北斗短報文可靠性傳輸機制在人防中的應用

李 剛，郝立芳*，支春陽，楊 雙

(1.深圳市遠東華強導航定位有限公司石家莊分公司，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

人民防空是國防的重要組成部分,是國民經濟和社會發展的重要方面,事關國家安全和發展的全局[1]。目前,各省市已建設了較為完善的統控系統,多采用物聯網技術[2]、移動網絡或GPS等通信定位方式,且占據了巨大的市場。但從信息系統安全防護層面上講,采用這些方式是不可取的,尤其在戰時得不到安全保障[3]。而北斗衛星導航系統是我國獨立自主研制的衛星導航定位系統[4],隨著北斗三號系統服務開通[5],衛星無線電測定業務(Radio Determination Satellite Service,RDSS)服務性能和容量相對北斗二號系統大幅提升,北斗短報文通信能力從120個漢字提升到1 000個漢字[6],能夠進行語音[7]、圖片傳輸[8];利用其獨有的特點,北斗應用規模化、產業化進程也在不斷加速推進,尤其在一些地面移動網絡信號無法保證通信的區域[9],北斗可以持續地傳輸數據[10],因此被廣泛應用于防空警報領域,達到平戰結合的效果。

北斗衛星通信屬于無線鏈路通信,可靠度和傳輸速率較低,且易受環境干擾,會造成傳輸數據丟失[11],無法保證警報控制的實時性和可靠性。由于RDSS信道資源有限[12],限制了系統中指揮關系的效能發揮,文獻[13]提出了將多臺北斗用戶機并聯,上層軟件控制輪詢進行數據傳遞,成本低廉且工程實踐簡單,但忽視了通信能力有限和可靠度低的問題。文獻[14]提出了北斗陣列集群方案,隨時配置虛擬分組用戶機,倍增了指揮信息系統的北斗短信發送能力和可靠度,但成本較高,需配備過多冗余設備。文獻[15]提出了基于北斗的虛擬多SIM卡語音通信系統,可縮短一次語音通信,但北斗三號系統中通信存在實時加解擾過程,無法做到一臺設備下多SIM卡發射。文獻[16]提出了一種分布傳輸方法提高可靠性,但沒有充分利用北斗通信容量,小數據不能填滿電文內容,造成傳輸效率降低。本文針對人防統控系統的需求特點,提出利用串口設備將多臺指揮機進行并聯組成陣列,采用差異化可靠傳輸機制,以確保警報鳴響的全覆蓋和狀態反饋統計的實時性。

1 多設備陣列動態協調指揮發送機制

人防統控系統主要由人防統控中心和各警報站點組成,統控中心布置人民防空警報控制系統,負責利用北斗三號指揮型用戶機(以下稱指揮機)實現對下屬用戶的指揮監控服務。系統利用北斗衛星雙向短報文通信傳送警報控制信息,實現防空警報終端控制和狀態反饋[17]。

傳統北斗人防統控系統采用單臺指揮機,操作統控中心軟件通過北斗指揮機下發統控指令,警報站點配備的北斗數傳終端接收到統控指令后,經過解析,通過串口控制電聲警報器鳴響和視頻控制器播放多媒體視頻。其中北斗指揮機多采用頻度60 s(間隔60 s才能發射一次)的北斗指揮卡,若發生警報器未鳴響(排除警報器本身問題)即北斗數傳終端不能100%接收到控制指令時,統控中心只能在北斗卡頻度到達的情況下(即60 s后)才能夠重復下發指令,無法保證鳴響的時效性。

為了解決傳統的人防統控系統發生成功率無法達到100%,而引起的部分警報鳴響不及時問題,采用多臺指揮機并聯組成陣列形式,如圖1所示,在發生部分警報站點未接收到消息時,可選擇第2臺指揮機進行組群組播發送,減少等待時間。

圖1 指揮機并聯組成陣列結構Fig.1 Beidou-3 command aircraft in parallel to form into an array structure

該系統由多臺指揮機并聯組成陣列,對單臺指揮機的通信頻度要求降低,同時為了減少分包的數量,單次通信容量采用北斗三號最大支持的14 000 bit,指揮機選用頻度慢、通信容量大的SIM卡;下屬設備需要及時將反饋信息上報到系統,下屬設備的頻度直接影響到系統整體的傳輸速度,且反饋數據量較小,因此下屬設備可選用通信容量小、頻度快的SIM卡。同時,通信容量小頻度快或頻度慢通信容量大的SIM卡更易申請。

由于下屬設備接收到警報指令后需要控制電聲警報器向控制中心發送反饋信息,因此控制中心連續2次下發警報指令的時間間隔要大于下屬警報站點的發射頻度,即指揮卡的頻度要大于等于下屬用戶卡的頻度(若指揮卡頻度小于下屬用戶卡頻度,會發生指揮卡到頻度后第2次發送指令,下屬用戶的頻度未到而無法及時反饋信息的情況)。利用陣列發送時,下屬設備2次接收的時間間隔盡量大于等于下屬用戶卡頻度,因此擬采用的指揮機設備個數為:

N=T/t(T>t) ,

(1)

式中:N為指揮機個數,T為北斗指揮卡的頻度,t為下屬用戶卡的頻度。

指令發送采用輪詢形式,即第1臺北斗指揮機下發統控指令后,若在t時間內未接收到警報反饋,統控軟件整合未成功接收的下屬用戶站點并利用北斗三號系統組群功能進行建組,在t時間后利用第2臺北斗指揮機下發統控指令,依次類推,直到全部站點接收完成,流程如圖2所示。

圖2 指揮機陣列動態協調指揮發送流程Fig.2 Flowchart of the command aircraft array dynamic coordination transmission mechanism

在一個陣列周期內,成功率為:

Pa=1-(1-pa)N,

(2)

式中:Pa為一個陣列周期的成功率,pa為單臺指揮機發射的成功率,N為指揮機個數。

假設t為10 s,T為60 s,單次發射成功率為90%,計算得出通過陣列輪詢發射完成后的成功率為99.999 9%,一個發射周期內可靠性提高效果顯著。在一個陣列周期內單次成功率分別為80%、85%、90%的成功率隨發送次數變化的曲線如圖3所示。

圖3 成功率隨陣列輪詢發送次數變化曲線Fig.3 Success rate curve with the number of array polling transmissions

由圖3可以看出,一般情況下,當要求系統成功率指標為95%時,利用該機制僅需要t時間,理論上相較于傳統單臺指揮機發送機制可節省T-t時間,即達到同一個成功率指標下采用該機制所用時間更短。

2 多設備陣列差異化可靠通信機制

隨著多媒體技術的不斷發展,多手段報知由以音響為主向語音、文字、圖片多媒體一體化發展,通信警報終端也由電聲警報器向多媒體通信警報器發展[18],然而北斗衛星通信在弱環境下發送語音、圖片等長報文數據并不可靠,存在一定的丟包率。現有的傳輸方式大部分為保證信息傳輸完全,采用了丟包重傳機制。傳統的丟包重傳機制,一般是3次請求重傳失敗即終止或一直重傳直到接收完全,無法滿足時效性。

考慮到人防的實際需求,結合已經成熟的圖片語音修復和解壓縮技術,可知不同場景下的數據可靠度要求是彈性的。例如,人防統控警報控制指令傳輸應用場景下,數據完整率為100%,下屬站點才能夠準確無誤地處理并控制警報器鳴響;而在語音/圖片等多媒體傳輸應用場景下,10%以內的數據丟包率可以通過修復技術保證語音/圖片的質量。因此,在傳輸協議中增加丟包控制字段,即多包數據傳輸時事先規定丟包率,在傳輸過程中接收數據一旦達到丟包率的要求,可結束丟包重傳請求,以此減少不必要的數據重傳次數,提高傳輸效率和成功率,更能保證時效性。其通信協議格式如圖4所示。

圖4 人防差異化可靠通信協議格式Fig.4 Differentiated reliable communication protocol format of civil air defense

在人防統控系統中,發送語音、長文字和圖片等長數據時,以傳輸圖片為例,流程可分為以下幾步:

①用戶在選擇人防圖片后,可預覽不同壓縮率和丟包率下的圖片質量,根據需求選擇壓縮率和丟包率。

②確認發送后,統控軟件將圖片進行壓縮和分包,將分包數據暫存至發送緩存區,以備補包使用。然后進行短報文組幀,按指揮機陣列輪詢發送(假設有N臺北斗指揮機,那么第i臺指揮機發送第i包、第N+i包、第2N+i包,依次類推)。同時,統控中心接收得到接收端的反饋信息,若為重傳請求幀,則整合未成功接收的下屬用戶站點和丟包數據,組幀組群發送;若接收到接收端發來的成功反饋,確定多包數據發送完成后,清空緩存區。

③接收端接收到北斗數據包后,判斷是否為分包數據,若為分包數據,將接收到的數據暫存至接收緩存區,并判斷當前數據是否符合丟包率,若符合,則提取緩存區的數據進行組幀解壓縮,將解壓縮后的圖片呈現在軟件界面上,發送接收成功反饋,清空該緩存區間;若不符合,則解析出詳細丟包號,組為反饋信息幀,通過北斗短報文發送出去。流程如圖5所示。

圖5 指揮機陣列差異化可靠通信流程Fig.5 Flowchart of differentiated reliable communication mechanism by the command aircraft array

多設備陣列下進行多包發送,時間為原來的1/N,計算如下:

(3)

式中:n為發送總包數,n>1,N為指揮機個數,T為北斗指揮卡的頻度。

丟包重傳下的成功率計算如下:

Pb=1-(1-pb)n,

(4)

式中:n為發送總包數,Pb為重傳成功率,pb為單次發射成功率。

圖6展示了成功率隨重傳次數的增加而趨于100%。

圖6 成功率隨重傳次數變化曲線Fig.6 Success rate curve with the number of retransmissions

由圖6可以看出,用戶選擇的丟包率控制為10%,僅需2次重傳即認定為傳輸完成;用戶選擇的丟包率控制為5%,僅需3次重傳即認定為傳輸完成,而傳統丟包重傳下超過3次即認定為失敗。因此相較于傳統丟包重傳,傳輸完成的時間縮短,傳輸效率更高,也更加可靠。

3 實驗結果與分析

由人防統控中心和各下屬警報站點組成人防統控系統,統控中心部署北斗三號人防統控指揮監控軟件和FH-BDC500北斗三號指揮型用戶機;下屬警報站點部署20套設備,分別由FH-TPC101北三人防多模一體化終端、電聲警報器和多媒體警報器組成。北斗終端性能參數如表1所示。

表1 北斗終端性能參數Tab.1 Beidou terminal performance parameters

系統平臺如圖7所示。

圖7 系統平臺搭建Fig.7 System platform building diagram

進行以下性能測試和分析:

①傳統丟包重傳通信機制下,對單臺指揮機和指揮機陣列進行對比實驗,依次下發5條警報控制指令(通信大小為14 000 bit以內,單包發送)和5張圖片(通信大小為19.42 kb、分為12包發送),實驗結果如表2所示。

表2 實驗1結果Tab. 2 Results of experiment one

由表2實驗結果可以看出,在出現有丟包的情況下,陣列發送至少可縮短一個下屬用戶發射頻度的時間,驗證了指揮機陣列對于提高發送效率的有效性。

②采用單臺指揮機進行差異化可靠通信機制和傳統丟包重傳機制對比實驗分析,由于警報控制指令要求成功率100%,傳統丟包重傳和差異化可靠通信機制下傳輸是無差的,因此只需要做給單個警報站點傳輸圖片的對比實驗,分別發送19.42、23.06、25.12、26.9、28.7 kb,按通信容量14 000 bit分包,對應總包數為12、14、15、16、17,采用漸進式傳輸方式,即使丟失1～2包不會影響用戶的體驗,因此發送圖片時選擇可丟包率控制為90%,可計算分析出差異化可靠通信機制下的傳輸結果如表3所示。

表3 實驗2結果Tab.3 Results of experiment two

采用差異化可靠通信機制在選擇可丟包率控制為90%的條件下,終端軟件根據接收到的圖片包數計算當前是否滿足丟包率,只要滿足丟包率即完成接收,不再發送重傳請求。由表3實驗分析結果可以看出,請求重傳次數減少,時間縮短至少一個指揮機發射頻度的時間。驗證了該機制下傳輸效率得到了提高,傳輸長數據包更加可靠。

由以上2個實驗分析得出,采用差異化可靠通信機制,且利用指揮型用戶機陣列實現輪詢發送,無論是發送長數據還是發送單包警報控制指令的站點鳴響/顯示成功率均得到提升,時間明顯縮短,傳輸效率得到提高。

4 結束語

針對北斗應用于防空警報領域易受環境影響、發送長數據通信不可靠等缺陷,提出了一種可靠性傳輸機制應用于人防統控系統中,該機制主要在傳統丟包重傳機制上引入丟包控制字段,在允許丟包的業務需求下,減少不必要的重傳次數,相比傳統的重傳機制,縮短了傳輸時間。同時結合多設備陣列,利用北斗三號組群特色功能進行協調指揮輪詢發送,確保同一發射周期下,時間縮短效果顯著,更進一步提高了傳輸效率。經過對比試驗,結果表明,在出現丟包的情況下,采用差異化可靠傳輸機制發送至少可縮短一個指揮機發射頻度的時間,陣列發送至少可縮短一個下屬用戶發射頻度的時間。因此,在易丟包、長數據的應用場景下,該機制可明顯提升傳輸效率和可靠性,能較好地應用于防空警報領域。