成為研究熱點。災害預防系統主要包括數據采集、數據傳輸和數據處理3個部分。數據采集部分即分布各地的傳感器采集自然環境參數（包括PM 2.5、風向等）。數據處理部分即數據處理服務器接收傳輸來的數據并對這些數據進行分析、處理及顯示。數據采集和處理部分實現較為容易，而如何建立穩健的數據傳輸通道成為其中的難題。

當前，遠程數據傳輸方案通常是基于常規的通信技術來實現的，許多專家學者針對該問題進行了深入研究，并取得相應的研究成果。文獻［1］采用以太網進行遠程數據傳輸，以確保傳輸的實時性；文獻［2］使用ZigBee網絡和GPRS進行數據傳輸，以提高數據傳輸可靠性；文獻［3］采用GPRS與SMS結合進行傳輸實現傳輸方式的互補；文獻［4］采用地理相鄰節點作為路由進行數據包轉發，從而形成移動自組織網絡進行數據傳輸，確保通信終端的移動性。除此之外，遠程傳輸方式還有同軸光纜、激光、微波等。然而現有的遠程數據傳輸方式都有各自的不足之處：以太網和同軸光纜需要有線連接，偏遠地區實現較為困難；ZigBee網絡具有技術瓶頸，移動終端無法進行組網，且傳輸距離較近；GPRS存在丟包現象和轉接時延［5］；激光傳輸的價格較為昂貴；微波傳輸相鄰站間必須直視，不能有障礙物，有時會因多徑效應產生失真且傳播時受天氣影響較大；移動自組織網絡無法保證傳輸鏈路的通暢性以及數據傳輸的可靠性［6］。

隨著3G技術的日益成熟和廣泛應用，3G通信已成為遠程數據傳輸的重要技術手段，3G網絡PS域的數據傳輸具有傳輸距離長、通信效率高等特點［7］。然而不同運營商采取的異構網絡制式導致不同3G通信終端無法進行點對點通信，針對該問題，本文研究采用數據中轉服務器進行數據的存儲轉發來實現異構3G網絡制式下的設備間點對點通信；同時，由于傳感器分布廣泛，本文基于北斗衛星構建了無盲區的傳輸鏈路來提高數據傳輸的可靠性。衛星通信具有鏈路誤碼率低、無通信盲區等特點，基于北斗短報文服務的衛星通信技術已經廣泛應用于地震救災中［8］。

本文提出集成3G通信技術和北斗短報文通信技術進行遠程數據傳輸的方案，并研發一款多途徑通信接口機作為該方案的硬件平臺，該通信接口機為3G通信與北斗通信提供接口。基于該通信接口機，本文實現了3G與北斗衛星相結合的方式進行遠程數據傳輸，從而構建無盲區異構制式下的點對點遠程通信系統。

2 系統通信機制

本文旨在突破目前遠程數據傳輸限制，集合3G通信與北斗通信，建立可靠高效無盲區的遠程數據傳輸鏈路，傳輸示例圖如圖1所示。

圖1 遠程數據傳輸示例圖

2.1 3G網絡通信機制

現有的成熟3G網絡制式為WCDMA、CDMA 2000以及TD-SCDMA。在進行遠程數據傳輸時，并不涉及電路交換網絡，因此，只考慮3G網絡PS域的數據傳輸。

在WCDMA和TD-SCDMA網絡制式下，3G終端設備撥號上網獲得由GGSN（網關GPRS支持節點）分配的動態局域網IP地址，且3G運營商在網絡管理層禁止設備間相互通信，因而處在同一WCDMA網絡或同一TD-SCDMA網絡中的3G設備無法進行點對點數據傳輸，而在CDMA2000制式下，3G終端設備可分配獲得公網IP地址接入互聯網［9］，因而，同一CDM A 2000網絡中的3G設備可進行點對點通信；另外，國內現有的3種3G網絡制式使用不同的通信協議，因而處于不同3G網絡制式下的設備間也無法進行點對點數據傳輸。

為解決這一問題，本文提出采用數據中轉服務器（DTS）進行存儲轉發的方式來實現異構網絡制式下的3G設備點對點通信。

在進行3G點對點通信時，發送端和接收端首先進行3G撥號上網，從運營商處獲得各自局域網或公網IP地址，然后收發雙方分別與數據中轉服務器建立TCP/IP連接；當發送端向服務器發送數據時，數據包內容必須包含真實數據和目標接收端編號兩部分；服務器解析數據包得到真實數據以及接收端編號，根據接收端編號生成一個與其對應的數據文件，并將接收到的真實數據以追加的方式寫入該數據文件中；當服務器檢測到目標接收端接入，且其對應的數據文件不為空時，將該數據文件中的數據讀出并轉發給接收端，最后清空該數據文件。

3G設備點對點通信機制如圖2所示。

2.2 北斗衛星通信機制

北斗衛星通信具有誤碼率低、無通信盲區的優點，為保證遠程數據傳輸的可靠性，在3G網絡無法覆蓋的區域或3G基站被干擾破壞的區域，本文采用北斗短報文通信進行應急的遠程數據傳輸。北斗用戶終端具有雙向通信功能，用戶可相互傳送短報文信息。北斗民用協議格式如下：

指令長度用戶地址信息內容校驗和

（1）指令：發送指令的類型，占用5 Byte，遠距離數據傳輸均為通信指令，指令值固定為：

24 4D 73 67 5F

（2）長度：指令長度，為北斗短消息報文的總長度，占用2 Byte。

（3）用戶地址：發送端的地址，占用3 Byte。

（4）信息內容：通信指令中，可分為4個部分：接收方地址，信息類別，電文長度，電文內容。

1）接收方地址占用3 Byte；

2）信息類別：編碼方式，占用1 Byte，例如0x44為包含漢字的Unicode編碼，0x46為ANSI編碼；

3）電文長度：發送數據的長度，占用2 Byte；

4）電文內容：一般的民用協議電文長度最多為600位。如果發送的信息量過大，需要將信息分為不同的部分進行封裝。因而，定義電文內容前三位為總報文數，第4位～第6位定義為該報文在總報文中的編碼，剩下的位為發送的信息內容。

（5）校驗和：該字段占用一個字節，計算方式為對報文做異或運算。

北斗短報文通信已成功應用于地震救災中，并在應急通信領域發揮著重要作用，然而其通信鏈路是不可靠的通信連接［10］，北斗民用通信系統沒有通信回執，即在通信過程中，北斗用戶發送方不知道接收方是否開機在線以及是否接收到數據。為提高北斗短報文通信的可靠性，本文提出一種基于反饋的丟包重發機制；發送端向接收端發出一條短報文消息，當接收端接收到該消息后，立即向發送端發出一條接收成功反饋；發送方收到反饋后結束本次發送，否則重發該消息。

2.3 遠程數據傳輸機制

本文融合3G通信和北斗衛星2種異構通信技術，設計并實現了一種高效率、可靠的遠程數據傳輸機制。以3G網絡PS域數據傳輸為首選方式，當3G網絡不可用時，使用北斗衛星通信作為應急通信方式。遠程數據傳輸機制如圖3所示，其中多途徑通信接口機是本文研究的重點，數據源（即傳感器數據）通過多途徑接口機接入3G網絡及北斗通信網絡，實現數據傳輸。

圖3 遠程數據傳輸機制

3 通信機系統設計與實現

3.1 軟硬件協同設計

3.1.1 通信機硬件設計與實現

本文提出的多途徑通信接口機使用SBC8600開發板實現，該開發板的處理器為基于ARM Cortex-A8的TI生產的AM 3359ZCZ處理器，板載512MByte DDR3 SDRAM，512MByte NAND Flash，2個RS232串口以及2個USB Host；3G設備使用的有華為ET127（支持TD-SCDMA網絡），華為E261（支持WCDMA網絡），華為EC122（支持CDMA2000網絡），衛星設備為東方聯星公司生產的北斗衛星通信板和北斗衛星通信天線。通信接口機及通信設備如圖4所示。3G通信設備通過USB接口與通信接口機相連，北斗通信板與通信接口機通過RS232串口相連。通信機的系統硬件架構如圖5所示。

圖4 硬件設備

圖5 多途徑通信接口機結構

3.1.2 通信機底層軟件系統搭建

中國石油集團在2018年領導干部會議上提出，銷售企業要為客戶提供高質量服務，以細致周到的服務贏得市場。河北銷售公司在落實高質量服務的具體舉措中，“軟硬兼施”放大服務取得多米諾骨牌效應。今年前三季度取得了“兩增、三提升”的經營成效：成品油銷量、非油收入和非油利潤分別同比增長1.3%、24%、38%，全員人均純槍量同比增長11%，非油收入增長41%。

在完成硬件設計后，還需搭建多途徑通信接口機的底層軟件系統。多途徑通信接口機的底層軟件系統包括bootloader，嵌入式操作系統，3G設備驅動等；其移植和配置過程如下：

（1）u-boot移植：u-boot為二級引導程序，一級引導程序SPL由TI提供，在CPU生產階段燒寫在CPU的IROM中。系統上電后將自動執行SPL完成相關設備的初始化，拷貝u-boot到內存中，最后將控制權交給u-boot。u-boot提供映像更新，引導內核等功能［11］。本文采用開源的u-boot進行通信接口機的bootloader定制和移植。

（2）rootfs移植：嵌入式Linux支持多種格式的文件系統，本文研究移植可讀寫的UBIFS文件系統，便于在開發過程中保存和修改一些配置參數和數據文件。

（3）Linux內核定制：針對研究所必需的模塊和功能進行裁剪和定制，主要包括USB驅動、PPP協議等，得到一個輕量級的嵌入式Linux系統。

（4）3G設備模式轉換：3G通信設備的外置接口為USB接口，需進行USB-M odem接口模式轉換。通過Linux內核定制可以得到usbserial.ko，usb_ wwan.ko，option.ko，cdc_acm.ko等USB驅動文件，安裝驅動文件后再進行usb_modesw itch移植，可以實現3G設備的模式轉換。

（5）3G撥號上網：完成USB-M odem接口模式轉換后，系統會產生3個模擬的ttyUSB串口，針對ttyUSB0編寫PPP撥號腳本即可完成嵌入式Linux下的3G撥號上網。另外，由于存在3種不同的3G設備運營商，撥號號碼也各不相同，WCDMA為“*99#”，CDMA2000為“#777”，TD-SCDMA為“*98*1#”。

3.2 多模態數據收發程序設計與實現

3.2.1 3G點對點通信實現

3G通信過程中，數據中轉并發服務器為傳輸數據提供存儲轉發，3G發送端向數據中轉服務器發送消息時，需要包括兩部分：真實信息以及接收端編號，數據中轉服務器根據接收端編號建立相應的數據文件，以追加方式將真實數據寫入數據文件中；3G接收端從數據中轉服務器接收數據時，若其對應的數據文件非空，數據中轉服務器將數據文件中的數據以清空的方式讀出并發送給接收端。以此實現3G異構網絡制式下的點對點通信，數據文件機制也可以支持3G設備間的在線和離線2種通信方式。

為支持多方發送多方接收同時實現，數據中轉服務器采用并發服務模式。服務器端開啟TCP監聽后，主進程阻塞等待客戶端連接，客戶端發來連接請求時，主進程為客戶端開辟相應的子進程，每個連接的客戶端對應不同的子進程進行通信，從而實現并發服務。數據中轉并發服務器接收到數據包，進行解析，讀出接收端編號；然后加鎖相應的目標文件，并將接收到的信息存入該文件中；解鎖目標文件，關閉本次TCP連接。接收端與數據中轉服務器連接時，服務器端開啟TCP監聽，主進程阻塞等待客戶端連接，當接收到客戶端連接時，主進程為每個接收端開辟子進程，子進程加鎖目標文件，將用戶數據以清空的方式讀出且發送，之后解鎖目標文件，完成本次通信，關閉本次TCP連接。

為簡化通信流程，更簡易地管理數據文件，將數據轉發服務器的接收端口與發送端口區分開，即3G通信發送端與數據中轉服務器的5555端口建立TCP連接，3G通信接收端與數據中轉服務器的6666端口建立TCP連接。數據中轉服務器在為3G發送端生成服務端socket時，綁定5555端口，為3G接收端生成服務器socket時，綁定6666端口。5555端口與6666端口之間的數據傳輸通過寫入或讀出數據文件來實現。

整體3G點對點通信流程如圖6所示。

圖6 3G通信流程

3.2.2 北斗通信實現

北斗通信通過多接口通信機和北斗通信板來實現，任意兩個北斗終端均可進行雙向通信，每個終端的IC卡定義了用戶地址及其信號加密方式［12］。

在進行北斗通信時，首先要設置多接口通信機與傳感器通信串口以及多接口通信機與北斗通信板通信串口，主要設置串口的波特率、數據位、校驗位、停止位。進行串口設置后，多接口通信機從傳感器中讀入數據，將數據放入緩沖區，通信時，每次從緩沖區中取一定長度數據，按照北斗民用通信協議進行封裝，然后將短消息報文傳給北斗通信板進行發送。根據北斗民用通信協議，短消息報文每60 s發送一次。而后發送端等待反饋，如果60 s內有反饋發送成功，為保證可靠傳輸，定義如果發送失敗則重新發送。如果2次均失敗，則將數據存入數據文件中。北斗接收端檢測到有報文到達，接收報文，依據北斗民用通信協議進行解析，根據電文內容中的發送方地址確定信息的來源并取出真實數據，完成后再向發送端發出成功接收反饋。北斗衛星短消息報文通信過程如圖7所示。

圖7 北斗通信流程

4 通信實驗結果分析

為了驗證本文研究提出的遠程數據可靠傳輸方案的合理性與正確性，進行了3G點對點通信實驗及北斗短報文通信實驗。

4.1 3G點對點通信結果

3G通信設備通過USB接口和通信接口機相連，3G點對點通信實驗中，發送端3G無線網卡采用華為E261中國聯通3G設備，接入互聯網分配的局域網IP地址為10.5.5.5，接收端3G無線網卡采用ET127中國移動3G設備，接入互聯網分配的局域網IP地址為10.63.125.67，實驗結果如表1所示。

表1 3G點對點通信實驗結果

實驗共發送20個數據包，接收到20個數據包。通信時長最大為1.111 4 s，最小為0.120 36 s，平均為0.354 36 s。以上實驗結果驗證了該方法的可行性。

4.2 北斗通信結果

北斗短報文通信實驗采用2套東方聯星公司生產的北斗通信板和北斗天線作為發送端和接收端，通過RS232串口和通信接口機相連，實驗結果如表2所示。

表2 北斗通信實驗結果

本文實驗共發送20個短報文消息，成功收到20個短報文消息，第11條和16條數據發送與接收相差1 m in 1 s，說明第1次發送發生丟包，從而進行第2次發送，第2次發送成功。通過引入接收反饋和丟包重發機制，使得北斗通信變為可靠的數據傳輸模式，從而使整個遠程數據傳輸系統更為可靠。

5 結束語

隨著遠程數據通信廣泛應用，穩健的遠程數據通信系統需求日益增加。區別于目前的遠程數據通信系統形式單一并存在通信盲區的問題，本文提出了3G與北斗衛星相結合的方式。3G技術目前在生活中已普遍應用，而北斗衛星通信覆蓋整個亞太地區，并不存在通信盲區。本文重點解決了3G設備跨協議的點對點通信問題，為用戶提供一條透明的通信鏈路，在3G無法工作的情況下，實施遠程北斗衛星通信，并采用接收反饋和丟包重傳機制保證其可靠性，從而構建了可靠穩健的遠程數據通信系統。構建穩健的遠程數據通信系統具有極大的研究意義，然而3G通信基于運營商進行，其透明性較差［13］，因此，下一步將研究數據包的加密算法問題，以提高遠程數據傳輸系統的安全性。

［1］ Dai Chengwei，Yang Shuanghua，Knott R.Data Transfer over the Internet for Real Time Applications［J］. International Journal of Automation and Computing，2006，4（1）：414-424.

［2］ Yu Hongzhou，Liu Lu.Rem ote Health Monitoring System Using ZigBee Network and GPRS Transmission Technology［C］//Proceedings of the 4th International Symposium on Computational Intelligence and Design. Washington D.C.，USA：IEEE Press，2011：151-154.

［3］ 黎 煒.基于GPRS與SMS的遠程數據傳輸［J］.重慶工學院學報，2007，21（9）：124-127.

［4］ Yang Shengbo，Yeod C K，Lee B S.Toward Reliable Data Delivery for Highly Dynamic Mobile Ad Hoc Networks［J］. IEEE Transactions on Mobile Computing，2012，11（1）：111-124.

［5］ Bates R J.GPRS：General Packet Radio Service［M］. New York，USA：McGraw-Hill，2001.

［6］ Basagni S.Moblie Ad Hoc Networking［M］.New Jersey，USA：W iley，2013.

［7］ Dahlman E，Parkvall S，Sk?ld J，et al.3G Evolution HSPA and LTE for Mobile Broadband［M］.［S.l.］：Elsevier Ltd.，2007.

［8］ Kose S，Koytak E，Hascicek Y S.An Overview on the Use of Satellite Communications for Disaster Management and Emergency Response［J］.International Journal of Emergency Management，2012，8（4）：350-382.

［9］ Smith C，Collins D.3G Wireless Networks［M］. New York，USA：McGraw-Hill，2006.

［10］ Xie Junxie，Liu Tianxiong.Research on Technical Development of BeiDou Navigation Satellite System［C］// Proceedings of 2013 China Satellite Navigation Conference. Berlin，Germany：Springer-Verlag，2013：197-209.

［11］ 鄒穎婷，李紹榮.ARM 9上的嵌入式Linux系統移植［J］.自動化技術與應用，2009，28（6）：43-45.

［12］ Sun Fuping，Liu Shuai，Zhu Xinhui，et al.Research and Progress of Beidou Satellite Navigation System［J］. Science China Information Sciences，2012，55（12）：2899-2907.

［13］ Castiglione A，Cattaneo G，Maio G D，et al.Secr3t：Secure End-to-end Communication over 3G Telecommunication Networks［C］//Proceedings of the 5th International Conference on Innovative Mobile and Internet Services in Ubiquitous Computing.Washington D.C.，USA：IEEE Press，2011：520-526.

編輯 金胡考

Point-to-Point 3G Remote Data Transmission Under Heterogeneous Network Standard

GAO Xiaojuan，CHE Ming，LIHe
（Department of Computer Science and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

By studying the research of the limitations of existing telecommunication technology，based on the real need of constructing moderate remote data transmission system，this paper presents a new transmission strategy which combines 3G communication with BeiDou short-message communication.In the area of 3G network，it adopts 3G technology to transfer data，otherwise，it adopts BeiDou short-message communication.W hen the user equipment of 3G transmission under the standard of WCDMA or TD-SCDMA，point to point communication can't be realized in 3G Wireless network. Given that，this paper utilizes a data transfer server for storing and forwarding，supporting real-time mode and non-realtime mode，therefore，3G device-to-device communication under heterogeneous network standard can be achieved. Meanwhile，aimed at the unreliable transmission of BeiDou short-message communication，this paper designs a message retransmission mechanism to increase the robustness of communication.Finally，it uses SBC8600 embedded development board and Linux operating system to build experimental platform，analysis result show s that this method is reasonable and data transmission is reliable.

3G network；point-to-point communication；storage and forwarding；concurrency service；heterogeneous network standard；BeiDou short-message communication

高小娟，車 明，黎 賀.異構網絡制式下的3G點對點遠程數據傳輸［J］.計算機工程，2015，41（9）：120-125.

英文引用格式：Gao Xiaojuan，Che Ming，Li He.Point-to-point 3G Remote Data Transmission Under Heterogeneous Network Standard［J］.Computer Engineering，2015，41（9）：120-125.

1000-3428（2015）09-0120-06

A

P393

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.09.021

國家“十二五”科技支撐計劃基金資助項目（2012BAJ24B00）。

高小娟（1991-），女，碩士研究生，主研方向：3G網絡通信，嵌入式系統；車 明，副教授；黎 賀，碩士研究生。

2014-08-04

2014-10-22 E-m ail：gaoxiaojuan326@163.com