摘 要： 針對特殊場景下需通過北斗短報文傳輸大量數據信息的需求，探討并設計了一種適合于北斗通信的長報文可靠傳輸協議框架。通過擴展北斗短報文傳輸協議，結合Redis應用，提出最大重傳次數和超時等待控制因子，建立北斗長報文傳輸差錯重傳機制，從而解決了大數據量報文在北斗通道的傳輸問題。實驗結果表明，該傳輸協議可實現對長報文丟包的差錯重傳功能，有效控制“盲目發送”現象，使得有效信息率得到提高。
關鍵詞： 北斗衛星；長報文；Redis；可靠傳輸
0 引言
北斗衛星導航系統所具備的短報文通信功能，可在我國領土區域內實現全覆蓋、全天候服務，具有傳送速度快、不受地形條件和環境氣候影響等優勢，為解決遠海、沙漠、深山等無移動網絡信號覆蓋地區的信息獲取和發布提供了一種有效的解決途徑。
北斗衛星導航系統的信道資源有限，短報文通信受到北斗卡的通信頻度和通信報文長度方面的限制。同時，受環境及設備狀態等影響，通信過程存在數據丟包現象。這些問題很大程度上影響了短報文的應用效果[1]。實際應用中，傳輸報文長度往往又是不固定的，傳輸的數據量較大時，單次北斗短報文通信無法滿足需求。如何有效利用北斗短報文通信資源，豐富其傳輸內容并提高數據傳輸可靠性，成為北斗相關數據通信系統建設的一個重要課題。
本文針對北斗報文傳輸應用的實際需求，結合北斗數據信息服務平臺應用，設計一種適合北斗長報文傳輸管理的方案。通過對傳輸數據進行協議約定，提出報文通信重傳控制因子和長報文信息補發請求機制，保證北斗終端與系統平臺之間報文的有效傳輸。
1 傳輸協議分析
針對北斗短報文通信特點，結合信息服務平臺功能需求，設計基于存儲系統的長報文可靠傳輸框架協議，以解決數據信息服務系統的通信問題。
1.1 系統組成
本設計系統組成如圖1所示，主要包括：北斗通道端、數據處理中心、北斗終端、存儲系統和應用系統。
根據北斗信息服務平臺設計需求，內存數據庫采用Redis系統。Redis是一款高性能的key-value存儲系統，其讀寫效率高，可提高北斗短報文處理能力，降低響應時間長度。配合協議設置及數據管理算法，可為長報文分包處理提供一種有效的解決方案。
1.2 協議規約
北斗短報文功能支持的單次傳輸長度有效，需要對北斗數據傳輸格式進行協議拓展[2]，如圖2所示。
本文為使短報文電文內容攜帶控制信息，并豐富數據類型，對協議二次封裝[3]，具體定義如下：
（1）協議頭部：為了兼容和區分標準的北斗數據格式及平臺擴展協議格式，電文開頭設置協議編碼部分，占用半個字節。
（2）數據標識：占用半個字節，每個比特字段分別代表一個標識，如標識是否壓縮、加密或補包數據等。
（3）總包數：占用1 B，長報文數據通過總包數大小字段來判斷數據是否需要進行數據緩存管理。
（4）當前分包編號：占用1 B，標識當前報文屬于分包數據的第幾個分包。如果數據不需要分包時，該數據字段的值和總包數字段的值都為1。
（5）應用協議編碼：占用1 B，標識系統通信過程中的不同業務編碼。如語言、圖像、導航位置等。
（6）應用數據實體：為電文字段剩余可用部分，具體傳輸數據格式可由系統業務根據需要定義。
2 框架模型設計
為解決報文發送的頻度和長度受限問題，本文采用北斗多卡機來處理報文收發工作，實現短報文的多卡工作模式[4]，極大提高了短報文的發送頻度。
數據處理整體流程結構如圖3所示。
2.1 協議設計
（1）北斗報文協議
北斗通道接入層設備使用的北斗用戶機接口協議包括4.0版本和2.1版本。通過軟件設計一個通用數據接入實現層，解決北斗數據源差異性問題。
（2）數據傳輸控制
北斗通信主要以大量的小字節數據為主，傳輸控制除對長報文數據編解碼外，還配合存儲系統實現對分包數據的重傳管理。
下發分包數據時，先將數據存入Redis并設置有效期，分包發送結束后更新發送狀態。若在數據有效期內收到重傳請求，則根據請求報文表明的編碼重發分包，并延長存儲數據的有效期，同時將重傳請求計數加1。若重傳超過N次，清除該存儲數據，結束本條長報文的緩存管理。N值由系統能力設定，默認為3。
數據接收處理算法流程如圖4所示。
2.2 緩存管理
由于存儲的分包對象信息較多，本文采用Hash數據結構管理數據，并采用Redis默認的數據過期策略處理無效數據。同時，本文對緩存對象結構設置了數據發送標識及發送次數計數，以便差錯重傳過程中能有效識別重傳數據狀態。
2.3 自適應差錯重傳
針對長報文數據傳輸過程中存在的丟包現象，參考文獻[5]中提出了反饋機制，但只有反饋機制的情況下，若通信成功率低，容易造成循環反饋或長時間等待反饋的現象，盲目請求重發嚴重浪費了北斗帶寬資源。參考文獻[6]提出了確認答復機制，但在需要緩沖的數據量大時沒有提出對應管理方式。本設計考慮北斗通信過程中實際通信流量限制等因素，差錯重傳方式參考并簡化TCP/IP傳輸機制。同時，為防止出現反復重復發送重傳請求或長時間等待補包數據帶來的資源開銷問題，引入了重傳控制因子，由請求計數N和補包等待時間T兩個因素共同組成。同時對重傳請求機制設定發送重傳請求次數的限制，并在接收補包數據過程中增設可動態調整等待長度機制。等待時間T=C×t，其中t為30 s的等待時間，C為丟包總數。若在N次的T時間內都沒有收到補包數據，則放棄請求重傳；若N次重傳請求中有收到補包數據，但還沒接收完整且N>1時，重新賦值N為N/2，并重新執行請求重傳過程。
以接收端的丟包請求重傳為例，控制因子自適應調整算法包含重傳請求控制和數據補包處理兩部分。重傳請求控制流程負責對Redis中存在的緩存數據進行重傳并管理控制因子參數N和T，具體流程如圖5所示。
數據補包處理負責對補包報文進行處理，更新緩存數據，并根據實際補包情況動態調整控制因子，具體流程如圖6所示。
3 測試分析
測試協議框架過程采用北斗終端上報海洋漁業數據信息，測試設備均采用北斗多卡機設備，每個設備接入16張北斗卡。測試過程以發送230個漢字的長報文進行多組對比通信，部分測試數據如表1所示。
從表1可看出，引入控制因子后，通信出現丟包時，平臺能夠自動完成補包請求報文，雖然會損耗報文用于發送重發請求，但通過控制因子的調整，避免了盲目發送請求的現象，提高了整體通信有效率。第二組數據有效通信率沒有得到有效提高，這是實際通信中受到環境影響，導致請求重發過程沒有得到有效的響應。測試結果表明，本文的北斗報文可靠傳輸協議框架設計合理，能夠有效解決大數據量報文信息在北斗短報文傳輸過程中存在的丟包重傳問題，驗證了本方案的準確性和可行性。
4 結論
隨著北斗衛星導航系統建設力度的不斷加大，基于北斗短報文通信的應用也越來越多。本文在分析北斗衛星導航短報文通信功能的特點基礎上，結合實際應用需求，探討了基于存儲系統的報文可靠傳輸框架方案設計及實現，對將北斗短報文通信更廣泛而深入地應用在航空航海運輸、物聯網及地理監測等方面具有一定的借鑒和參考意義，有助于北斗在信息化應用中發揮更大作用。
參考文獻
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[3] Mao Xia， Liu Xiang， Feng Tao， et al. A communication protocol of man overboard system based on BeiDou[C]. 2014 IEEE 17th International Conference on Intelligent Transportation Systems（ITSC）， Qingdao， China， 2014： 1910-1911.
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