基于北斗卫星的车载移动站可靠通信链路设计

李 洋，韩书键，张 轲

基于北斗卫星的车载移动站可靠通信链路设计

李 洋1，韩书键2，张 轲1

（1 中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068；2 北京卫星导航中心，北京 100009）

为建立可靠的车载移动站数据传输系统，设计了一种基于BDS短报文协议的可靠通信链路。针对BDS短报文通信的不可靠性和通信容量有限的缺陷，通过自定义通信协议，采用增强型数据握手机制加强数据传输的可靠性和多卡协同传输数据机制增大数据传输的效率。经实验表明，采用提出的可靠通信链路设计比传统方式的传输成功率平均提高了35%，能提高北斗卫星的移动站数据传输的可靠性。

BDS短报文；增强型数据握手机制；多卡协同传输数据机制

0 引言

北斗卫星导航系统（Beidou Navigation Satellite System，BDS）的短报文通信[1]，是指北斗地面终端、北斗卫星和北斗地面监控总站之间能够直接通过卫星信号进行双向的信息传递，通信以短报文为传输基本单位，是BDS区别于其他卫星导航系统的一项功能特性。随着北斗通信服务在亚太地区的全覆盖，BDS短报文在应急救助、野外作业及海上生产等通信盲区的重要性逐渐体现。

车载移动站主要在偏远地区、荒岭探险甚至反恐安全中使用，因此利用BDS短报文的特点以构建无盲区可靠远程通信链路是车载移动站稳定运行的前提，然而短报文通信链路自身存在可靠性差、通信容量小以及通信范围局限等问题。文献[2-3]提出一种分布传输方法提高可靠性，但是没有充分利用北斗通信容量，造成传输效率低下。

本文依据实际需求，通过改进系统通信协议结构，运用增强型数据握手机制提升了传输的可靠性和稳定性；同时运用多卡协同传输数据机制提高传输效率和正确性。

1 系统框架

车载移动站可对区域内系统的定位性能和卫星可用状态进行监测、评估，当定位性能出现异常或卫星不可用时，能够快速检测并通过BDS短报文通信手段上报至固定站，实现完好性监测功能。如图1所示。

图1 车载移动站系统框架

2 BDS短报文通信缺陷及改进设计

2.1 BDS短报文通信缺陷

北斗卫星通信可分为民用和军用两种，北斗军用服务拥有更高的精确度，但目前尚未完全开放使用。为保证本文所搭建通信系统的可重用性和可操作性，本文采用北斗民用服务来实现。然而北斗系统的民用报文通信存在以下三个方面的限制[4]：

（1）北斗卫星通信链路的通信连接易受环境影响，且在通信过程中没有通信回执，使得其可靠性较低，因此北斗用户发送方不知道接收方是否开机在线以及是否接收到数据；

（2）北斗卫星通信链路通信存在一定的通信间隔，民用通信间隔为1分钟，因此无法进行大数据的通信和频繁握手交互；

（3）通信资源有限，根据协议要求，每次通信数据包长度不得超过78字节，若用户发送信息长度过长易导致数据包信息丢失；若用户发送信息长度过短易造成信息容量包因未填满导致通信容量浪费。

2.2 系统通信改进设计

针对上述BDS短报文通信的缺陷以及固定站和车载移动站传送监测卫星完好性数据及卫星测量数据的实际需求，本文从两点出发提出相应的改进机制：

（1）增强型数据握手机制。针对北斗通信容量有限的特点，重新设计通信协议格式，将关键字的字节占用率极大压缩[5]的同时保证通信策略的正确运行。关键字的部分bit 信息位是实现增强数据握手功能和丢包重传功能的关键。

（2）多卡协同传输数据机制。分析卫星完好性和测量数据包后得出，车载移动站的采样数据包长度在450字节以内，因此采用六张用户卡以动态协同数据传输方式完成数据通信。车载移动站用户机上电启动后，六张用户卡采用预定顺序以间隔10秒的发送频率完成数据发送，一旦任一用户卡发送数据失败，则由下一张用户卡重复发送数据；通过降低发送失败的用户卡优先级以实现动态调整。

3 系统通信改进实现

3.1 增强型数据握手机制实现

针对卫星通信传输不稳定的缺陷，本文提出了相应改进机制，为了保证改进机制的可用性，首先调整通信协议结构，重新定义传输约定的关键字位以增强数据通信之间的握手。本文中，系统通信协议结构主要由关键字位、长度位、数据内容和校验位组成，如图2所示。

图2 系统通信协议结构

（1）关键字位。占用1个字节，关键字位用于传输机制的控制，可根据发送方和接收方的不同分为四部分（卡序号、段序号、末位标识和重发标识）和一部分（反馈标识）：

1）卡序号。占用0 ~2 bit，标记该数据的发送端卡号，因BDS短报文通信不适用于大规模数据传输，故本文采取多卡数据传输，在关键字位首先要标明发送端卡号。卡序号主要用于数据接收端的握手反馈。

2）段序号。占用3 ~5 bit，标记该组数据在整包数据内的位置，本文将用户端一次传输的数据大小控制在450字节内，即数据最多分为6段，由6张用户卡分别进行发送。段序号主要用于大数据分段后的重组。

3）末位标识。占用6 bit，用于标识该段数据是否为分段的最后一段。本文设定若末位标识为0，则该组报文不是最后一段；若为1表示该组报文是最后一段。末位标识用于大数据分段后的重组。

4）重发标识。占用7 bit，用于标识该段数据是否为握手失败后的重发数据。本文设定若重发标识为0，则该组数据不是重发数据；若为1表示该组数据是重发数据。重发标识用于大数据分段后的重组。

5）反馈标识。占用1个字节，bit位由高到低分别表示指挥机接收到顺序用户卡的结果，若为1表示该组数据接收成功；若为0表示该组数据接收失败。

（2）长度位。占用1个字节，仅用以表示数据内容的长度，不包含关键字位、长度位和校验位。

（3）校验位。占用3个字节，采用QualComm校验算法，该算法能够防止区间误差和随机误差，其未被发现的误差概率≤2-24=5.96×10-8，并且对所有信道的bit误差概率≤0.5。

3.2 多卡动态协同传输数据实现

依据北斗卫星民用通信协议规定，单卡的发送周期间隔最小为1分钟。为保证数据能完整传输，车载移动站用户机采用多用户卡动态协同完成数据发送，具体实现步骤为：

（1）车载移动站六张用户卡依照间隔10秒的频率依次完成数据传输；

（2）固定站将一分钟数据接收结果发送至车载移动站；

（3）如果数据均发送成功，则继续发送下一组数据；如果数据某包发送失败，则将该组数据重复发送，重复发送三次后均失败则将该组数据丢失；

（4）车载移动站自动将刚完成数据发送的用户卡优先级降为最低。

具体流程如图3所示。

图3 多卡动态协同传输流程图

4 实验与结果分析

4.1 实验设计

为验证本文提出机制的有效性，使用部署在车载移动站的BDS短报文用户机向部署在固定站的BDS短报文指挥机进行远程数据传输，通过对数据传输后的误码率对比测试来评估效果。在测试中，将三个车载移动站数据均向同一固定站进行数据通信，每个车载移动站北斗用户机均安装6张同批次用户卡。每个用户卡相隔1分钟进行数据传输，且发送的数据为实时的监测数据，数据长度随机。

在综合各种环境条件下，将系统运行24小时完成数据的收发测试，对比采用本文提出的可靠通信机制与原传统通信机制下的数据发送成功率，其中将失真的数据作为丢包来处理。实验结果如表1和表2所示。

表1 传统通信机制丢包率

表2 可靠通信机制丢包率

4.2 结果分析

从实验结果可以看出，试验所处环境好坏与周围信号干扰强度相关。在传统通信机制下，数据成功率最低为61.25%，最高为75.42%，传输数据连续性较差，但可以保证数据实时性；可靠通信机制下，数据成功率最低为98.75%，最高为100%，传输数据连续性得到保证，但是由于数据重传机制影响，数据实时性受到一定影响，实验表明传统BDS报文传输平均时间为68.12 s，而采用本文提出的可靠性链路下报文传输平均时间为157.45 s，延迟在89 s，在可接受延迟范围内。

5 结束语

综上所述，本文提出的车载移动站可靠通信系统可以有效解决传统通信机制下数据丢包率严重问题，对实时性要求不大的场景有较大的实用价值。

[1] 葛冰儿，宋娟. 基于北斗的船舶监控系统[C]. 第十二届中国卫星导航年会，2021：1123-1127.

[2] 欧阳中辉，樊辉锦，陈青华，等. 基于北斗短报文的特种车辆状态信息压缩传输方法研究[J]. 兵器装备工程学报，2020，41（9）：56-61.

[3] 刘飞，林琳，徐文江. 基于北斗RDSS的监视数据传输技术研究[J]. 信息技术，2020，44（1）：45-49.

[4] 颜晓星，车明，高小娟. 基于北斗卫星的可靠远程通信系统设计[J]. 计算机工程，2017，43（3）：62-67.

[5] 于龙洋，王鑫，李署坚. 基于北斗短报文的定位数据压缩和可靠传输[J]. 电子技术应用，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—），河南卫辉人，硕士，工程师，主要研究方向为卫星导航系统。