摘  要： 針對特殊場景下需通過北斗短報文傳輸大量數(shù)據(jù)信息的需求，探討并設(shè)計了一種適合于北斗通信的長報文可靠傳輸協(xié)議框架。通過擴展北斗短報文傳輸協(xié)議，結(jié)合Redis應(yīng)用，提出最大重傳次數(shù)和超時等待控制因子，建立北斗長報文傳輸差錯重傳機制，從而解決了大數(shù)據(jù)量報文在北斗通道的傳輸問題。實驗結(jié)果表明，該傳輸協(xié)議可實現(xiàn)對長報文丟包的差錯重傳功能，有效控制“盲目發(fā)送”現(xiàn)象，使得有效信息率得到提高。

　　關(guān)鍵詞： 北斗衛(wèi)星；長報文；Redis；可靠傳輸

0 引言

　　北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所具備的短報文通信功能，可在我國領(lǐng)土區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)全覆蓋、全天候服務(wù)，具有傳送速度快、不受地形條件和環(huán)境氣候影響等優(yōu)勢，為解決遠(yuǎn)海、沙漠、深山等無移動網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋地區(qū)的信息獲取和發(fā)布提供了一種有效的解決途徑。

　　北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信道資源有限，短報文通信受到北斗卡的通信頻度和通信報文長度方面的限制。同時，受環(huán)境及設(shè)備狀態(tài)等影響，通信過程存在數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象。這些問題很大程度上影響了短報文的應(yīng)用效果[1]。實際應(yīng)用中，傳輸報文長度往往又是不固定的，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大時，單次北斗短報文通信無法滿足需求。如何有效利用北斗短報文通信資源，豐富其傳輸內(nèi)容并提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性，成為北斗相關(guān)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)建設(shè)的一個重要課題。

　　本文針對北斗報文傳輸應(yīng)用的實際需求，結(jié)合北斗數(shù)據(jù)信息服務(wù)平臺應(yīng)用，設(shè)計一種適合北斗長報文傳輸管理的方案。通過對傳輸數(shù)據(jù)進行協(xié)議約定，提出報文通信重傳控制因子和長報文信息補發(fā)請求機制，保證北斗終端與系統(tǒng)平臺之間報文的有效傳輸。

1 傳輸協(xié)議分析

　　針對北斗短報文通信特點，結(jié)合信息服務(wù)平臺功能需求，設(shè)計基于存儲系統(tǒng)的長報文可靠傳輸框架協(xié)議，以解決數(shù)據(jù)信息服務(wù)系統(tǒng)的通信問題。

　　1.1 系統(tǒng)組成

　　本設(shè)計系統(tǒng)組成如圖1所示，主要包括：北斗通道端、數(shù)據(jù)處理中心、北斗終端、存儲系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)。

　　根據(jù)北斗信息服務(wù)平臺設(shè)計需求，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫采用Redis系統(tǒng)。Redis是一款高性能的key-value存儲系統(tǒng)，其讀寫效率高，可提高北斗短報文處理能力，降低響應(yīng)時間長度。配合協(xié)議設(shè)置及數(shù)據(jù)管理算法，可為長報文分包處理提供一種有效的解決方案。

　　1.2 協(xié)議規(guī)約

　　北斗短報文功能支持的單次傳輸長度有效，需要對北斗數(shù)據(jù)傳輸格式進行協(xié)議拓展[2]，如圖2所示。

　　本文為使短報文電文內(nèi)容攜帶控制信息，并豐富數(shù)據(jù)類型，對協(xié)議二次封裝[3]，具體定義如下：

　?。?）協(xié)議頭部：為了兼容和區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)的北斗數(shù)據(jù)格式及平臺擴展協(xié)議格式，電文開頭設(shè)置協(xié)議編碼部分，占用半個字節(jié)。

　?。?）數(shù)據(jù)標(biāo)識：占用半個字節(jié)，每個比特字段分別代表一個標(biāo)識，如標(biāo)識是否壓縮、加密或補包數(shù)據(jù)等。

　　（3）總包數(shù)：占用1 B，長報文數(shù)據(jù)通過總包數(shù)大小字段來判斷數(shù)據(jù)是否需要進行數(shù)據(jù)緩存管理。

　?。?）當(dāng)前分包編號：占用1 B，標(biāo)識當(dāng)前報文屬于分包數(shù)據(jù)的第幾個分包。如果數(shù)據(jù)不需要分包時，該數(shù)據(jù)字段的值和總包數(shù)字段的值都為1。

　　（5）應(yīng)用協(xié)議編碼：占用1 B，標(biāo)識系統(tǒng)通信過程中的不同業(yè)務(wù)編碼。如語言、圖像、導(dǎo)航位置等。

　?。?）應(yīng)用數(shù)據(jù)實體：為電文字段剩余可用部分，具體傳輸數(shù)據(jù)格式可由系統(tǒng)業(yè)務(wù)根據(jù)需要定義。

2 框架模型設(shè)計

　　為解決報文發(fā)送的頻度和長度受限問題，本文采用北斗多卡機來處理報文收發(fā)工作，實現(xiàn)短報文的多卡工作模式[4]，極大提高了短報文的發(fā)送頻度。

　　數(shù)據(jù)處理整體流程結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　2.1 協(xié)議設(shè)計

　?。?）北斗報文協(xié)議

　　北斗通道接入層設(shè)備使用的北斗用戶機接口協(xié)議包括4.0版本和2.1版本。通過軟件設(shè)計一個通用數(shù)據(jù)接入實現(xiàn)層，解決北斗數(shù)據(jù)源差異性問題。

　?。?）數(shù)據(jù)傳輸控制

　　北斗通信主要以大量的小字節(jié)數(shù)據(jù)為主，傳輸控制除對長報文數(shù)據(jù)編解碼外，還配合存儲系統(tǒng)實現(xiàn)對分包數(shù)據(jù)的重傳管理。

　　下發(fā)分包數(shù)據(jù)時，先將數(shù)據(jù)存入Redis并設(shè)置有效期，分包發(fā)送結(jié)束后更新發(fā)送狀態(tài)。若在數(shù)據(jù)有效期內(nèi)收到重傳請求，則根據(jù)請求報文表明的編碼重發(fā)分包，并延長存儲數(shù)據(jù)的有效期，同時將重傳請求計數(shù)加1。若重傳超過N次，清除該存儲數(shù)據(jù)，結(jié)束本條長報文的緩存管理。N值由系統(tǒng)能力設(shè)定，默認(rèn)為3。

　　數(shù)據(jù)接收處理算法流程如圖4所示。

　　2.2 緩存管理

　　由于存儲的分包對象信息較多，本文采用Hash數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)管理數(shù)據(jù)，并采用Redis默認(rèn)的數(shù)據(jù)過期策略處理無效數(shù)據(jù)。同時，本文對緩存對象結(jié)構(gòu)設(shè)置了數(shù)據(jù)發(fā)送標(biāo)識及發(fā)送次數(shù)計數(shù)，以便差錯重傳過程中能有效識別重傳數(shù)據(jù)狀態(tài)。

　　2.3 自適應(yīng)差錯重傳

　　針對長報文數(shù)據(jù)傳輸過程中存在的丟包現(xiàn)象，參考文獻[5]中提出了反饋機制，但只有反饋機制的情況下，若通信成功率低，容易造成循環(huán)反饋或長時間等待反饋的現(xiàn)象，盲目請求重發(fā)嚴(yán)重浪費了北斗帶寬資源。參考文獻[6]提出了確認(rèn)答復(fù)機制，但在需要緩沖的數(shù)據(jù)量大時沒有提出對應(yīng)管理方式。本設(shè)計考慮北斗通信過程中實際通信流量限制等因素，差錯重傳方式參考并簡化TCP/IP傳輸機制。同時，為防止出現(xiàn)反復(fù)重復(fù)發(fā)送重傳請求或長時間等待補包數(shù)據(jù)帶來的資源開銷問題，引入了重傳控制因子，由請求計數(shù)N和補包等待時間T兩個因素共同組成。同時對重傳請求機制設(shè)定發(fā)送重傳請求次數(shù)的限制，并在接收補包數(shù)據(jù)過程中增設(shè)可動態(tài)調(diào)整等待長度機制。等待時間T=C×t，其中t為30 s的等待時間，C為丟包總數(shù)。若在N次的T時間內(nèi)都沒有收到補包數(shù)據(jù)，則放棄請求重傳；若N次重傳請求中有收到補包數(shù)據(jù)，但還沒接收完整且N>1時，重新賦值N為N/2，并重新執(zhí)行請求重傳過程。

　　以接收端的丟包請求重傳為例，控制因子自適應(yīng)調(diào)整算法包含重傳請求控制和數(shù)據(jù)補包處理兩部分。重傳請求控制流程負(fù)責(zé)對Redis中存在的緩存數(shù)據(jù)進行重傳并管理控制因子參數(shù)N和T，具體流程如圖5所示。

　　數(shù)據(jù)補包處理負(fù)責(zé)對補包報文進行處理，更新緩存數(shù)據(jù)，并根據(jù)實際補包情況動態(tài)調(diào)整控制因子，具體流程如圖6所示。

3 測試分析

　　測試協(xié)議框架過程采用北斗終端上報海洋漁業(yè)數(shù)據(jù)信息，測試設(shè)備均采用北斗多卡機設(shè)備，每個設(shè)備接入16張北斗卡。測試過程以發(fā)送230個漢字的長報文進行多組對比通信，部分測試數(shù)據(jù)如表1所示。

　　從表1可看出，引入控制因子后，通信出現(xiàn)丟包時，平臺能夠自動完成補包請求報文，雖然會損耗報文用于發(fā)送重發(fā)請求，但通過控制因子的調(diào)整，避免了盲目發(fā)送請求的現(xiàn)象，提高了整體通信有效率。第二組數(shù)據(jù)有效通信率沒有得到有效提高，這是實際通信中受到環(huán)境影響，導(dǎo)致請求重發(fā)過程沒有得到有效的響應(yīng)。測試結(jié)果表明，本文的北斗報文可靠傳輸協(xié)議框架設(shè)計合理，能夠有效解決大數(shù)據(jù)量報文信息在北斗短報文傳輸過程中存在的丟包重傳問題，驗證了本方案的準(zhǔn)確性和可行性。

　　4 結(jié)論

　　隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)力度的不斷加大，基于北斗短報文通信的應(yīng)用也越來越多。本文在分析北斗衛(wèi)星導(dǎo)航短報文通信功能的特點基礎(chǔ)上，結(jié)合實際應(yīng)用需求，探討了基于存儲系統(tǒng)的報文可靠傳輸框架方案設(shè)計及實現(xiàn)，對將北斗短報文通信更廣泛而深入地應(yīng)用在航空航海運輸、物聯(lián)網(wǎng)及地理監(jiān)測等方面具有一定的借鑒和參考意義，有助于北斗在信息化應(yīng)用中發(fā)揮更大作用。

　　參考文獻

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