北斗短报文可靠性传输机制在人防中的应用

李 刚，郝立芳*，支春阳，杨 双

(1.深圳市远东华强导航定位有限公司石家庄分公司，河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

人民防空是国防的重要组成部分,是国民经济和社会发展的重要方面,事关国家安全和发展的全局[1]。目前,各省市已建设了较为完善的统控系统,多采用物联网技术[2]、移动网络或GPS等通信定位方式,且占据了巨大的市场。但从信息系统安全防护层面上讲,采用这些方式是不可取的,尤其在战时得不到安全保障[3]。而北斗卫星导航系统是我国独立自主研制的卫星导航定位系统[4],随着北斗三号系统服务开通[5],卫星无线电测定业务(Radio Determination Satellite Service,RDSS)服务性能和容量相对北斗二号系统大幅提升,北斗短报文通信能力从120个汉字提升到1 000个汉字[6],能够进行语音[7]、图片传输[8];利用其独有的特点,北斗应用规模化、产业化进程也在不断加速推进,尤其在一些地面移动网络信号无法保证通信的区域[9],北斗可以持续地传输数据[10],因此被广泛应用于防空警报领域,达到平战结合的效果。

北斗卫星通信属于无线链路通信,可靠度和传输速率较低,且易受环境干扰,会造成传输数据丢失[11],无法保证警报控制的实时性和可靠性。由于RDSS信道资源有限[12],限制了系统中指挥关系的效能发挥,文献[13]提出了将多台北斗用户机并联,上层软件控制轮询进行数据传递,成本低廉且工程实践简单,但忽视了通信能力有限和可靠度低的问题。文献[14]提出了北斗阵列集群方案,随时配置虚拟分组用户机,倍增了指挥信息系统的北斗短信发送能力和可靠度,但成本较高,需配备过多冗余设备。文献[15]提出了基于北斗的虚拟多SIM卡语音通信系统,可缩短一次语音通信,但北斗三号系统中通信存在实时加解扰过程,无法做到一台设备下多SIM卡发射。文献[16]提出了一种分布传输方法提高可靠性,但没有充分利用北斗通信容量,小数据不能填满电文内容,造成传输效率降低。本文针对人防统控系统的需求特点,提出利用串口设备将多台指挥机进行并联组成阵列,采用差异化可靠传输机制,以确保警报鸣响的全覆盖和状态反馈统计的实时性。

1 多设备阵列动态协调指挥发送机制

人防统控系统主要由人防统控中心和各警报站点组成,统控中心布置人民防空警报控制系统,负责利用北斗三号指挥型用户机(以下称指挥机)实现对下属用户的指挥监控服务。系统利用北斗卫星双向短报文通信传送警报控制信息,实现防空警报终端控制和状态反馈[17]。

传统北斗人防统控系统采用单台指挥机,操作统控中心软件通过北斗指挥机下发统控指令,警报站点配备的北斗数传终端接收到统控指令后,经过解析,通过串口控制电声警报器鸣响和视频控制器播放多媒体视频。其中北斗指挥机多采用频度60 s(间隔60 s才能发射一次)的北斗指挥卡,若发生警报器未鸣响(排除警报器本身问题)即北斗数传终端不能100%接收到控制指令时,统控中心只能在北斗卡频度到达的情况下(即60 s后)才能够重复下发指令,无法保证鸣响的时效性。

为了解决传统的人防统控系统发生成功率无法达到100%,而引起的部分警报鸣响不及时问题,采用多台指挥机并联组成阵列形式,如图1所示,在发生部分警报站点未接收到消息时,可选择第2台指挥机进行组群组播发送,减少等待时间。

图1 指挥机并联组成阵列结构Fig.1 Beidou-3 command aircraft in parallel to form into an array structure

该系统由多台指挥机并联组成阵列,对单台指挥机的通信频度要求降低,同时为了减少分包的数量,单次通信容量采用北斗三号最大支持的14 000 bit,指挥机选用频度慢、通信容量大的SIM卡;下属设备需要及时将反馈信息上报到系统,下属设备的频度直接影响到系统整体的传输速度,且反馈数据量较小,因此下属设备可选用通信容量小、频度快的SIM卡。同时,通信容量小频度快或频度慢通信容量大的SIM卡更易申请。

由于下属设备接收到警报指令后需要控制电声警报器向控制中心发送反馈信息,因此控制中心连续2次下发警报指令的时间间隔要大于下属警报站点的发射频度,即指挥卡的频度要大于等于下属用户卡的频度(若指挥卡频度小于下属用户卡频度,会发生指挥卡到频度后第2次发送指令,下属用户的频度未到而无法及时反馈信息的情况)。利用阵列发送时,下属设备2次接收的时间间隔尽量大于等于下属用户卡频度,因此拟采用的指挥机设备个数为:

N=T/t(T>t) ,

(1)

式中:N为指挥机个数,T为北斗指挥卡的频度,t为下属用户卡的频度。

指令发送采用轮询形式,即第1台北斗指挥机下发统控指令后,若在t时间内未接收到警报反馈,统控软件整合未成功接收的下属用户站点并利用北斗三号系统组群功能进行建组,在t时间后利用第2台北斗指挥机下发统控指令,依次类推,直到全部站点接收完成,流程如图2所示。

图2 指挥机阵列动态协调指挥发送流程Fig.2 Flowchart of the command aircraft array dynamic coordination transmission mechanism

在一个阵列周期内,成功率为:

Pa=1-(1-pa)N,

(2)

式中:Pa为一个阵列周期的成功率,pa为单台指挥机发射的成功率,N为指挥机个数。

假设t为10 s,T为60 s,单次发射成功率为90%,计算得出通过阵列轮询发射完成后的成功率为99.999 9%,一个发射周期内可靠性提高效果显著。在一个阵列周期内单次成功率分别为80%、85%、90%的成功率随发送次数变化的曲线如图3所示。

图3 成功率随阵列轮询发送次数变化曲线Fig.3 Success rate curve with the number of array polling transmissions

由图3可以看出,一般情况下,当要求系统成功率指标为95%时,利用该机制仅需要t时间,理论上相较于传统单台指挥机发送机制可节省T-t时间,即达到同一个成功率指标下采用该机制所用时间更短。

2 多设备阵列差异化可靠通信机制

随着多媒体技术的不断发展,多手段报知由以音响为主向语音、文字、图片多媒体一体化发展,通信警报终端也由电声警报器向多媒体通信警报器发展[18],然而北斗卫星通信在弱环境下发送语音、图片等长报文数据并不可靠,存在一定的丢包率。现有的传输方式大部分为保证信息传输完全,采用了丢包重传机制。传统的丢包重传机制,一般是3次请求重传失败即终止或一直重传直到接收完全,无法满足时效性。

考虑到人防的实际需求,结合已经成熟的图片语音修复和解压缩技术,可知不同场景下的数据可靠度要求是弹性的。例如,人防统控警报控制指令传输应用场景下,数据完整率为100%,下属站点才能够准确无误地处理并控制警报器鸣响;而在语音/图片等多媒体传输应用场景下,10%以内的数据丢包率可以通过修复技术保证语音/图片的质量。因此,在传输协议中增加丢包控制字段,即多包数据传输时事先规定丢包率,在传输过程中接收数据一旦达到丢包率的要求,可结束丢包重传请求,以此减少不必要的数据重传次数,提高传输效率和成功率,更能保证时效性。其通信协议格式如图4所示。

图4 人防差异化可靠通信协议格式Fig.4 Differentiated reliable communication protocol format of civil air defense

在人防统控系统中,发送语音、长文字和图片等长数据时,以传输图片为例,流程可分为以下几步:

①用户在选择人防图片后,可预览不同压缩率和丢包率下的图片质量,根据需求选择压缩率和丢包率。

②确认发送后,统控软件将图片进行压缩和分包,将分包数据暂存至发送缓存区,以备补包使用。然后进行短报文组帧,按指挥机阵列轮询发送(假设有N台北斗指挥机,那么第i台指挥机发送第i包、第N+i包、第2N+i包,依次类推)。同时,统控中心接收得到接收端的反馈信息,若为重传请求帧,则整合未成功接收的下属用户站点和丢包数据,组帧组群发送;若接收到接收端发来的成功反馈,确定多包数据发送完成后,清空缓存区。

③接收端接收到北斗数据包后,判断是否为分包数据,若为分包数据,将接收到的数据暂存至接收缓存区,并判断当前数据是否符合丢包率,若符合,则提取缓存区的数据进行组帧解压缩,将解压缩后的图片呈现在软件界面上,发送接收成功反馈,清空该缓存区间;若不符合,则解析出详细丢包号,组为反馈信息帧,通过北斗短报文发送出去。流程如图5所示。

图5 指挥机阵列差异化可靠通信流程Fig.5 Flowchart of differentiated reliable communication mechanism by the command aircraft array

多设备阵列下进行多包发送,时间为原来的1/N,计算如下:

(3)

式中:n为发送总包数,n>1,N为指挥机个数,T为北斗指挥卡的频度。

丢包重传下的成功率计算如下:

Pb=1-(1-pb)n,

(4)

式中:n为发送总包数,Pb为重传成功率,pb为单次发射成功率。

图6展示了成功率随重传次数的增加而趋于100%。

图6 成功率随重传次数变化曲线Fig.6 Success rate curve with the number of retransmissions

由图6可以看出,用户选择的丢包率控制为10%,仅需2次重传即认定为传输完成;用户选择的丢包率控制为5%,仅需3次重传即认定为传输完成,而传统丢包重传下超过3次即认定为失败。因此相较于传统丢包重传,传输完成的时间缩短,传输效率更高,也更加可靠。

3 实验结果与分析

由人防统控中心和各下属警报站点组成人防统控系统,统控中心部署北斗三号人防统控指挥监控软件和FH-BDC500北斗三号指挥型用户机;下属警报站点部署20套设备,分别由FH-TPC101北三人防多模一体化终端、电声警报器和多媒体警报器组成。北斗终端性能参数如表1所示。

表1 北斗终端性能参数Tab.1 Beidou terminal performance parameters

系统平台如图7所示。

图7 系统平台搭建Fig.7 System platform building diagram

进行以下性能测试和分析:

①传统丢包重传通信机制下,对单台指挥机和指挥机阵列进行对比实验,依次下发5条警报控制指令(通信大小为14 000 bit以内,单包发送)和5张图片(通信大小为19.42 kb、分为12包发送),实验结果如表2所示。

表2 实验1结果Tab. 2 Results of experiment one

由表2实验结果可以看出,在出现有丢包的情况下,阵列发送至少可缩短一个下属用户发射频度的时间,验证了指挥机阵列对于提高发送效率的有效性。

②采用单台指挥机进行差异化可靠通信机制和传统丢包重传机制对比实验分析,由于警报控制指令要求成功率100%,传统丢包重传和差异化可靠通信机制下传输是无差的,因此只需要做给单个警报站点传输图片的对比实验,分别发送19.42、23.06、25.12、26.9、28.7 kb,按通信容量14 000 bit分包,对应总包数为12、14、15、16、17,采用渐进式传输方式,即使丢失1～2包不会影响用户的体验,因此发送图片时选择可丢包率控制为90%,可计算分析出差异化可靠通信机制下的传输结果如表3所示。

表3 实验2结果Tab.3 Results of experiment two

采用差异化可靠通信机制在选择可丢包率控制为90%的条件下,终端软件根据接收到的图片包数计算当前是否满足丢包率,只要满足丢包率即完成接收,不再发送重传请求。由表3实验分析结果可以看出,请求重传次数减少,时间缩短至少一个指挥机发射频度的时间。验证了该机制下传输效率得到了提高,传输长数据包更加可靠。

由以上2个实验分析得出,采用差异化可靠通信机制,且利用指挥型用户机阵列实现轮询发送,无论是发送长数据还是发送单包警报控制指令的站点鸣响/显示成功率均得到提升,时间明显缩短,传输效率得到提高。

4 结束语

针对北斗应用于防空警报领域易受环境影响、发送长数据通信不可靠等缺陷,提出了一种可靠性传输机制应用于人防统控系统中,该机制主要在传统丢包重传机制上引入丢包控制字段,在允许丢包的业务需求下,减少不必要的重传次数,相比传统的重传机制,缩短了传输时间。同时结合多设备阵列,利用北斗三号组群特色功能进行协调指挥轮询发送,确保同一发射周期下,时间缩短效果显著,更进一步提高了传输效率。经过对比试验,结果表明,在出现丢包的情况下,采用差异化可靠传输机制发送至少可缩短一个指挥机发射频度的时间,阵列发送至少可缩短一个下属用户发射频度的时间。因此,在易丢包、长数据的应用场景下,该机制可明显提升传输效率和可靠性,能较好地应用于防空警报领域。