基于北斗衛星的車載移動站可靠通信鏈路設計

李 洋，韓書鍵，張 軻

基于北斗衛星的車載移動站可靠通信鏈路設計

李 洋1，韓書鍵2，張 軻1

（1 中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068；2 北京衛星導航中心，北京 100009）

為建立可靠的車載移動站數據傳輸系統，設計了一種基于BDS短報文協議的可靠通信鏈路。針對BDS短報文通信的不可靠性和通信容量有限的缺陷，通過自定義通信協議，采用增強型數據握手機制加強數據傳輸的可靠性和多卡協同傳輸數據機制增大數據傳輸的效率。經實驗表明，采用提出的可靠通信鏈路設計比傳統方式的傳輸成功率平均提高了35%，能提高北斗衛星的移動站數據傳輸的可靠性。

BDS短報文；增強型數據握手機制；多卡協同傳輸數據機制

0 引言

北斗衛星導航系統（Beidou Navigation Satellite System，BDS）的短報文通信[1]，是指北斗地面終端、北斗衛星和北斗地面監控總站之間能夠直接通過衛星信號進行雙向的信息傳遞，通信以短報文為傳輸基本單位，是BDS區別于其他衛星導航系統的一項功能特性。隨著北斗通信服務在亞太地區的全覆蓋，BDS短報文在應急救助、野外作業及海上生產等通信盲區的重要性逐漸體現。

車載移動站主要在偏遠地區、荒嶺探險甚至反恐安全中使用，因此利用BDS短報文的特點以構建無盲區可靠遠程通信鏈路是車載移動站穩定運行的前提，然而短報文通信鏈路自身存在可靠性差、通信容量小以及通信范圍局限等問題。文獻[2-3]提出一種分布傳輸方法提高可靠性，但是沒有充分利用北斗通信容量，造成傳輸效率低下。

本文依據實際需求，通過改進系統通信協議結構，運用增強型數據握手機制提升了傳輸的可靠性和穩定性；同時運用多卡協同傳輸數據機制提高傳輸效率和正確性。

1 系統框架

車載移動站可對區域內系統的定位性能和衛星可用狀態進行監測、評估，當定位性能出現異常或衛星不可用時，能夠快速檢測并通過BDS短報文通信手段上報至固定站，實現完好性監測功能。如圖1所示。

圖1 車載移動站系統框架

2 BDS短報文通信缺陷及改進設計

2.1 BDS短報文通信缺陷

北斗衛星通信可分為民用和軍用兩種，北斗軍用服務擁有更高的精確度，但目前尚未完全開放使用。為保證本文所搭建通信系統的可重用性和可操作性，本文采用北斗民用服務來實現。然而北斗系統的民用報文通信存在以下三個方面的限制[4]：

（1）北斗衛星通信鏈路的通信連接易受環境影響，且在通信過程中沒有通信回執，使得其可靠性較低，因此北斗用戶發送方不知道接收方是否開機在線以及是否接收到數據；

（2）北斗衛星通信鏈路通信存在一定的通信間隔，民用通信間隔為1分鐘，因此無法進行大數據的通信和頻繁握手交互；

（3）通信資源有限，根據協議要求，每次通信數據包長度不得超過78字節，若用戶發送信息長度過長易導致數據包信息丟失；若用戶發送信息長度過短易造成信息容量包因未填滿導致通信容量浪費。

2.2 系統通信改進設計

針對上述BDS短報文通信的缺陷以及固定站和車載移動站傳送監測衛星完好性數據及衛星測量數據的實際需求，本文從兩點出發提出相應的改進機制：

（1）增強型數據握手機制。針對北斗通信容量有限的特點，重新設計通信協議格式，將關鍵字的字節占用率極大壓縮[5]的同時保證通信策略的正確運行。關鍵字的部分bit 信息位是實現增強數據握手功能和丟包重傳功能的關鍵。

（2）多卡協同傳輸數據機制。分析衛星完好性和測量數據包后得出，車載移動站的采樣數據包長度在450字節以內，因此采用六張用戶卡以動態協同數據傳輸方式完成數據通信。車載移動站用戶機上電啟動后，六張用戶卡采用預定順序以間隔10秒的發送頻率完成數據發送，一旦任一用戶卡發送數據失敗，則由下一張用戶卡重復發送數據；通過降低發送失敗的用戶卡優先級以實現動態調整。

3 系統通信改進實現

3.1 增強型數據握手機制實現

針對衛星通信傳輸不穩定的缺陷，本文提出了相應改進機制，為了保證改進機制的可用性，首先調整通信協議結構，重新定義傳輸約定的關鍵字位以增強數據通信之間的握手。本文中，系統通信協議結構主要由關鍵字位、長度位、數據內容和校驗位組成，如圖2所示。

圖2 系統通信協議結構

（1）關鍵字位。占用1個字節，關鍵字位用于傳輸機制的控制，可根據發送方和接收方的不同分為四部分（卡序號、段序號、末位標識和重發標識）和一部分（反饋標識）：

1）卡序號。占用0 ~2 bit，標記該數據的發送端卡號，因BDS短報文通信不適用于大規模數據傳輸，故本文采取多卡數據傳輸，在關鍵字位首先要標明發送端卡號。卡序號主要用于數據接收端的握手反饋。

2）段序號。占用3 ~5 bit，標記該組數據在整包數據內的位置，本文將用戶端一次傳輸的數據大小控制在450字節內，即數據最多分為6段，由6張用戶卡分別進行發送。段序號主要用于大數據分段后的重組。

3）末位標識。占用6 bit，用于標識該段數據是否為分段的最后一段。本文設定若末位標識為0，則該組報文不是最后一段；若為1表示該組報文是最后一段。末位標識用于大數據分段后的重組。

4）重發標識。占用7 bit，用于標識該段數據是否為握手失敗后的重發數據。本文設定若重發標識為0，則該組數據不是重發數據；若為1表示該組數據是重發數據。重發標識用于大數據分段后的重組。

5）反饋標識。占用1個字節，bit位由高到低分別表示指揮機接收到順序用戶卡的結果，若為1表示該組數據接收成功；若為0表示該組數據接收失敗。

（2）長度位。占用1個字節，僅用以表示數據內容的長度，不包含關鍵字位、長度位和校驗位。

（3）校驗位。占用3個字節，采用QualComm校驗算法，該算法能夠防止區間誤差和隨機誤差，其未被發現的誤差概率≤2-24=5.96×10-8，并且對所有信道的bit誤差概率≤0.5。

3.2 多卡動態協同傳輸數據實現

依據北斗衛星民用通信協議規定，單卡的發送周期間隔最小為1分鐘。為保證數據能完整傳輸，車載移動站用戶機采用多用戶卡動態協同完成數據發送，具體實現步驟為：

（1）車載移動站六張用戶卡依照間隔10秒的頻率依次完成數據傳輸；

（2）固定站將一分鐘數據接收結果發送至車載移動站；

（3）如果數據均發送成功，則繼續發送下一組數據；如果數據某包發送失敗，則將該組數據重復發送，重復發送三次后均失敗則將該組數據丟失；

（4）車載移動站自動將剛完成數據發送的用戶卡優先級降為最低。

具體流程如圖3所示。

圖3 多卡動態協同傳輸流程圖

4 實驗與結果分析

4.1 實驗設計

為驗證本文提出機制的有效性，使用部署在車載移動站的BDS短報文用戶機向部署在固定站的BDS短報文指揮機進行遠程數據傳輸，通過對數據傳輸后的誤碼率對比測試來評估效果。在測試中，將三個車載移動站數據均向同一固定站進行數據通信，每個車載移動站北斗用戶機均安裝6張同批次用戶卡。每個用戶卡相隔1分鐘進行數據傳輸，且發送的數據為實時的監測數據，數據長度隨機。

在綜合各種環境條件下，將系統運行24小時完成數據的收發測試，對比采用本文提出的可靠通信機制與原傳統通信機制下的數據發送成功率，其中將失真的數據作為丟包來處理。實驗結果如表1和表2所示。

表1 傳統通信機制丟包率

表2 可靠通信機制丟包率

4.2 結果分析

從實驗結果可以看出，試驗所處環境好壞與周圍信號干擾強度相關。在傳統通信機制下，數據成功率最低為61.25%，最高為75.42%，傳輸數據連續性較差，但可以保證數據實時性；可靠通信機制下，數據成功率最低為98.75%，最高為100%，傳輸數據連續性得到保證，但是由于數據重傳機制影響，數據實時性受到一定影響，實驗表明傳統BDS報文傳輸平均時間為68.12 s，而采用本文提出的可靠性鏈路下報文傳輸平均時間為157.45 s，延遲在89 s，在可接受延遲范圍內。

5 結束語

綜上所述，本文提出的車載移動站可靠通信系統可以有效解決傳統通信機制下數據丟包率嚴重問題，對實時性要求不大的場景有較大的實用價值。

[1] 葛冰兒，宋娟. 基于北斗的船舶監控系統[C]. 第十二屆中國衛星導航年會，2021：1123-1127.

[2] 歐陽中輝，樊輝錦，陳青華，等. 基于北斗短報文的特種車輛狀態信息壓縮傳輸方法研究[J]. 兵器裝備工程學報，2020，41（9）：56-61.

[3] 劉飛，林琳，徐文江. 基于北斗RDSS的監視數據傳輸技術研究[J]. 信息技術，2020，44（1）：45-49.

[4] 顏曉星，車明，高小娟. 基于北斗衛星的可靠遠程通信系統設計[J]. 計算機工程，2017，43（3）：62-67.

[5] 于龍洋，王鑫，李署堅. 基于北斗短報文的定位數據壓縮和可靠傳輸[J]. 電子技術應用，2012，38（11）：108-111.

Reliable Communication Link Design of Vehicle Mobile Station Based on Beidou Satellite

LI Yang, HAN Shujian, ZHANG Ke

In order to establish a reliable data transmission system of mobile station, a reliable communication link based on BDS short message protocol is designed. Aiming at the shortcomings of BDS short message communication and the limited communication capacity, through the self defined communication protocol, enhanced data mobile phone system is adopted to enhance the reliability of data transmission and simultaneous interpreting data transmission mechanism of multi card, which improves the efficiency of data transmission. The experimental results show that the reliability of the data transmission in Beidou satellite mobile station can be guaranteed by using the reliable communication link design proposed in this paper, which is 35% higher than that of the traditional method.

BDS Short Message; Enhanced Data Handshake; Multi Card Simultaneous Interpreting Data Mechanism

TN967

A

1674-7976-(2021)-06-416-04

2021-05-10。

李洋（1988.07—），河南衛輝人，碩士，工程師，主要研究方向為衛星導航系統。