基于北斗衛(wèi)星的大型海洋浮標通信機制研究

黎 明，時海勇

(中國海洋大學工程學院，山東 青島 266100)

基于北斗衛(wèi)星的大型海洋浮標通信機制研究

黎 明，時海勇

(中國海洋大學工程學院，山東 青島 266100)

針對北斗通信效率低、通信并非百分百可靠等問題，提出了一套新的大型海洋浮標北斗通信機制，包含一套通信協(xié)議、一種適用于通信數(shù)據(jù)的“位拼接-LZW”兩重數(shù)據(jù)壓縮機制以及一套適用于通信系統(tǒng)的“主-從”兩重狀態(tài)機通信控制機制。該機制有效地提高了通信傳輸效率，節(jié)約了通信成本，保證了北斗通信的可靠性，并且已成功應用于大型海洋浮標中。

大型海洋浮標；北斗通信；數(shù)據(jù)壓縮；LZW算法；狀態(tài)機

北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)是我國自主研制開發(fā)的區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要有快速定位、簡短通信和精密授時三大功能，是繼美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯的GLONASS之后第三個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)[1]。

北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)能有效保障用戶關鍵業(yè)務數(shù)據(jù)在存儲、處理和傳輸過程中的安全性，對國防及經(jīng)濟安全起著至關重要的作用?，F(xiàn)代海洋浮標的通信方式多種多樣，包括海事衛(wèi)星、GPRS、北斗衛(wèi)星以及VHF等。但是出于安全性與自主性的考慮，北斗通信成為了我國海洋浮標數(shù)據(jù)通信的主要通信方式。但是北斗自身特性上存在一些缺陷：

(1)北斗衛(wèi)星單次通信數(shù)據(jù)量小。北斗衛(wèi)星二類民用用戶一次只可以傳輸最多77個字節(jié)的二進制數(shù)據(jù)。

(2)北斗衛(wèi)星通信時間間隔大。二類民用用戶連續(xù)兩次通信需要至少1 min的時間間隔。如果通信幀數(shù)過多，一個完整數(shù)據(jù)包通信的完成將跨越較長的時間跨度，考慮多浮標的情況，很可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)不能在本時次的有限時間內(nèi)完全傳輸完的情況。

(3)北斗通信按數(shù)據(jù)量收費。常年累月大數(shù)據(jù)量通信勢必導致通信成本的飆升。

(4)北斗衛(wèi)星可靠性并非百分之百。北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)截至2008年底已累計提供定位服務2.5億次、通信服務1.2億次、授時服務2,500萬次，系統(tǒng)可靠性達99.98%，但是存在0.02%的不可靠概率。

除了北斗衛(wèi)星自身特性上的缺陷，海洋浮標行業(yè)也具有其行業(yè)的特殊性——海洋浮標通信數(shù)據(jù)量大。大型海洋浮標通信數(shù)據(jù)包含風速、風向、波高、波周期、波向、海流流速、海流流向、氣壓、溫度、濕度、水溫、鹽度、濁度以及葉綠素等10多類200多種數(shù)據(jù)。

針對北斗衛(wèi)星自身通信量小、通信時間間隔大、收費、存在一定不可靠性以及海洋浮標通信數(shù)據(jù)量大等問題，研究一種適用于大型海洋浮標、高效可靠的數(shù)據(jù)通信機制，有重要意義。本文提出一種基于“位拼接-LZW”兩重數(shù)據(jù)壓縮和“主-從”兩重狀態(tài)機控制的北斗通信機制，很好地解決了海洋浮標北斗通信效率和可靠性的問題。該機制已經(jīng)被成功應用于中國海洋大學與海洋局東海分局合作的大型海洋浮標項目中。本文將從以下幾個方面來闡述該通信機制：

(1)“位拼接-LZW”兩重數(shù)據(jù)壓縮機制。位拼接就是將數(shù)據(jù)在位的層面按一定順序首尾相接，再斷截成字節(jié)，這樣做可以減少位空間浪費；LZW壓縮算法對具有一定相似度的數(shù)據(jù)具有顯著的壓縮效果。兩者結合能有效提升北斗通信效率。

(2)通信協(xié)議。由于經(jīng)兩重數(shù)據(jù)壓縮后，數(shù)據(jù)長度不固定，該通信協(xié)議被設計為變幀協(xié)議，即通信總幀數(shù)視壓縮結果而定。

(3)“主-從”兩重狀態(tài)機控制機制。主狀態(tài)機在多浮標的層面處理數(shù)據(jù)，識別出浮標號后，將數(shù)據(jù)幀拋給從狀態(tài)機。從狀態(tài)機與單個浮標對應，在單浮標的層面處理數(shù)據(jù)。

1 “位拼接-LZW”兩重壓縮機制

1.1 位拼接算法

數(shù)據(jù)壓縮技術就是減少用于存儲和傳輸信息的位的數(shù)目[2]。位拼接算法就是在位的層面將數(shù)據(jù)加以拼接，節(jié)省掉數(shù)據(jù)之間的位空間浪費。現(xiàn)實中，海洋環(huán)境各種參數(shù)量值都是在一定的范圍內(nèi)的，如風速只可能是0～100 m/s,水溫只可能在-50～50℃，超出該范圍的值就可以認為是野值。因此，就可以根據(jù)物理量的實際范圍，來確定最小的數(shù)據(jù)表達位數(shù)。

在發(fā)送端，只需將各類物理量對應的最小位數(shù)的二進制數(shù)在位的層面拼接起來，再斷截成字節(jié)；在接收端，我們需要按位拼接算法反解出各個數(shù)據(jù)，再加上偏移量就得到了所需物理量。

位拼接算法節(jié)省位空間，效果十分顯著，位拼接之前，海洋浮標200多種數(shù)據(jù)要占355個字節(jié)，經(jīng)位拼接壓縮后，只占255個字節(jié)，有效節(jié)省了100個字節(jié)的空間，壓縮率約為28.17%。

1.2 LZW算法

LZW實質(zhì)是一種無損壓縮[3-6]。LZW算法是在1984年由TA Welch對LZ編碼中的LZ78算法修改而成的一種實用的字典壓縮算法，是對LZ78算法的改進[7]。字典是在編解碼過程中動態(tài)形成的且不必將字典傳給解碼器，這是LZW高效的主要原因。

LZW壓縮算法的基本思想是根據(jù)待壓縮的字符流動態(tài)生成一個字典，將輸入字符串映射成定長的碼字輸出。LZW壓縮算法實現(xiàn)步驟如下：

（1）初始化字典，使字典包含所有可能的前綴根，并置前綴Prifix為空；

（2）讀取輸入流中的字符，賦給當前字符C；

（3）判斷綴符PrifixC(Prifix+C)是否在字典中，若在字典中，更新Prifix=PrifixC，若不在字典中：①將Prifix對應的碼字寫入輸出碼流；②將PrifixC添加到字典中并更新Prifix=C；

（4）判斷是否還有數(shù)據(jù)要壓縮，如果有，則轉(zhuǎn)到(2)；否則，轉(zhuǎn)到(5)；

（5）將Prifix對應的字典索引寫入輸出碼流，編碼結束。

LZW解壓縮與壓縮相對，基本思想是根據(jù)待解壓縮的碼字流動態(tài)生成一個字典，將輸入碼字映射成字符串輸出。LZW解壓縮實現(xiàn)步驟如下：

（1）初始化字典，使字典包含所有可能的前綴根；

（2）讀取編碼數(shù)據(jù)流中的第一個碼字，賦給cW；

（3）在詞典中查出cW對應的字符串，輸出到字符流；

（4）將當前碼字cW賦給先前碼字pW,即令pW=cW；

（5）讀取編碼數(shù)據(jù)流中的下一個碼字，賦給cW；

（6）判斷當前碼字是否在字典中，如果在：①把當前碼字對應的字符串輸出到字符流；②將先前碼字對應的字符串賦給前綴Prifix；③取當前碼字cW對應字符串的第一個字符，賦給當前字符C；④將字串Prifix+C添加到字典中；如果不在：①將先前碼字pW對應的字串賦給前綴Prifix；②取先前碼字pW對應字符串的第一個字符，賦給當前字符C；③將字符串Prifix+C輸出到字符流，并將該字串添加到字典中；

（7）判斷編碼數(shù)據(jù)流中是否還有數(shù)據(jù)，若果有，則轉(zhuǎn)到(5)；如果沒有，解壓縮結束。

結合上述LZW算法原理，可知LZW壓縮算法的壓縮率與源數(shù)據(jù)有關，在一定范圍內(nèi)浮動，源數(shù)據(jù)的相似度越高，即包含的相同字符越多，壓縮率越理想；源數(shù)據(jù)的相似性越低，即包含的相同字符越少，壓縮率越低。給定源數(shù)組長度為w，現(xiàn)給出LZW算法的壓縮率范圍：

待壓縮源數(shù)組字符都一樣的情況，壓縮率最大，為：

待壓縮源數(shù)組字符都不一樣的情況，壓縮率最小，為：

式中：n為碼字字長，m與w存在式（3）所示關系。

1.3 嵌入式環(huán)境下LZW算法字典設計

嵌入式環(huán)境下，程序開發(fā)要考慮的一個重要因素就是存儲空間的大小。盡可能的節(jié)省資源是必須遵循的一個原則。LZW算法中最消耗內(nèi)存資源的就是字典。本文給出一個一維代替二維的一維數(shù)組字典模式。該模式用兩個一維數(shù)組來作為字典容器。一個存放字串，稱之為字串數(shù)組；一個存放字串的首地址及長度，稱之為地址數(shù)組。字典數(shù)組如圖1所示。該模式避免了二維數(shù)組由于字串長度不等帶來的空間冗余。

圖1 字典數(shù)組

為了節(jié)省空間，ASCII碼值為0～255的256個單字符不占用字典空間，該字典只包含長度大于1的字串。如此一來，字典字串索引碼值Index與輸出碼字Code存在式（4）所示的關系。

為了最大程度滿足需要，同時避免空間浪費，現(xiàn)在給出字典數(shù)組大小：

（1）假設需要LZW壓縮源數(shù)組的長度為w。

（2）結合LZW算法原理可知，源數(shù)組所有字符都不相同的情況，字典所需空間最大，這時源數(shù)組中所有字符都在字串中出現(xiàn)兩次，故串數(shù)組的最大長度為2w。

（3）源數(shù)組所有字符都不相同時，字典項數(shù)最多，項數(shù)為w，此時對應址數(shù)組長度最大，長度為2w。

1.4 壓縮效果

由前文可知，LZW算法的壓縮率與原數(shù)據(jù)有關，在一個范圍內(nèi)浮動，那么就只能在統(tǒng)計的層面討論兩重數(shù)據(jù)壓縮的效果。圖2給出了對1 000包數(shù)大型海洋浮標實際數(shù)據(jù)進行兩重數(shù)據(jù)壓縮處理時，LZW壓縮的壓縮率分布情況。數(shù)據(jù)是從浮標現(xiàn)場隨機抽取的，從圖中可以看出經(jīng)過位拼接后，LZW算法的壓縮率很大概率集中在25%以上。這意味著如果位拼接后的幀數(shù)超過4幀的話，經(jīng)LZW壓縮后很大概率上能夠壓掉至少一幀數(shù)據(jù)。這無論是從通信時延還是成本上考慮，都是極大的改良。

圖2 LZW壓縮率分布圖

2 通信協(xié)議

通信協(xié)議是設備間通訊的規(guī)范，通信協(xié)議設計主要側重于協(xié)議可靠性和傳輸效率等方面。由前文可知，“位拼接-LZW”兩重數(shù)據(jù)壓縮的壓縮率與源數(shù)據(jù)有關，在某一范圍內(nèi)浮動，也就是說最終壓縮得到的數(shù)據(jù)長度不定。針對這種情況，本協(xié)議設計成變幀結構，如圖3所示。該協(xié)議分為兩層：幀元結構和包元結構。

2.1 幀元結構

幀元結構是該通信協(xié)議中的最小通信單元。發(fā)送端，各個幀對應的通信數(shù)據(jù)按位拼接壓縮算法壓縮后，填充到幀元結構的通信數(shù)據(jù)區(qū)，組成幀元；接收端，從幀元結構的通信數(shù)據(jù)區(qū)取出數(shù)據(jù)后，按位拼接解壓縮算法解析出各個幀對應的通信數(shù)據(jù)。

幀元結構各個區(qū)段的意義見表1。其中命令碼標示幀類型，具體類型見表2。

2.2 包元結構

包元結構是幀元結構的容器，每個包元結果至少包含一個幀元。發(fā)送端，將本次要發(fā)送的所有幀元結構統(tǒng)一按LZW壓縮算法壓縮后，再將所得數(shù)據(jù)依次取74個字節(jié)填充到包元結構的通信數(shù)據(jù)區(qū)段，組成包元結構，最后一包通信數(shù)據(jù)不滿74字節(jié)的話，有多少數(shù)據(jù)就填充多少；接收端，取出本次接收到的所有包元結構的通信數(shù)據(jù)區(qū)段，按LZW解壓縮算法解析出各個幀元結構。

包元結構各個區(qū)段的意義見表3。

3 “主-從”兩重狀態(tài)機控制機制

圖3 通信協(xié)議格式

表1 幀元區(qū)段意義

表2 命令碼

表3 包元區(qū)段意義

兩重數(shù)據(jù)壓縮只是保證了北斗通信的傳輸效率，北斗通信的另一個重要方面就是通信的可靠性。通信可靠性就是指信息在傳輸中由于信道不理想性出錯概率的大小。影響通信可靠性的因素眾多，主要有通信環(huán)境、通信差錯控制技術等[8]。本文從通信差錯控制技術入手，將有限狀態(tài)機引入通信控制機制中來，提出了一種“主-從”兩重狀態(tài)機控制機制，如圖4所示。“主-從”兩重狀態(tài)機機制彌補了北斗通信可靠性上的瑕疵，能夠有效應對丟包的情況，使得通信控制更加有序、不紊亂，增強了系統(tǒng)的健壯性。其作用及優(yōu)點表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)“主-從”兩重狀態(tài)機，有效地解決了多浮標數(shù)據(jù)通信控制的問題。主狀態(tài)機統(tǒng)籌調(diào)度，從狀態(tài)機分管各單浮標的數(shù)據(jù)處理工作。

(2)“主-從”兩重狀態(tài)機，具有部分幀重發(fā)的功能。所謂部分幀重發(fā)，就是哪一幀或幾幀漏發(fā)或丟失，只要求重發(fā)這一幀或幾幀就可以了，不必將所有幀重發(fā)一遍。這一功能是在從狀態(tài)機的發(fā)送應答幀中實現(xiàn)的。

(3)“主-從”兩重狀態(tài)機，具有多重糾錯、排錯的功能。主狀態(tài)機包含校驗和錯誤處理功能，能初步排除部分錯誤；從狀態(tài)機中的錯誤處理，進行進一步排錯。

3.1 主狀態(tài)機

主狀態(tài)機根據(jù)識別出來的浮標號，將數(shù)據(jù)以及識別出的命令號拋給與該浮標號對應的從狀態(tài)機，從而啟動后續(xù)數(shù)據(jù)處理。主狀態(tài)機好比一道防火墻，所有浮標的數(shù)據(jù)都要經(jīng)其篩選把關，再路由給不同的從狀態(tài)機，既起著激活各個從狀態(tài)機的作用，同時為從狀態(tài)機分擔了部分錯誤處理工作，減輕了從狀態(tài)機的負擔。

3.2 從狀態(tài)機

從接收狀態(tài)與浮標號一一對應，有幾個浮標就有幾個從接受狀態(tài)機。從狀態(tài)機負責各個浮標數(shù)據(jù)通信的控制，每個從狀態(tài)機都獨占一個線程，所有從狀態(tài)機同時自行運轉(zhuǎn)，各司其職，同時都接受主狀態(tài)機這個主線程的通道調(diào)度。從狀態(tài)機就是“多浮標”這一功能概念在多線程技術下的完美詮釋。

從狀態(tài)機中的發(fā)送應答幀環(huán)節(jié)是至關重要的環(huán)節(jié)，綜合分析標志位，做出或者部分幀重發(fā)應答，或者接收完成應答。從狀態(tài)機中錯誤處理環(huán)節(jié)可以處理超時錯誤和接收錯誤，避免接收過程陷入死循環(huán)。

4 結束語

本文提出的“位拼接-LZW”兩重數(shù)據(jù)壓縮機制在壓縮效率上效果顯著，極大地提升了北斗通信的通信效率，有效地控制了通信成本。從圖2看出，如果通信幀數(shù)超過4幀的話，很大概率上能至少壓掉1幀，也就是說每一包就能節(jié)省一幀的通信費用以及通信時間。

圖4 “主-從”兩重狀態(tài)機機制

本文提出的“主-從”兩重狀態(tài)機控制機制很好地抑制了丟包現(xiàn)象，保證了通信的可靠性。與國家海洋局東海分局合作的大型海洋浮標在海上連續(xù)運行7個月，其間經(jīng)歷過多次臺風，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，未出現(xiàn)過通信故障。

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Research of Communication Mechanism Based on Beidou Satellite for Large Buoy

LI Ming,SHI Hai-yong
(College of Engineering,Ocean University of China,Qingdao Shandong 266100,China)

For the problems such as low communication efficiency and unreliability of communication,a new communication mechanism for large buoy based on Beidou satellite was proposed,including a set of communication protocols,a double data compression mechanism called “bit splicing-LZW” for communication data and a “master-slave” double state machine communication control mechanism for communication system.The mechanism could improve the communication transmission efficiency,save communication cost and ensure the reliability of communication.The mechanism has been successfully applied to the large buoy.

large buoy;Beidou satellite communication;data compression;LZW algorithm;state machine

P715.2，TN927

B

1003-2029（2012）01-0001-05

2011-09-27

黎明(1975-)，男，副教授，研究方向為智能信息處理與智能控制。