北斗物聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)測的傳輸有效性優(yōu)化與分析*

田立勤，高　坤，曹陽威

華北科技學院 計算機系，北京 101601

北斗物聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)測的傳輸有效性優(yōu)化與分析*

田立勤+，高坤，曹陽威

華北科技學院 計算機系，北京 101601

TIAN Liqin,GAO Kun,CAO Yangwei.Effectiveness optimization and analysis of transmission in real-time monitoring based on Beidou and Internet of things.Journal of Frontiers of Computer Science and Technology，2016,10(7):975-988.

物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合各種主干傳輸很適合遠程實時監(jiān)測，但是在一些位置偏遠地區(qū)，一般沒有互聯(lián)網(wǎng)、有線專線等基礎通信的IT遠程傳輸主干，移動信號也比較弱甚至可能沒有，從經(jīng)濟角度和實際傳輸環(huán)境出發(fā)，可以采用我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供的報文服務，但是目前北斗報文服務傳輸頻度和單次傳輸量受到限制。針對這種情況提出了一種適用于北斗報文的提高其傳輸效率的遠程傳輸有效性優(yōu)化機制（effectiveness optimization mechanism of remote transmission，EMRT）。這種機制具體包括3部分：（1）針對待傳記錄，動態(tài)壓縮記錄中冗余指標的“指標壓縮方法”；（2）針對待傳指標，根據(jù)協(xié)議事先約定好去除雙方都知道的靜態(tài)“外部包裝”的“要素壓縮方法”；（3）針對待傳要素，壓縮高4位的“位壓縮方法”。同時根據(jù)雙方的動態(tài)數(shù)據(jù)變化量化分析了ERMT對北斗傳輸有效性的提高效果，并分析了影響有效性的因素。理論分析和實際數(shù)據(jù)驗證表明，這些機制對提高北斗傳輸有效性具有顯著作用，對基于我國北斗衛(wèi)星的信息傳輸?shù)膶嶋H應用具有重要的理論和實際意義。

物聯(lián)網(wǎng)；北斗報文；遠程傳輸；有效性

1　引言

物聯(lián)網(wǎng)配合北斗報文服務很適合遠程實時監(jiān)測，原因有：（1）物聯(lián)網(wǎng)的感知部分——無線傳感器網(wǎng)絡布置靈活，自組織能力強，能夠在條件惡劣，甚至給人帶來危險的地方進行監(jiān)測[1-2]；（2）北斗報文服務范圍覆蓋亞太地區(qū)，選擇北斗報文服務作為物聯(lián)網(wǎng)遠程傳輸主干可以解決偏遠地區(qū)沒有互聯(lián)網(wǎng)遠程傳輸主干，移動信號或者信號微弱導致數(shù)據(jù)無法傳輸?shù)膯栴}[3]。例如早在汶川抗震救災任務中，該服務就在災區(qū)基礎通信設備被自然災害破壞的情況下成為災區(qū)和外界通信的主要手段。近年來，國內(nèi)很多專家學者致力于將北斗報文服務應用到水文、地質(zhì)、交通、海洋等領(lǐng)域，一些典型的應用如文獻[4-7]。

在基于北斗報文的物聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)測系統(tǒng)中，監(jiān)測數(shù)據(jù)遠程傳輸過程分為以下幾個步驟：（1）監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過發(fā)送端即北斗終端上傳到北斗衛(wèi)星；（2）北斗衛(wèi)星向地面中心站轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)；（3）接收端通過北斗終端從地面中心站獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)。但是北斗報文服務的通信頻度是每分鐘一次，每次最多傳輸80 Byte[8-9]，因此以北斗報文服務作為物聯(lián)網(wǎng)遠程傳輸主干的監(jiān)測系統(tǒng)在傳輸大量數(shù)據(jù)時，必須采取有效措施提高北斗報文遠程傳輸?shù)挠行訹10]。

目前，基于北斗報文遠程傳輸有效性的研究主要集中在國內(nèi)，國外專家學者很少針對該領(lǐng)域進行深入研究。導致該現(xiàn)象的主要原因有：（1）北斗報文服務是基于“北斗一代”衛(wèi)星導航系統(tǒng)“有源定位”方式特有的服務，該服務是其他“無源定位”衛(wèi)星導航系統(tǒng)如GPS、GLONASS、GALILEO所不具備的；（2）北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)起步較晚，其報文服務的覆蓋范圍是東經(jīng)80度到東經(jīng)150度，北緯5度到北緯55度，僅能夠覆蓋中國全境和亞洲部分地區(qū)，北斗報文用戶主要集中在國內(nèi)。為提高北斗報文遠程傳輸有效性，文獻[11]提出了一種多SIM卡復用的北斗終端設計方案，將一臺北斗終端的SIM卡數(shù)量提高到多張，航天科技集團公司772所研制的北斗大容量數(shù)據(jù)傳輸模塊也采用了類似的處理方法，但是這種方法實際上是通過增加硬件成本來提高有效性。文獻[12]根據(jù)漢字GB2312編碼的特點，對GB2312編碼進行重新映射，以減少表示每個漢字所需的二進制位數(shù)，從而實現(xiàn)北斗報文發(fā)送中漢字文本的壓縮以提高有效性，缺點是該壓縮方法僅針對漢字文本傳輸，適用范圍比較窄。文獻[13]提出將TCP/IP協(xié)議的控制機制應用到北斗報文傳輸中，并結(jié)合北斗報文傳輸?shù)奶攸c制定了一種適用于北斗報文的長報文通信協(xié)議，從而提高了有效性。雖然國外專門針對北斗報文遠程傳輸有效性的研究比較少，但是可以通過參考國外遠程數(shù)據(jù)傳輸壓縮方向的研究，結(jié)合北斗報文特點制定提高北斗報文遠程傳輸有效性的方法。目前比較典型的方法有：文獻[14]采用Huffman算法壓縮北斗報文數(shù)據(jù)，不足之處在于發(fā)送端必須額外發(fā)送Huffman算法的編碼樹，接收端才能根據(jù)編碼樹解壓出北斗報文數(shù)據(jù)。文獻[15]在自動氣象站傳輸系統(tǒng)中采用預設LZW編碼和靜態(tài)Huffman編碼壓縮氣象數(shù)據(jù)，以提高北斗報文遠程傳輸有效性。該方法無需傳輸LZW動態(tài)編碼表和Huffman編碼樹信息，但是其適用范圍比較窄，因為壓縮時要求數(shù)據(jù)必須與編碼表預設的字符串一致。

2　監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

基于北斗報文的物聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)測系統(tǒng)按照物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)劃分為感知層、網(wǎng)絡層和應用層，如圖1所示。其中感知層由各種傳感器組成，承擔采集信息的作用；網(wǎng)絡層負責信息傳遞，通過遠程傳輸主干即北斗報文服務傳輸感知層獲取的信息；應用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，提供分析、查詢、命令發(fā)布等功能供決策者和授權(quán)用戶訪問。北斗終端配有通信接口，可以經(jīng)過標準RS-232串口和網(wǎng)關(guān)進行信息交換。

3　數(shù)據(jù)傳輸有效性優(yōu)化

定義1（遠程傳輸有效性）遠程傳輸有效性指待傳數(shù)據(jù)進行遠程傳輸?shù)男剩梢酝ㄟ^實際傳輸所節(jié)省的字節(jié)數(shù)和待傳數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)的比值η來量化。

Fig.1　Architecture based on Beidou message and Internet of things in real-time monitoring圖1　基于北斗報文的物聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

假設實際傳輸所占用的字節(jié)數(shù)為Wid，待傳數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為Wid_Save，那么遠程傳輸有效性可以通過以下公式計算：

為提高北斗報文遠程傳輸有效性，本文提出了一種適用于北斗報文的遠程傳輸有效性優(yōu)化機制（effectiveness optimization mechanism of remote transmission，EMRT）。這種機制按照北斗報文的遠程傳輸有效性優(yōu)化順序可以分為3個方面：（1）針對待傳記錄，壓縮記錄中冗余指標的“指標壓縮方法”（index compression method，ICM）；（2）針對待傳指標，根據(jù)協(xié)議事先約定好去除雙方都知道的“外部包裝”的“要素壓縮方法”（element compression method，ECM）；（3）針對待傳指標要素，壓縮高4位的“位壓縮方法”（bit compression method，BCM）。

定義2（記錄）北斗報文有固定的指令格式，具體包括“報文標志”、“長度”、“地址”、“報文內(nèi)容”、“校驗和”這5部分。北斗報文組幀過程中，監(jiān)測數(shù)據(jù)全部存儲于“報文內(nèi)容”部分，本文為了便于描述將該部分稱為一條記錄，并用mes表示。同時為了區(qū)分不同時間發(fā)送的記錄，將記錄按照發(fā)送時間的先后排序，首次發(fā)出的記錄用mes1表示，第t次發(fā)出的記錄用mest表示。

定義3（指標）在監(jiān)測系統(tǒng)中能夠反應監(jiān)測區(qū)域狀態(tài)的諸如時間、地點、溫度等類型的監(jiān)測數(shù)據(jù)稱為指標，用I表示。

根據(jù)定義可知記錄是由一定數(shù)量的指標組成的。如圖2所示，I的上標表示其所在記錄的發(fā)送序號，下標表示指標在記錄中的序號，如分別表示第t次發(fā)出的記錄mest的前3個指標。

Fig.2　Composition ofmest圖2　記錄mest組成示意圖

3.1指標壓縮方法

在基于北斗報文的監(jiān)測系統(tǒng)中，可以依據(jù)指標的重要程度將指標分為緊急指標、普通指標和冗余指標。監(jiān)測區(qū)域無異常情況下，記錄中存在大量非常近似的冗余指標。ICM的優(yōu)勢是可以在報文組幀時直接減少冗余指標的發(fā)送數(shù)量，如圖3所示，冗余指標在報文組幀時被壓縮，該次記錄中發(fā)送指標數(shù)量由11個下降至6個。

Fig.3　Composition of ICM圖3　ICM示意圖

ICM的特點是記錄中冗余指標被壓縮后，每一條記錄發(fā)送的指標數(shù)量不再固定，各個指標發(fā)送頻率是動態(tài)變化的。雖然上面ICM可以在報文組幀時直接減少冗余指標的發(fā)送數(shù)量，但是指標發(fā)送頻率動態(tài)變化的特點增加了接收端報文解析的難度，因為接收端無法識別被壓縮的冗余指標在記錄中的位置和數(shù)量。此外，ICM方法缺少可靠的標準，記錄中哪些指標屬于可壓縮指標難以確定。基于以上考慮，ICM不適合直接應用于北斗報文，需要進一步改進。本文通過采用“變頻組幀調(diào)度”設計和“位映射隊列”設計解決這些問題。

3.1.1變頻組幀調(diào)度設計

變頻組幀調(diào)度設計包括：（1）設置指標調(diào)度閾值；（2）量化指標的近似程度；（3）通過隊列調(diào)度確定記錄中可壓縮的冗余指標。

指標調(diào)度閾值的設置比較簡單，可以由監(jiān)測人員根據(jù)監(jiān)測精度要求設置。為了區(qū)分緊急指標、普通指標和冗余指標，將閾值設置為緊急閾值?1和普通閾值?2（?1≥?2）。下面詳細分析量化指標近似程度和通過隊列調(diào)度確定記錄中可壓縮冗余指標的設計。

指標的近似程度可以用指標差的絕對值來量化：將mest中指標和中對應指標分別作差并取絕對值，得到即代表了各個指標在北斗報文兩次發(fā)送時間間隔內(nèi)的近似程度。

北斗報文組幀時根據(jù)?1、?2、di將指標劃分進3個發(fā)送隊列：緊急發(fā)送隊列Q1、普通發(fā)送隊列Q2和冗余發(fā)送隊列Q3。

Fig.4　Flowchart of frequency framing scheduling圖4　變頻組幀調(diào)度流程圖

①如果di≥?1，表明是緊急指標，監(jiān)測區(qū)域存在發(fā)生緊急情況的可能，屬于Q1；

②如果?2≤di

③如果di≤?2，表明是冗余指標，屬于Q3。

①如果di≥?1，表明也是緊急指標，監(jiān)測區(qū)域存在緊急情況的可能性進一步增大，屬于Q1；

②如果di

如圖5所示，Q1、Q2、Q3都是虛擬隊列，其目的是在組幀調(diào)度時賦予虛擬隊列中指標不同的發(fā)送方式：

（1）Q1、Q2隊列中指標采取“占位發(fā)送”即正常發(fā)送的方式，而且Q1擁有比Q2更高的發(fā)送優(yōu)先級，傳輸鏈路擁塞時優(yōu)先發(fā)送Q1。

（2）Q3隊列中的指標是“冗余指標”，采用“不占位發(fā)送”的方式壓縮該指標。該發(fā)送方式下，記錄中屬于Q3隊列的指標不發(fā)送，在記錄中的位置由記錄中下一個屬于Q1或Q2的指標占用。

定義4（單指標變頻壓縮率）設歷史上第i個指標的總記錄數(shù)為Numsum，經(jīng)變頻組幀調(diào)度后多個記錄中該指標“不占位發(fā)送”，設歷史上該指標“占位發(fā)送”的記錄數(shù)為Nummerg，則單指標變頻壓縮率Comi為：

Fig.5　Index transmission method of frequency framing scheduling圖5　變頻組幀隊列調(diào)度指標發(fā)送方式示意圖

根據(jù)計算公式可知單指標變頻壓縮率為“占位發(fā)送”的記錄數(shù)與總記錄數(shù)的比值，該值越小表明變頻組幀隊列調(diào)度效果越好。表1以某氣象監(jiān)測系統(tǒng)10條歷史記錄中的“空氣溫度值”這一指標為例計算單指標變頻壓縮率，該監(jiān)測中設定?1=0.1，?2=0.01。

通過表1可以得出結(jié)論：mes2、mes4的“空氣溫度值”指標“不占位發(fā)送”，單指標變頻壓縮率Comi=80%。

3.1.2位映射隊列設計

若接收端接收到的當前記錄中存在“不占位發(fā)送”的指標，可以通過調(diào)取接收到的上一條記錄中對應指標補齊當前記錄。以接收端接收到的記錄mest為例，若mest中指標不占位發(fā)送”，接收端可以通過調(diào)取mest-1中指標補齊記錄mest。

Table 1　Record of single index frequency compression表1　單指標變頻壓縮記錄表

接收端為補齊當前記錄必須從發(fā)送端獲取以下信息：一是變頻組幀調(diào)度后，記錄中各個指標是否“不占位發(fā)送”的信息；二是當壓縮效果不理想，記錄必須分多包發(fā)送時發(fā)送端的分包信息。ICM通過“位映射隊列”設計實現(xiàn)以上信息從發(fā)送端到接收端的傳輸。

位映射隊列設計將記錄設計為兩個存在映射關(guān)系的隊列，即“報頭隊列”和“數(shù)值隊列”。

（1）報頭隊列（Head_Que）。Head_Que用二進制數(shù)碼“0”和“1”表示，每2位可以映射一個指標在本記錄中的發(fā)送狀態(tài)：第1位用于描述指標是否屬于該分包；第2位用于描述指標是否“占位發(fā)送”。“11”代表所映射指標屬于該分包并且“占位發(fā)送”；“10”代表所映射指標屬于該分包并且“不占位發(fā)送”；“01”代表所映射指標不屬于該分包并且在其所屬分包中“占位發(fā)送”；“00”代表所映射指標不屬于該分包并且在其所屬分包中“不占位發(fā)送”。

（2）數(shù)值隊列（Data_Que）。Data_Que存儲記錄中“占位發(fā)送”指標，用AscII碼數(shù)字表示，每一個指標都能在Head_Que中找到代表其發(fā)送狀態(tài)的映射。

如圖6所示，某基于北斗報文監(jiān)測系統(tǒng)共有n個指標，分兩包即mest-1和mest發(fā)送，接收端根據(jù)Head_Que獲得以下信息：

Fig.6　Bitmapped queue design圖6　位映射隊列設計示意圖

（1）mest-1的Head_Que前m個映射第1位全部為“1”，表明該分包發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)的前m個指標；mest的Heda_Que從第m+1至第n個映射第1位全部為“1”，表明該分包發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)的后n-m個指標。

（2）mest-1的Head_Que第2、第3映射第2位為“0”，表明該分包中、不占位發(fā)送”；mest的 Heda_Que第4、第5映射第2位為“0”，表明該分包中、不占位發(fā)送”。

3.2要素壓縮方法

定義5（指標要素）本文總結(jié)出指標包括8個組成要素，即監(jiān)測時間Tim、監(jiān)測地點Loc、指標名稱Nam、正負號Sign、整數(shù)部分Int、小數(shù)點Poin、小數(shù)部分Frac、指標單位Unit，它們構(gòu)成一個完整的指標。這8個指標要素寬度分別用Wid_Tim、Wid_Loc、Wid_Nam、Wid_Sign、Wid_Int、Wid_Poin、Wid_Frac、Wid_Unit表示。

在基于北斗報文服務的實時監(jiān)測中由于遠程傳輸帶寬受限，將記錄中指標以8要素的形式發(fā)送很浪費通信資源。ECM的優(yōu)勢是可以去除指標“外部包裝”，將每一個指標都以更少的字節(jié)數(shù)發(fā)送。例如文獻[16]在水文監(jiān)測中將水位觀測量這一指標統(tǒng)一僅以5位數(shù)值的形式發(fā)送，如果不滿5位則前面補0。但是這種去除“外部包裝”的方法沒有考慮到不同監(jiān)測系統(tǒng)、不同指標間數(shù)值長度不同的情況，因而適用范圍較窄[17-19]。本文在這種處理方法的基礎上進行改進，提出改進的“要素壓縮方法（ECM）”。

ECM將指標的8個組成要素按照要素壓縮條件分為無條件壓縮、有條件壓縮和不可壓縮3種類型，并給出了壓縮條件和處理方法，如圖7所示。

無條件壓縮指標要素（Index_Uncond）：即經(jīng)過發(fā)送和接收端協(xié)商確認后在任何條件下都可以被壓縮的指標要素，包括Nam、Poin和Unit。無條件壓縮指標要素寬度用Widcom_Uncond表示。

針對Nam，只要該指標在所有發(fā)送的指標相對位置固定且總長度確定，接收端就可以通過指標的相對位置和寬度從接收的信息中把該要素分離出來，因此該要素可以省略；針對Poin，只要指標小數(shù)部分Frac的保留位數(shù)確定，就可以通過對該指標值擴大10Wid_Frac倍，將浮點數(shù)變成整數(shù)來省略，接收端將接收到的數(shù)據(jù)縮小10Wid_Frac倍即可還原出浮點數(shù)，因此該要素可以省略；Unit一般都是確定的，只要發(fā)送和接收端協(xié)商確認后就可以省略。

有條件壓縮指標要素（Index_Cond）：即根據(jù)情況可以壓縮的指標要素，包括Tim、Loc、Sign；Index_ Cond寬度用Widcom_Cond表示。

（1）Tim的省略：監(jiān)測方與接收端如果進行了時鐘同步，并且監(jiān)測的頻率固定就可以省略，否則就不能省略，例如若監(jiān)測的指標是觸發(fā)式的而不是固定監(jiān)測頻率就不能省略。

（2）Loc的省略：如果監(jiān)測地點固定，則監(jiān)測地點的名稱只要發(fā)送和接收端協(xié)議協(xié)商確認后就可以省略，如果是機動監(jiān)測和應急監(jiān)測則不能省略。

（3）Sign的省略：如果監(jiān)測指標沒有負值，則可以省略，否則不能省略，并用數(shù)值“0”代替正號，“1”代替負號。

不可壓縮指標要素（Index_Uncomp）：即ECM中不可壓縮的要素，包括Int和Frac。Index_Uncomp寬度用Wid_Uncomp表示。

不可壓縮指標要素并不是絕對不能壓縮，本文前面設計變頻組幀調(diào)度即是對這兩部分進行不丟數(shù)值的“省略”。

定義6（有效指標要素，Index_Save）即完整的指標經(jīng)過ECM壓縮后保留的待傳指標要素，其寬度用Wid_Save表示。

Fig.7　Composition of ECM圖7　ECM示意圖

3.3位壓縮方法

北斗報文通過北斗終端發(fā)送前還可以采用合適的壓縮方法進一步提高遠程傳輸有效性。壓縮方法分為有損壓縮和無損壓縮兩大類：有損壓縮的壓縮比高，但是無法完全還原出源文件；無損壓縮的壓縮比低，但是可以精準還原出源文件。對于文本壓縮，尤其是監(jiān)測數(shù)據(jù)這種精度要求比較高的文本壓縮，一般選用無損壓縮方法。常見的無損壓縮方法包括LZ系列壓縮方法、Huffman壓縮方法、半字節(jié)壓縮方法等。本文提出的位壓縮方法BCM實際上是根據(jù)北斗報文的特點選用半字節(jié)壓縮方法壓縮掉記錄中冗余的二進制位。BCM的優(yōu)勢是北斗報文經(jīng)過ICM和ECM優(yōu)化處理后Data_Que中只包含有“0～9”的數(shù)值，而數(shù)值“0～9”的AscII碼高4位都是“0011”，采用半字節(jié)壓縮方法可以直接壓縮掉Data_Que編碼的高4位而無需額外傳輸字典、編碼表等字節(jié)。

如表2所示，數(shù)字“0～9”的AscII碼高4位都是“0011”，BCM的原理就是將每一個數(shù)字都只用其低4位來描述，進而壓縮掉編碼的高4位，壓縮比理論上接近50%。

Table 2　AscII code comparison of“0～9”表2　數(shù)字“0～9”AscII碼對照表

BCM算法的實現(xiàn)可以通過C語言中的位操作命令將每個字節(jié)的高4位去掉，然后依次將相鄰的兩個低4位放到一個字節(jié)中，如圖8所示。

Fig.8　Composition of BCM圖8　BCM示意圖

4　EMRT數(shù)據(jù)庫設計與更新

4.1發(fā)送端數(shù)據(jù)庫設計與更新

監(jiān)測記錄在通過北斗報文發(fā)送前統(tǒng)一存儲在發(fā)送端數(shù)據(jù)庫中，本文提出的EMRT是通過對數(shù)據(jù)庫進行存儲和調(diào)用實現(xiàn)的。以下論述基于EMRT的發(fā)送端數(shù)據(jù)庫設計與更新過程，并通過表3～表5，以某基于北斗報文的氣象監(jiān)測系統(tǒng)為例進行說明。

該數(shù)據(jù)庫有6個主要字段，分別是序號（Num）、報文發(fā)送時間（Send_Time）、記錄類型（Mes_Type）、報頭隊列（Head_Que）、數(shù)值隊列（Data_Que）、有效指標要素（Index_Save）。

（1）序號（Num）字段包括3部分：第1部分描述記錄在歷史上的發(fā)送次序，第2部分描述記錄最大分包數(shù)，第3部分描述當前分包在記錄中的分包號；

（2）報文發(fā)送時間（Send_Time）字段描述記錄的發(fā)送時間；

（3）記錄類型（Mes_Type）描述記錄是否分包，不分包用“0”描述，分包用“1”描述；

（4）報頭隊列（Head_Que）描述記錄中“報頭隊列”；

（5）數(shù)值隊列（Data_Que）描述記錄中“數(shù)值隊列”；

（6）有效指標要素（Index_Save）描述記錄中各個指標的有效指標要素。

發(fā)送端網(wǎng)關(guān)接收到監(jiān)測數(shù)據(jù)后，通過以下步驟完成北斗報文組幀并更新數(shù)據(jù)庫：

步驟1根據(jù)ICM去除指標“外部包裝”，并將有效指標要素存入Index_Save字段。

步驟2判定記錄是否分包，將記錄類型存入Mes_Type字段，并根據(jù)記錄最大分包數(shù)和分包發(fā)送順序補齊Num字段。

步驟3通過ECM壓縮Index_Save字段，并將壓縮后記錄存入Data_Que字段。

步驟4根據(jù)指標是否“占位發(fā)送”，結(jié)合Mes_Type補齊Head_Que。

步驟5將Head_Que以二進制形式、Data_Que以半字節(jié)的形式發(fā)送，報文組幀完畢。

步驟6將記錄發(fā)送時間填入Send_Time，數(shù)據(jù)庫更新完畢。

某基于北斗報文的氣象監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測地點固定，有11個指標且記錄發(fā)送頻率設置為2分鐘一次，表3～表5為該地區(qū)2014年8月12日發(fā)送的3次北斗報文在發(fā)送端數(shù)據(jù)庫的存儲形式。

Table 3　Storage format of Beidou message at the first send表3　第1次發(fā)送北斗報文存儲形式

Table 4　Storage format of Beidou message at the second send表4　第2次發(fā)送北斗報文存儲形式

Table 5　Storage format of Beidou message at the third send表5　第3次發(fā)送北斗報文存儲形式

4.2接收端數(shù)據(jù)庫設計與更新

基于EMRT的接收端根據(jù)接收到的北斗報文解析出監(jiān)測數(shù)據(jù)，并統(tǒng)一存儲在接收端數(shù)據(jù)庫中，該數(shù)據(jù)庫的字段設置與發(fā)送端數(shù)據(jù)庫基本一致，其字段說明不予贅述。北斗報文解析與數(shù)據(jù)庫更新過程如下：

步驟1將北斗報文接收時間填入Rec_Time字段。

步驟2從接收數(shù)據(jù)碼流中提取出“報頭隊列”，將“報頭隊列”中二進制形式的“0”和“1”用AscII碼數(shù)值“0”和“1”表示，并存入Head_Que字段。

步驟3根據(jù)Head_Que中映射第1位判斷記錄分包信息，將分包類型填入Mes_Type字段，分包發(fā)送用“1”描述，不分包發(fā)送用“0”描述。

步驟4從接收數(shù)據(jù)碼流中提取出半字節(jié)形式傳輸?shù)摹皵?shù)值隊列”，解壓后以AscII碼形式存入Data_ Que。

步驟5根據(jù)Head_Que和Data_Que字段數(shù)值補齊Index_Save字段，如果指標“不占字節(jié)發(fā)送”，則通過mest-1中記錄代替。

步驟6北斗報文解析與數(shù)據(jù)庫更新完畢。

表6～表8為某基于北斗報文的氣象監(jiān)測系統(tǒng)接收端2014年8月12日接收的3條記錄在接收端數(shù)據(jù)庫的存儲形式。

5　數(shù)據(jù)傳輸有效性分析與實例

綜上所述，ICM、ECM、BCM這3種方法提高遠程傳輸有效性的實質(zhì)就是對報文內(nèi)容中的記錄、要素、編碼進行不同形式、不同程度的壓縮，進而達到提高遠程傳輸有效性的目的。下面對EMRT遠程傳輸有效性進行分析，并通過示例進行驗證。

5.1EMRT有效性分析

設在實際監(jiān)測系統(tǒng)中待傳指標數(shù)為n，歷史統(tǒng)計各個指標的單指標變頻壓縮率Comi，每個指標的有效要素位寬Wid_Savei已知，求該監(jiān)測系統(tǒng)基于EMRT遠程傳輸有效性。

Table 6　Storage format of Beidou message at the first receive表6　第1次接收北斗報文存儲形式

Table 7　Storage format of Beidou message at the second receive表7　第2次接收北斗報文存儲形式

Table 8　Storage format of Beidou message at the third receive表8　第3次接收北斗報文存儲形式

首先計算北斗單次可傳輸?shù)淖畲笾笜藗€數(shù)k（k≤n），k由下列公式確定：

壓縮率取最大值時k得到最小值，即Commax=max(Comi)時最少可傳輸?shù)谋O(jiān)測指標數(shù)k由式（3）決定，在極端情況壓縮率為1時，k取最小值：

壓縮率取最小值時k得到最大值，即Commin=min(Comi)時全部n個指標都可以通過報文發(fā)送，k取最大值，即k=n。

k值確定后，可以計算一條記錄最多分包數(shù)Numpack：

記錄在經(jīng)過EMRT，即ICM、ECM、BCM后，實際傳輸?shù)膬?nèi)容即Data_Que和Head_Que兩部分。

Data_Que的寬度Widdata與記錄分包數(shù)無關(guān)，其值為：

Head_Que的寬度Widhead與記錄分包數(shù)相關(guān)，每增加一個分包就額外增加一個Head_Que，其值為：

根據(jù)定義可知遠程傳輸有效性η為實際傳輸所占用的字節(jié)數(shù)和待傳數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)的比值，在EMRT中傳輸所占用的字節(jié)數(shù)為Data_Que寬度與Head_Que寬度之和，待傳數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為記錄中“去除外部包裝”后的有效指標要素寬度。那么EMRT方法遠程傳輸有效性ηEMRT計算公式為：

將Widdata、Widhead帶入EMRT有效性計算公式得到：

5.2EMRT有效性驗證實例

為了驗證基于EMRT的有效性，本文取某基于北斗報文的氣象監(jiān)測系統(tǒng)于2014年12月26日0:01至2014年12月27日0:01共720條記錄進行分析。該監(jiān)測系統(tǒng)基本情況為：共有11個指標，分別是溫度、濕度、光照度、地表溫度、地下溫度、風速、風向、氣壓、雨量、太陽能板溫度、電池電壓；監(jiān)測地點固定，監(jiān)測頻率設定為2 min一次；?2設定為各個指標最小精度值，?1設定為10?2。

（1）根據(jù)ICM可以得到當天各個指標“占位發(fā)送”的記錄數(shù)Nummerg和各個指標的單指標變頻壓縮率Comi，如表9所示。

Table 9 Effectiveness comparison of EMRT for weather monitoring system based on Beidou message表9　某基于北斗報文的氣象監(jiān)測系統(tǒng)EMRT有效性對照表

（2）根據(jù)ECM計算每個指標的有效要素位寬Wid_Savei，如表9“Wid_Savei”列所示。

（3）根據(jù)公式可計算北斗單次可傳輸?shù)淖畲笾笜藗€數(shù)k=11，Numpack=1，記錄不分包。

（6）計算EMRT的遠程傳輸有效性：

這表明基于北斗報文的氣象監(jiān)測系統(tǒng)2014年12 月26日0:01至2014年12月27日0:01采用EMRT后，在?2設定為各個指標最小精度值，?1設定為10 ?2的條件下遠程傳輸有效性為66.35%。

在以上基于北斗報文的氣象監(jiān)測系統(tǒng)的EMRT遠程傳輸有效性分析中，?2設定為各個指標最小精度值也就意味著在變頻組幀隊列調(diào)度中指標的近似程度di值小于指標最小精度值時才有可能被調(diào)入Q3。如果該基于北斗報文的氣象監(jiān)測系統(tǒng)指標精度要求較低，?2可以設定為某個更高的值，那么在變頻組幀隊列調(diào)度中有更多的指標被調(diào)入Q3，表現(xiàn)為“不占位發(fā)送”的指標數(shù)量增加，EMRT的有效性將得到提升。

為進一步驗證EMRT方法在監(jiān)測區(qū)域不同精度要求下的遠程傳輸有效性，取某基于北斗報文的生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)于2014年9月1日00時至2014年9月30 日23時共30天的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。該監(jiān)測系統(tǒng)基本情況為：共有12個監(jiān)測指標，分別是SO2濃度、CO濃度、NO濃度、NO2濃度、NOX濃度、O3濃度、PM10濃度、PM2.5濃度、濕度、風速、風向、大氣壓；各個指標的Wid_Save分別是3Byte、4Byte、3Byte、3Byte、3 Byte、3 Byte、4 Byte、4 Byte、3 Byte、3 Byte、3 Byte、6 Byte；監(jiān)測地點固定，監(jiān)測頻率設定為每60 min一次。將各個指標的最小精度值用prei（i=0，1，…,12）表示，下面分析在?1=10?2前提下，?2=prei，?2=5prei，?2=10prei這3種情況下該監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)30天EMRT遠程傳輸有效性。根據(jù)EMRT有效性計算公式和以上某基于北斗報文的氣象監(jiān)測系統(tǒng)EMRT計算示例分別計算?2=prei，?2=5prei，?2=10prei情況下該基于北斗報文的生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)從2014年9月1日00時至2014年9月30日23時共30天EMRT遠程傳輸有效性，如圖9所示。

從圖9中可以看出，EMRT有效性有兩個特點：

（1）在?2值固定的條件下，EMRT有效性不是固定不變的，而是隨時間不同呈現(xiàn)出起伏變化。這是因為該監(jiān)測區(qū)域每天的狀態(tài)變化幅度都不同，經(jīng)過EMRT壓縮掉的冗余指標數(shù)量每天、每小時都是動態(tài)變化的，表現(xiàn)為EMRT有效性的動態(tài)變化。在?2值固定的條件下，EMRT有效性的動態(tài)變化如表10所示。

Fig.9　Curve of remote transmission effectivenessbased on EMRT圖9　EMRT遠程傳輸有效性曲線圖

Table 10　Dynamic change of effectiveness of EMRT表10　EMRT有效性動態(tài)變化表

（2）?2取值影響EMRT有效性，即不同精度要求下EMRT有效性有顯著差異。在?2=prei，?2=5prei，?2=10prei3種不同精度要求下，該監(jiān)測系統(tǒng)30天內(nèi)EMRT有效性平均值分別為59.47%、68.58%、74.04%。

文獻[15]提出在自動氣象站遠程傳輸系統(tǒng)中采用預設LZW編碼和靜態(tài)Huffman編碼壓縮氣象數(shù)據(jù)以提高北斗報文遠程傳輸有效性，通過對200幀北斗報文數(shù)據(jù)進行壓縮，統(tǒng)計得出該方法平均有效性在65%左右。文獻[16]提出在經(jīng)過數(shù)值處理的水文監(jiān)測指標通過北斗報文遠程傳輸前以LZ78編碼算法進行壓縮，通過對240 bit共12組數(shù)據(jù)進行壓縮，最終得到192 bit，其有效性為20%。文獻[15]和文獻[16]提出的兩種方法是當前北斗報文遠程傳輸有效性研究中比較典型的兩種方法：第一種采用預設LZW和靜態(tài)Huffman編碼壓縮數(shù)據(jù)的方法有效性比較理想，但是在壓縮時要求數(shù)據(jù)必須與編碼表預設的字符串一致，導致該方法的適用范圍受限；第二種方法實現(xiàn)過程簡單，但是有效性比較低。EMRT與以上兩種方法相比具有以下優(yōu)點：（1）EMRT方法綜合考慮到監(jiān)測數(shù)據(jù)指標處理、北斗報文組幀發(fā)送與接收過程，非常適用于以北斗報文作為遠程傳輸手段的監(jiān)測系統(tǒng)；（2）EMRT方法的遠程傳輸有效性比較高，如圖9所示，在監(jiān)測系統(tǒng)精度要求比較高的情況下EMRT有效性最低為55.46%，在監(jiān)測系統(tǒng)精度要求比較低的情況下最高為79.66%。

6　結(jié)論

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為未來科技發(fā)展的一個重要方向，國家投入了大量資源用以研究。北斗報文服務是北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)具備的區(qū)別其他衛(wèi)星定位系統(tǒng)的最大優(yōu)勢，其雙向通信功能作為物聯(lián)網(wǎng)遠程主干傳輸手段非常適合應用于實時監(jiān)測，尤其是偏遠地區(qū)的實時監(jiān)測，在國內(nèi)水文、氣象、地質(zhì)、交通、森林防火、海洋漁業(yè)等領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)揮了重要作用。就目前現(xiàn)狀來看，雖然其應用領(lǐng)域不斷拓展，但是應用研究還不夠深入。例如在北斗報文傳輸頻度和單次傳輸量限制下，相關(guān)專家學者為提高遠程傳輸有效性采用的方法主要分為3種類型：（1）增加成本投入，這種方法比較常見的是使用多臺北斗終端分發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)；（2）進行硬件改動，最典型的是在一臺北斗終端上集成多張SIM卡；（3）搭建軟件環(huán)境，一般是通過壓縮算法實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的文本壓縮。第一種類型在監(jiān)測點位較多的情況下成本過大；第二種類型實現(xiàn)難度大且硬件改動同樣會增加成本；第三種類型實現(xiàn)難度小且成本投入低。

本文通過搭建軟件環(huán)境的方式提高基于北斗報文服務的遠程傳輸有效性，為此提出了一種遠程傳輸有效性優(yōu)化機制。這種機制包括3個步驟ICM、ECM和BCM，而不是單調(diào)采用某一種壓縮算法。理論分析和實際數(shù)據(jù)驗證表明，這些機制對提高北斗傳輸有效性具有顯著作用。

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TIAN Liqin was born in 1970.He received the Ph.D.degree in information engineering from Beijing University of Science and Technology in 2009.He made post-doctoral research in Tsinghua University from 2009 to 2011.Now he is a professor and Ph.D.supervisor at North China Institute of Science and Technology.His research interests include computer networks,performance evaluation,network security and Internet of things,etc.

田立勤（1970—），男，陜西定邊人，2009年于北京科技大學獲得博士學位，2009—2011年于清華大學從事博士后研究工作，現(xiàn)為華北科技學院教授、博士生導師，主要研究領(lǐng)域為計算機網(wǎng)絡，網(wǎng)絡安全，物聯(lián)網(wǎng)等。發(fā)表學術(shù)論文80余篇，主持省級以上項目10項。

GAO Kun was born in 1989.He is an M.S.candidate at North China Institute of Science and Technology.His research interests include Internet of things and satellite navigation,etc.

高坤（1989—），男，安徽宿州人，華北科技學院碩士研究生，主要研究領(lǐng)域為物聯(lián)網(wǎng)，衛(wèi)星導航等。

CAO Yangwei was born in 1988.He is an M.S.candidate at North China Institute of Science and Technology.His research interests include Internet of things,satellite navigation,high precision positioning and deformation monitoring,etc.

曹陽威（1988—），男，河南開封人，華北科技學院碩士研究生，主要研究領(lǐng)域為物聯(lián)網(wǎng)，衛(wèi)星導航，高精準定位，變形監(jiān)測等。

Effectiveness Optimization and Analysis of Transmission in Real-Time Monitoring Based on Beidou and Internet of Things?

TIAN Liqin+,GAO Kun,CAO Yangwei
Department of Computer Science and Technology,North China Institute of Science and Technology,Beijing 101601,China +Corresponding author:E-mail:tianliqin@tsinghua.org.cn

Internet of things combined with a variety of backbone transmission is very suitable for remote real-time monitoring,but in some areas,remote IT transmission trunk such as Internet,cable line usually does not exist,the GSM signal maybe weak or even cannot be found,in consideration of the economic point and the actual transmission environment,the message services provided by the Beidou satellite navigation system can be used.However the transmission frequency and the number of characters in each transmission sent by Beidou message are limited at present, this paper presents an effectiveness optimization mechanism of remote transmission(EMRT)that improves the efficiency of transmission sent by Beidou message services.This mechanism includes three main parts:(1“)Index compression method(ICM)”,which aims to compress redundancy indicators for the current message;(2)“Element compression method(ECM)”,which accords to the agreement agreed in advance to remove“external packaging”thatknown by both sides for the current indicators;(3)“Bit compression method(BCM)”,which aims to compress the first four bits for the current elements.At the same time,the effect analysis of EMRT on improving the effectiveness of transmission sent by Beidou message services are quantified,and the factors that affect the effectiveness of transmission sent by Beidou message services are analyzed too.The theoretical analysis and the actual data validation indicate that these mechanisms have a significant effect on improving the effectiveness of transmission sent by Beidou message services,and have important theoretical and practical significance to the transmission sent by Beidou message services in Chinese Beidou message services.

Internet of things;Beidou message;remote transmission;effectiveness

2015-05,Accepted 2015-11.

10.3778/j.issn.1673-9418.1505090

A

TP391

*The National Natural Science Foundation of China under Grant No.61472137(國家自然科學基金);the Fundamental Research Funds for the Central Universities of China under Grant No.3142015022(中央高校基本科研業(yè)務費專項資金);the Key Research Program of Hebei Prvince under Grant No.16273904D(河北省物聯(lián)網(wǎng)工程中心重點研發(fā)計劃項目);the Key Research Program of Qinghai Province under Grant No.2016-SF-130(青海省重點研發(fā)項目).

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