基于“北斗2號”導(dǎo)航系統(tǒng)的短報文數(shù)據(jù)傳輸方法

吳晨剛

摘 要：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的短報文服務(wù)在應(yīng)急通信領(lǐng)域發(fā)揮著十分重要的作用，針對現(xiàn)有“北斗2號”導(dǎo)航系統(tǒng)短報文服務(wù)無反饋機制，無重傳機制和數(shù)據(jù)長度短等問題，提出一種基于北斗短報文通信的數(shù)據(jù)傳輸方法。通過在某國有大型航運公司的實際生產(chǎn)應(yīng)用，將“北斗2號”短報文的數(shù)據(jù)長度增加到原來的16倍左右，取得了良好的通信效果，為北斗短報文通信在航運領(lǐng)域生產(chǎn)應(yīng)用提供了一種解決方案。

關(guān)鍵詞：北斗；短報文；數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類號：TP311.5

文獻標(biāo)識碼：A

0 引 言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨立運行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)的國家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施[1]。

在一些傳統(tǒng)通訊無法保證通訊的區(qū)域，北斗短報文可以做到穩(wěn)定持續(xù)地傳輸數(shù)據(jù)，因此也被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的生產(chǎn)活動中。

但是，北斗短報文在航運領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用中存在如下不足之處：

北斗短報文通信存在數(shù)據(jù)部分損壞或者全部丟失的情況[2]，而且目前“北斗2號”短報文協(xié)議不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸，無反饋機制和重傳機制，使得發(fā)送方無法獲知數(shù)據(jù)的接收狀態(tài)，在實際應(yīng)用中用戶體驗一般。

北斗短報文通信存在數(shù)據(jù)長度限制。目前，“北斗2號”短報文通信的單次長度限制為40漢字左右，在實際應(yīng)用中存在發(fā)送短報文數(shù)據(jù)過長時用戶不方便的問題。

北斗系統(tǒng)對發(fā)送頻率存在限制，以及通信雙方發(fā)送頻率不一致的情況。目前在某航運公司使用“北斗2號”短報文通信時，岸端發(fā)送頻率為 1次/ min，船端發(fā)送頻率為1次/5 min 。同時，還存在接收方數(shù)量不一致的情況。在航運領(lǐng)域，岸端的接收方是多艘船舶，而船端的接收方通常是岸端，船舶之間的通信頻率較少，對于岸端而言，存在對不同船舶的消息進行優(yōu)先級調(diào)度問題。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模式的消息反饋、重傳數(shù)據(jù)方法，無法很好地在這種發(fā)送頻率存在限制，通信雙方頻率不一致，以及接收方數(shù)量不一致的場景下進行使用，存在通信雙方等待時間過長，后續(xù)消息阻塞等問題。

因此，對于短報文傳輸方法的設(shè)計實現(xiàn)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸存在較大的區(qū)別。

1 方法總體介紹

本文提出的一種基于北斗短報文通信的數(shù)據(jù)傳輸方法包括發(fā)送數(shù)據(jù)模塊，接收數(shù)據(jù)模塊，調(diào)度模塊。

傳輸方法將會使用到如下名詞定義。

1.1? 消息隊列[3]

分為待發(fā)送消息隊列，回執(zhí)消息隊列，接收消息隊列，拆包消息隊列，發(fā)送消息隊列。

另外，還有一個消息池，用于記錄所有的發(fā)送和接收的消息。

1.2? 發(fā)送周期

按照完整消息為一個單位，1次正常傳輸時間，加上n次重傳傳輸時間為一個完整的發(fā)送周期。其中重傳時，發(fā)送方會根據(jù)接收方消息回執(zhí)的反饋，僅重傳未發(fā)送成功的消息數(shù)據(jù)包。

其中，重傳傳輸時間等于正常傳輸時間。盡管發(fā)送方僅重傳未發(fā)送成功的消息數(shù)據(jù)包，會造成重傳傳輸時間小于正常傳輸時間，但是不考慮這種情況的原因是：北斗通信信道資源較為緊張，需要發(fā)送方和接收方多次信息交互確認(rèn)才能完成雙方的周期同步變更。

1.3? 定時器

對于發(fā)送方而言，定時器觸發(fā)后會進行消息重傳和更新消息狀態(tài)。

對于接收方而言，定時器觸發(fā)后會進行消息回執(zhí)和更新消息狀態(tài)。

發(fā)送方重發(fā)時刻計算公式如下：

TF1=T+?T+（N-1）*H1+W1+H2+W2；

TFi=TFi-1+（N-1）*H1+W1+H2+W2；

式中，TF1為第1次重發(fā)時刻，TFi為第i次重發(fā)時刻，TFi-1為第i-1次重發(fā)時刻i∈[2，n]；n為設(shè)定次數(shù)；T為當(dāng)前時刻；?T為發(fā)送信息在首發(fā)時的時間間隔；N為外發(fā)數(shù)據(jù)中子數(shù)據(jù)的總數(shù)；H1為發(fā)送頻率，H2為接收方的發(fā)送頻率，W1為在發(fā)送方發(fā)射時段產(chǎn)生的誤差修正常數(shù)，W2為在接收方發(fā)射時段產(chǎn)生的誤差修正常數(shù)；

接收方重接時刻計算公式如下：

TJ1=T3+（N-S）*H1+W1；

TJi=TJi-1+（N-1）*H1+W1+H2+W2；

式中，TJ1為第1次重接時刻，TJi為第i次重接時刻，TJi-1為第i-1次重接時刻，i∈[2，n]；T3為首次接收到已收信息中子數(shù)據(jù)的時刻；N為已收信息中子數(shù)據(jù)的總數(shù)；S為首次接收到的已收信息中子數(shù)據(jù)對應(yīng)的序號。

1.4? 消息狀態(tài)

分為待發(fā)送，發(fā)送中，發(fā)送成功，發(fā)送失敗，預(yù)接收，接收中，接收成功，接收失敗。

1.5? 消息時間

分為創(chuàng)建時間，等待時間和入隊時間。

對于接收消息而言，三個時間相等。

對于發(fā)送消息而言，創(chuàng)建時間是最初消息進入系統(tǒng)的時間；等待時間首次發(fā)送時等于創(chuàng)建時間，在消息發(fā)送周期失敗后，如需重新發(fā)送時，等待時間變?yōu)楫?dāng)前時間；入隊時間是守護線程調(diào)度該消息從待發(fā)送狀態(tài)變?yōu)榘l(fā)送中狀態(tài)時的時間。消息回執(zhí)的時間等于對應(yīng)接收消息的時間。

1.6? 消息頭部[4]

包括版本號，日期，序號，當(dāng)前包號，總包號，消息類型。消息類型包括消息回執(zhí)，消息，預(yù)操作消息。其中通過日期和序號可以準(zhǔn)確定位一條消息。消息頭部和所占字節(jié)數(shù)如圖1所示。

1.7消息回執(zhí)

內(nèi)容為OK或者未完成的數(shù)據(jù)包號數(shù)組。

1.8? 預(yù)操作

由于通過北斗系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)發(fā)送時，無法做到和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)一樣持續(xù)發(fā)送，須按照指定時間間隔進行數(shù)據(jù)發(fā)送，并且存在發(fā)送方和接收方發(fā)送頻率相差較大的情況。

當(dāng)按照每條消息為一個單元進行發(fā)送時，接收方的回執(zhí)時間延遲將會導(dǎo)致發(fā)送方存在信道空閑的情況，所以引入預(yù)操作行為。通過優(yōu)先級進行調(diào)度，對后續(xù)信息進行預(yù)發(fā)送或預(yù)回執(zhí)，以充分利用發(fā)送信道。

1.9? 重復(fù)回執(zhí)

由于通過北斗系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)發(fā)送時，無法保證接收方一定會收到數(shù)據(jù)，因此在信道空閑時，會對接收成功的消息，進行重復(fù)回執(zhí)發(fā)送，確保接收方可以收到消息回執(zhí)，以充分利用發(fā)送信道。

1.10? 消息優(yōu)先級

目前消息分為緊急消息，回執(zhí)消息，一般消息，不緊急消息，預(yù)操作消息。

緊急消息的優(yōu)先級大于一般消息，一般消息優(yōu)先級大于不緊急消息，不緊急消息優(yōu)先級等于預(yù)操作消息。

回執(zhí)消息優(yōu)先級較為特殊，當(dāng)存在緊急消息時，其優(yōu)先級等于緊急消息，否則等于一般消息。

預(yù)操作包含預(yù)發(fā)送，預(yù)回執(zhí)和重復(fù)回執(zhí)，操作次數(shù)小的優(yōu)先級高。在操作次數(shù)相同時，預(yù)發(fā)送和預(yù)回執(zhí)優(yōu)先級相同，預(yù)發(fā)送和預(yù)回執(zhí)優(yōu)先級高于重復(fù)回執(zhí)。

優(yōu)先級一樣時，等待時間早的優(yōu)先級更高。發(fā)送消息和消息回執(zhí)的等待時間完全相同時，消息回執(zhí)優(yōu)先級更高。

2 發(fā)送數(shù)據(jù)模塊

發(fā)送數(shù)據(jù)模塊用來接收外部發(fā)送短報文數(shù)據(jù)和本方法發(fā)送的回執(zhí)消息。

當(dāng)模塊接收到發(fā)送請求后，會對數(shù)據(jù)進行北斗協(xié)議的特殊字符進行轉(zhuǎn)義處理。

對于回執(zhí)消息，在回執(zhí)消息隊列中保留最新的回執(zhí)消息。

對于正常消息，在待發(fā)送消息隊列和消息池增加該消息。如果消息長度超過單次最大長度減去自定義消息頭部的長度時，則進行數(shù)據(jù)拆包處理后放入拆包消息隊列，否則直接放入拆包消息隊列。

發(fā)送數(shù)據(jù)模塊流程如圖2所示：

3 接收數(shù)據(jù)模塊

接收數(shù)據(jù)模塊會根據(jù)是否存在消息頭部，判斷是否為原始短報文消息。

對于自定義短報文，主要分為回執(zhí)消息和正常消息。

如果是回執(zhí)消息，則根據(jù)消息內(nèi)容，從拆包消息隊列和發(fā)送消息隊列中刪除已發(fā)送的消息。如果回執(zhí)消息提示已完成發(fā)送，則更新待發(fā)送消息隊列狀態(tài)，并觸發(fā)定時器。

如果是正常消息，當(dāng)首次接收時，在接收消息隊列和消息池增加該消息，并計算發(fā)送周期，設(shè)定定時器觸發(fā)時間。每當(dāng)接收消息時，都會放入拆包消息隊列，根據(jù)隊列中該消息的總個數(shù)和消息頭部的總包號判斷是否已完成接收。如果已完成接收，則會觸發(fā)定時器。

接收數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

4 調(diào)度模塊

4.1 定時器守護線程

定時器觸發(fā)分為立即觸發(fā)和間隔觸發(fā)。立即觸發(fā)操作由方法的模塊觸發(fā)，間隔觸發(fā)由方法根據(jù)定時器觸發(fā)時間判斷是否觸發(fā)。

4.1.1接收消息隊列

立即觸發(fā)情況：

（1）消息狀態(tài)為接收成功。從拆包消息隊列中獲取該消息的所有消息包合并為一條完整的消息，然后進行特殊字符轉(zhuǎn)義，得到原始消息內(nèi)容，更新消息池中狀態(tài)為接收成功，發(fā)送消息回執(zhí)。

（2）消息狀態(tài)為接收失敗。更新消息池狀態(tài)為接收失敗。

間隔觸發(fā)情況：

（3）消息狀態(tài)為接收中。如果在發(fā)送周期中，則發(fā)送消息回執(zhí)，設(shè)定定時器觸發(fā)時間。如果已超出發(fā)送周期，更新接收消息隊列狀態(tài)為接收失敗并立即觸發(fā)定時器。

（4）消息狀態(tài)為預(yù)接收：刪除消息池、接收消息隊列和拆包消息隊列的該消息數(shù)據(jù)。

4.1.2待發(fā)送消息隊列

立即觸發(fā)情況：消息狀態(tài)為發(fā)送成功或發(fā)送失敗。更新消息池中狀態(tài)為發(fā)送成功或發(fā)送失敗。

間隔觸發(fā)情況：消息狀態(tài)為發(fā)送中。如果在發(fā)送周期中，將拆包消息隊列中該消息寫入發(fā)送消息隊列，設(shè)定定時器觸發(fā)時間。如果已超出發(fā)送周期，更新待發(fā)送消息隊列狀態(tài)為發(fā)送失敗，并立即觸發(fā)定時器。

4.2 調(diào)度消息守護線程

當(dāng)發(fā)現(xiàn)發(fā)送消息隊列無數(shù)據(jù)，且接近信道下次允許發(fā)送時才會執(zhí)行如下調(diào)度操作，如圖4所示。

檢查待發(fā)送消息隊列是否存在發(fā)送中的消息

（1）如果不存在：

從待發(fā)送消息隊列和回執(zhí)消息隊列獲取一條高優(yōu)先級消息。如果是待發(fā)送消息，則更新消息池狀態(tài)為發(fā)送中，計算發(fā)送周期和設(shè)定定時器觸發(fā)時間；更新待發(fā)送消息隊列狀態(tài)為發(fā)送中；將拆包消息隊列中該消息放入發(fā)送消息隊列。否則將回執(zhí)消息放入發(fā)送消息隊列后刪除。

如果均不存在，則從接收消息隊列獲取一條高優(yōu)先級且未達到重復(fù)操作上限的消息進行預(yù)回執(zhí)或重復(fù)回執(zhí)操作。

（2）如果存在：

從待發(fā)送消息隊列和回執(zhí)消息隊列獲取一條高優(yōu)先級且未達到預(yù)操作上限的消息。如果是待發(fā)送消息，從拆包消息隊列中獲取一個數(shù)據(jù)包放入發(fā)送消息隊列，并在預(yù)發(fā)送所有數(shù)據(jù)包后更新預(yù)操作次數(shù)。否則將回執(zhí)消息放入發(fā)送消息隊列后刪除。

如果不存在回執(zhí)消息，則從待發(fā)送消息隊列和接收消息隊列獲取一條高優(yōu)先級消息進行預(yù)發(fā)送或預(yù)回執(zhí)操作。

4.3 發(fā)送消息守護線程

如果當(dāng)前時間大于上次發(fā)送時間加發(fā)送頻率，則從發(fā)送消息隊列根據(jù)入隊時間，獲取最早的一條消息進行發(fā)送。

5 實驗測試

搭建測試環(huán)境，模擬岸端給6條船舶依次發(fā)送如下報文，其中重傳的次數(shù)設(shè)置為2，重復(fù)回執(zhí)的次數(shù)設(shè)置為5。

丟包率模擬：在航運領(lǐng)域，短報文收發(fā)經(jīng)常出現(xiàn)船舶的行駛過程中，丟包發(fā)生具有隨機性，因此丟包率采用了隨機數(shù)進行模擬丟包。每次發(fā)送時，從100以內(nèi)選取一個隨機數(shù)，如果隨機數(shù)小于設(shè)定的loss指標(biāo)，則認(rèn)為丟包。

發(fā)送頻率：目前岸端設(shè)備發(fā)送頻率為1次/ min，船端設(shè)備發(fā)送頻率為1次/5 min，目前船端發(fā)送的設(shè)計是預(yù)留定位發(fā)送信道，因此每10 min 發(fā)送短報文1次。本次實驗按照岸端發(fā)送頻率1次 /min，船端設(shè)備設(shè)定為2 min 和5 min 各1次，即短報文發(fā)送頻率為4 min 和10 min 各1次。

測試報文如圖5所示：

實驗結(jié)果如下表所示：

從實驗結(jié)果中，我們可以得出，隨著loss指標(biāo)不斷增加，當(dāng)loss等于60時，10 min 一次發(fā)送短報文的情況，仍然可以實現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)包達到率，證明本傳輸方法的有效性，降低了丟包率。

6 結(jié)束語

本文所提供的基于北斗短報文通信的數(shù)據(jù)傳輸方法已在某航運企業(yè)實際生產(chǎn)應(yīng)用，取得了良好的通信效果，將北斗2號短報文的數(shù)據(jù)長度增加到原來的16倍左右，同時增加通信的反饋功能和重傳功能，并且充分利用了北斗的通信信道。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為國家戰(zhàn)略，成為生產(chǎn)生活中不可或缺的一部分。其強大的定位精準(zhǔn)性、廣泛的覆蓋面以及安全性的保障為我國在各行各業(yè)提供了強大的支持和保障。

隨著北斗短報文通信容量的不斷增強，本方法會幫助北斗短報文在航運領(lǐng)域提供更好的服務(wù)[5]。

參考文獻

[1] 陳忠貴，武向軍.北斗三號衛(wèi)星系統(tǒng)總體設(shè)計[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2020（6）：835-845.

[2] 肖春暉，梁都朝.北斗短報文在海上安全信息播發(fā)中的應(yīng)用[J].珠江水運，2017，（23）： 79-80.

[3] 王亮，徐開來，馬良荔.基于會話、隊列控制的北斗短報文傳輸協(xié)議設(shè)計[J].艦船電子工程，2018，（3）： 12-16.

[4] 李晨浩，寧蓓，楊淙喜等.北斗短報文服務(wù)系統(tǒng)與終端接口設(shè)計[J].船電技術(shù)，2023，（2）： 9-13.

[5] 毛建峰，季克淮，王玉強等.基于北斗三代數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮胶１Ｕ蠎?yīng)用研究[J].珠江水運，2022，（20）： 60-62.