北斗短报文可靠性传输机制在人防中的应用.pdf
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1、 年 无线电工程 第 卷 第 期:引用格式:李刚,郝立芳,支春阳,等北斗短报文可靠性传输机制在人防中的应用无线电工程,():,():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(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;中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄)摘要:受限于环境、通信频度和通信容量等因素,基于北斗的人防警报控制系统存在数据发送延迟高、排队较长和丢包等问题,无法保证警报控制的实时性和可靠性。为此,提出了一种实现北斗三号短报文可靠传输的方法。在北斗人防通信协议中增加“丢包率控制”字段,减少发送图片语音等长数据时不必要的丢包重传次数,减少传
2、输时间;在此基础上,利用北斗三号指挥型用户机阵列实现轮询发送人防统控通信数据,有效解决北斗通信频度的限制因素,提高人防系统数据传输的通信效率。通过采用差异化可靠通信机制,在不影响用户体验的条件下,极大地提高了消息的实时性和可靠性。对比实验结果表明,该方法可以有效提升人防统控系统的可靠性和传输效率。关键词:北斗短报文;差异化可靠传输;指挥机阵列中图分类号:文献标志码:开放科学(资源服务)标识码():文 章 编 号:(),(,;(,):,:;收稿日期: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。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
3、、移动网络或等通信定位方式,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。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,随着北斗三号系统服务开通,卫星无线电测定业务(,)服务性能和容量相对北斗二号系统大幅提升,北斗短报文工程与应用 通信能力从个汉字提升到 个汉字,能够进行语音、图片传输;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,北斗可以持续地传输数据,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
4、,会造成传输数据丢失,无法保证警报控制的实时性和可靠性。由于信道资源有限,限制了系统中指挥关系的效能发挥,文献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。文献提出了基于北斗的虚拟多卡语音通信系统,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卡发射。文献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
5、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。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。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。
6、其中北斗指挥机多采用频度(间隔 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 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,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,如图所示,在发生部分警报站点未接收到消息时,可选择第台指挥机进行组群组播发送,减少等待时间。图指挥机并联组成阵列结构 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 ,指挥机选用频度慢、通信
7、容量大的卡;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、频度快的卡。同时,通信容量小频度快或频度慢通信容量大的卡更易申请。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:
8、(),()式中:为指挥机个数,为北斗指挥卡的频度,为下属用户卡的频度。指令发送采用轮询形式,即第台北斗指挥机下发统控指令后,若在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,在时间后利用第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,流程如图所示。工程与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 图指挥机阵列动态协调指挥发送流程 在一个阵列周期内,成功率为:(),()式中:为一个阵列周期的成功率,为单台指挥机发射的成功率,为指挥机个数。假设为,为,单次发射成功率为,计算得出通过阵列轮询发射完成后的成功率为 ,一个发射周期内可靠性提高效果显
9、著。在一个阵列周期内单次成功率分别为、的成功率随发送次数变化的曲线如图所示。图成功率随阵列轮询发送次数变化曲线 由图可以看出,一般情况下,当要求系统成功率指标为时,利用该机制仅需要时间,理论上相较于传统单台指挥机发送机制可节省时间,即达到同一个成功率指标下采用该机制所用时间更短。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,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
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