北斗短報文可靠性傳輸機制在人防中的應(yīng)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(jīng)濟和社會發(fā)展的重要方面,事關(guān)國家安全和發(fā)展的全局[1]。目前,各省市已建設(shè)了較為完善的統(tǒng)控系統(tǒng),多采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[2]、移動網(wǎng)絡(luò)或GPS等通信定位方式,且占據(jù)了巨大的市場。但從信息系統(tǒng)安全防護層面上講,采用這些方式是不可取的,尤其在戰(zhàn)時得不到安全保障[3]。而北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國獨立自主研制的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)[4],隨著北斗三號系統(tǒng)服務(wù)開通[5],衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)(Radio Determination Satellite Service,RDSS)服務(wù)性能和容量相對北斗二號系統(tǒng)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(yīng)用規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化進程也在不斷加速推進,尤其在一些地面移動網(wǎng)絡(luò)信號無法保證通信的區(qū)域[9],北斗可以持續(xù)地傳輸數(shù)據(jù)[10],因此被廣泛應(yīng)用于防空警報領(lǐng)域,達到平戰(zhàn)結(jié)合的效果。

北斗衛(wèi)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(huán)境干擾,會造成傳輸數(shù)據(jù)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(tǒng)中指揮關(guān)系的效能發(fā)揮,文獻[13]提出了將多臺北斗用戶機并聯(lián),上層軟件控制輪詢進行數(shù)據(jù)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(tǒng)的北斗短信發(fā)送能力和可靠度,但成本較高,需配備過多冗余設(shè)備。文獻[15]提出了基于北斗的虛擬多SIM卡語音通信系統(tǒng),可縮短一次語音通信,但北斗三號系統(tǒng)中通信存在實時加解擾過程,無法做到一臺設(shè)備下多SIM卡發(fā)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(shù)據(jù)不能填滿電文內(nèi)容,造成傳輸效率降低。本文針對人防統(tǒng)控系統(tǒng)的需求特點,提出利用串口設(shè)備將多臺指揮機進行并聯(lián)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(tài)反饋統(tǒng)計的實時性。

1 多設(shè)備陣列動態(tài)協(xié)調(diào)指揮發(fā)送機制

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

傳統(tǒng)北斗人防統(tǒng)控系統(tǒng)采用單臺指揮機,操作統(tǒng)控中心軟件通過北斗指揮機下發(fā)統(tǒng)控指令,警報站點配備的北斗數(shù)傳終端接收到統(tǒng)控指令后,經(jīng)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(fā)射一次)的北斗指揮卡,若發(fā)生警報器未鳴響(排除警報器本身問題)即北斗數(shù)傳終端不能100%接收到控制指令時,統(tǒng)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(fā)指令,無法保證鳴響的時效性。

為了解決傳統(tǒng)的人防統(tǒng)控系統(tǒng)發(fā)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(lián)組成陣列形式,如圖1所示,在發(fā)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(fā)送,減少等待時間。

圖1 指揮機并聯(lián)組成陣列結(jié)構(gòu)Fig.1 Beidou-3 command aircraft in parallel to form into an array structure

該系統(tǒng)由多臺指揮機并聯(lián)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(shù)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(shè)備需要及時將反饋信息上報到系統(tǒng),下屬設(shè)備的頻度直接影響到系統(tǒng)整體的傳輸速度,且反饋數(shù)據(jù)量較小,因此下屬設(shè)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(shè)備接收到警報指令后需要控制電聲警報器向控制中心發(fā)送反饋信息,因此控制中心連續(xù)2次下發(fā)警報指令的時間間隔要大于下屬警報站點的發(fā)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(fā)生指揮卡到頻度后第2次發(fā)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(fā)送時,下屬設(shè)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(shè)備個數(shù)為:

N=T/t(T>t) ,

(1)

式中:N為指揮機個數(shù),T為北斗指揮卡的頻度,t為下屬用戶卡的頻度。

指令發(fā)送采用輪詢形式,即第1臺北斗指揮機下發(fā)統(tǒng)控指令后,若在t時間內(nèi)未接收到警報反饋,統(tǒng)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(tǒng)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(fā)統(tǒng)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(tài)協(xié)調(diào)指揮發(fā)送流程Fig.2 Flowchart of the command aircraft array dynamic coordination transmission mechanism

在一個陣列周期內(nèi),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(fā)射的成功率,N為指揮機個數(shù)。

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

圖3 成功率隨陣列輪詢發(fā)送次數(shù)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(tǒng)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(tǒng)單臺指揮機發(fā)送機制可節(jié)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(shè)備陣列差異化可靠通信機制

隨著多媒體技術(shù)的不斷發(fā)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(fā)展,通信警報終端也由電聲警報器向多媒體通信警報器發(fā)展[18],然而北斗衛(wèi)星通信在弱環(huán)境下發(fā)送語音、圖片等長報文數(shù)據(jù)并不可靠,存在一定的丟包率。現(xiàn)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(tǒng)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(jié)合已經(jīng)成熟的圖片語音修復和解壓縮技術(shù),可知不同場景下的數(shù)據(jù)可靠度要求是彈性的。例如,人防統(tǒng)控警報控制指令傳輸應(yīng)用場景下,數(shù)據(jù)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(yīng)用場景下,10%以內(nèi)的數(shù)據(jù)丟包率可以通過修復技術(shù)保證語音/圖片的質(zhì)量。因此,在傳輸協(xié)議中增加丟包控制字段,即多包數(shù)據(jù)傳輸時事先規(guī)定丟包率,在傳輸過程中接收數(shù)據(jù)一旦達到丟包率的要求,可結(jié)束丟包重傳請求,以此減少不必要的數(shù)據(jù)重傳次數(shù),提高傳輸效率和成功率,更能保證時效性。其通信協(xié)議格式如圖4所示。

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

在人防統(tǒng)控系統(tǒng)中,發(fā)送語音、長文字和圖片等長數(shù)據(jù)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(yù)覽不同壓縮率和丟包率下的圖片質(zhì)量,根據(jù)需求選擇壓縮率和丟包率。

②確認發(fā)送后,統(tǒng)控軟件將圖片進行壓縮和分包,將分包數(shù)據(jù)暫存至發(fā)送緩存區(qū),以備補包使用。然后進行短報文組幀,按指揮機陣列輪詢發(fā)送(假設(shè)有N臺北斗指揮機,那么第i臺指揮機發(fā)送第i包、第N+i包、第2N+i包,依次類推)。同時,統(tǒng)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(shù)據(jù),組幀組群發(fā)送;若接收到接收端發(fā)來的成功反饋,確定多包數(shù)據(jù)發(fā)送完成后,清空緩存區(qū)。

③接收端接收到北斗數(shù)據(jù)包后,判斷是否為分包數(shù)據(jù),若為分包數(shù)據(jù),將接收到的數(shù)據(jù)暫存至接收緩存區(qū),并判斷當前數(shù)據(jù)是否符合丟包率,若符合,則提取緩存區(qū)的數(shù)據(jù)進行組幀解壓縮,將解壓縮后的圖片呈現(xiàn)在軟件界面上,發(fā)送接收成功反饋,清空該緩存區(qū)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(fā)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(shè)備陣列下進行多包發(fā)送,時間為原來的1/N,計算如下:

(3)

式中:n為發(fā)送總包數(shù),n>1,N為指揮機個數(shù),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(fā)送總包數(shù),Pb為重傳成功率,pb為單次發(fā)射成功率。

圖6展示了成功率隨重傳次數(shù)的增加而趨于100%。

圖6 成功率隨重傳次數(shù)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(tǒng)丟包重傳下超過3次即認定為失敗。因此相較于傳統(tǒng)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(jié)果與分析

由人防統(tǒng)控中心和各下屬警報站點組成人防統(tǒng)控系統(tǒng),統(tǒng)控中心部署北斗三號人防統(tǒng)控指揮監(jiān)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(shè)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(shù)如表1所示。

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

系統(tǒng)平臺如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)平臺搭建Fig.7 System platform building diagram

進行以下性能測試和分析:

①傳統(tǒng)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(fā)5條警報控制指令(通信大小為14 000 bit以內(nèi),單包發(fā)送)和5張圖片(通信大小為19.42 kb、分為12包發(fā)送),實驗結(jié)果如表2所示。

表2 實驗1結(jié)果Tab. 2 Results of experiment one

由表2實驗結(jié)果可以看出,在出現(xiàn)有丟包的情況下,陣列發(fā)送至少可縮短一個下屬用戶發(fā)射頻度的時間,驗證了指揮機陣列對于提高發(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)送19.42、23.06、25.12、26.9、28.7 kb,按通信容量14 000 bit分包,對應(yīng)總包數(shù)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(fā)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(jié)果如表3所示。

表3 實驗2結(jié)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(jù)接收到的圖片包數(shù)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(fā)送重傳請求。由表3實驗分析結(jié)果可以看出,請求重傳次數(shù)減少,時間縮短至少一個指揮機發(fā)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(shù)據(jù)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(xiàn)輪詢發(fā)送,無論是發(fā)送長數(shù)據(jù)還是發(fā)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(jié)束語

針對北斗應(yīng)用于防空警報領(lǐng)域易受環(huán)境影響、發(fā)送長數(shù)據(jù)通信不可靠等缺陷,提出了一種可靠性傳輸機制應(yīng)用于人防統(tǒng)控系統(tǒng)中,該機制主要在傳統(tǒng)丟包重傳機制上引入丟包控制字段,在允許丟包的業(yè)務(wù)需求下,減少不必要的重傳次數(shù),相比傳統(tǒng)的重傳機制,縮短了傳輸時間。同時結(jié)合多設(shè)備陣列,利用北斗三號組群特色功能進行協(xié)調(diào)指揮輪詢發(fā)送,確保同一發(fā)射周期下,時間縮短效果顯著,更進一步提高了傳輸效率。經(jīng)過對比試驗,結(jié)果表明,在出現(xiàn)丟包的情況下,采用差異化可靠傳輸機制發(fā)送至少可縮短一個指揮機發(fā)射頻度的時間,陣列發(fā)送至少可縮短一個下屬用戶發(fā)射頻度的時間。因此,在易丟包、長數(shù)據(jù)的應(yīng)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(yīng)用于防空警報領(lǐng)域。