CN103607264B - 基于3g网络的带内数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信技术领域，公开了一种基于3G网络的带内数据传输方法，包括步骤：S1：发送端循环地向接收端发送本次业务数据包的子包数据帧；S2：接收端接收所述子包数据帧，并在接收到所述数据包的最后一帧时，判断是否接收到所述数据包的所有子包数据帧，若是，则向发送端发送确认应答，否则继续接收所述发送端发来的子包数据帧；S3：发送端在收到所述确认应答后停止发送本次业务数据包的子包数据帧，本次业务交互结束。本发明通过循环重发机制，发送端只需要循环发送数据，直到接收到接收端的确认帧为止，逻辑简单高效，在易于实现的同时保证了传输的可靠性。

Description

基于3G网络的带内数据传输方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种基于3G网络的带内数据传输方法。

背景技术

在移动通信系统中，利用带内通道进行非语音数据的传输有着广泛的应用。其中一项重要的应用是带内密分，即通信双方建立带内通道后，利用带内通道进行密钥数据的传输，从而实现密话业务。

在3G移动通信系统中，带内语音编解码技术为自适应多速率（Adaptive Multi-Rate，AMR）技术。根据3GPP TS26.101标准，AMR帧分为三部分：帧类型、核心帧和比特填充。其中，AMR核心帧由语音和噪声数据构成，根据其承载数据的重要性又分为三种类型：类型A、类型B和类型C（Class A/B/C）。其中，类型A是一帧中最敏感、最重要的数据。一旦该部分数据损坏，整个帧就无法解码，会从数据流中直接删除。而类型B是重要性略次于类型A的数据，类型C是重要性更次于类型B的数据。

在第三代移动通信系统中，基于3G公网的加密技术的相关研究目前还处于起步阶段，其方法和机制均有待研究。基于3G网络的加密通信网是叠加于公网之上的专用网络，通过专用加密终端和加密设备实现密话业务。其密钥数据传输的实现必须达到以下要求：

1、传输时延尽量短。由于密钥分发是一次加密通话接通之前必须进行的过程，如果占用的时间过长，会导致用户在线上等待密话协商的时间太长，降低用户体验。

2、终端算法尽量简单高效。在加密网中，通话发起端和接收端为移动终端，相关加密操作均由手机的加密单元完成，其资源和计算能力有限。

3、传输可靠性高于普通语音业务。众所周知，在语音业务中，即使有一定程度的误帧，接收端仍然可以还原出有失真或瑕疵的语音信号。然而密钥数据可容忍的差错率较之语音信号要小得多，否则会导致加密通信的失败。通常情况下，要求密钥分发的传输可靠性要达到95%以上。

要达到上述三个要求，现有技术中提出了一些解决方案，其中一种数据传输方法为：发送实体将多个分组发送给接收实体，每个分组被打碎成多个分片分组，其中，多个分片分组形成具有序列号的序列，且每个分片分组具有分片号，分片号按顺序编号但是序列号保持相同。其中，分片分组按分片号的顺序发送，而不用等待来自接收实体对每个单独分片分组的确认。接收实体仅在接收到序列的最后分片分组时，将确认帧发送给发送实体。发送实体若没有接收到确认帧，则重新发送该序列的所有分片分组；如果接收到确认帧，则基于位映射字段重新发送丢失的分片分组到接收方。

上述方法中，发送端需要根据确认帧判断是否重发一个或多个分片分组，发送端的处理较为复杂，不适合用于资源有限的加密终端之间传输数据，并且该发明中未解决接收端仍接收不到发送端重发的分片分组的问题。因此选择何种数据传输方法保证数据可靠高效传输是本发明要解决的问题之一。

如前所述，3G网络中带内数据传输是通过AMR数据帧携带，AMR核心帧根据其承载数据的重要性又分为三种类型：类型A、类型B和类型C，其重要性依次降低。在带内数据的传输过程中，如果将数据全部由类型A承载，传输可靠性较高，但每帧数据可承载的数据量较少，从而导致传输时间较长；如果将数据由类型A、B、C共同承载，每帧数据量较大但传输可靠性降低。因此，在AMR数据帧中以何种方式承载数据，以在数据传输效率和传输可靠性之间达到较优的平衡，是本发明要解决的另一个问题。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何保证终端之间的数据可靠高效地传输。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于3G网络的带内数据传输方法，包括步骤：

S1：发送端循环地向接收端发送本次业务数据包的子包数据帧；

S2：接收端接收所述子包数据帧，并在接收到所述数据包的最后一帧时，判断是否接收到所述数据包的所有子包数据帧，若是，则向发送端发送确认应答，否则继续接收所述发送端发来的子包数据帧；

S3：发送端在收到所述确认应答后停止发送本次业务数据包的子包数据帧，本次业务交互结束。

其中，所述步骤S1具体包括：发送端按子包数据帧的子包序号从第一个子包顺序地发送子包数据帧，每发送一个数据包判断是否收到所述确认应答，若未收到所述确认应答，继续发送下一个子包数据帧，直到发送完最后一个子包数据帧，若还未收到确认应答，则循环发送数据包的子包数据帧。

其中，所述步骤S2具体包括：

S2.1：接收端接收到一个子包数据帧后，判断是否发送过所述确认应答，若是，执行步骤S2.2，否则，执行步骤S2.3；

S2.2：判断接收到的子包数据帧是否属于本次业务数据包的子包数据帧，若是，则发送所述确认应答，并跳转至步骤S2.1，否则，本次业务交互结束；

S2.3：判断是否已接收过该子包数据帧，若是，则丢弃该子包数据帧，跳转至步骤S2.1，否则，提取子包数据，并保存该子包数据帧的子包序号，以用于数据包还原；

S2.4：根据帧结构中的结束标志位判断是否为所述数据包的最后一个子包数据帧；若是，则执行步骤S2.5，否则，跳转至步骤S2.1；

S2.5：判断是否接收到所述数据包的所有子包数据帧，若是，则向所述发送端发送所述确认应答，并跳转至步骤S2.1，否则，跳转至步骤S2.1。

其中，所述步骤S2.5中判断是否接收到所述数据包的所有子包数据帧的方式为：根据最后一帧的子包序号获得该数据包被拆分成的子包数量，接收端根据已接收到的子包数据帧数量和最后一帧的子包序号判断是否接收到所有数据包的子包数据帧。

其中，所述步骤S2.2中根据子包数据帧中的业务ID判断接收到的子包数据帧是否属于本次业务数据包的子包数据帧。

其中，发送子包数据帧采用自适应多速率AMR编解码技术，以子包数据帧重传循环次数衡量数据的带内传输时延，以带内数据接收成功率衡量传输可靠性，按以下公式选择所述AMR帧的最优承载方式：

将需要传输的数据包分为N个子包数据帧发送，循环m次可使数据接收成功率不低于P_t，则单帧循环m次的接收成功率为则N个子包数据帧接收成功率为：

${(1-P_f^m)}^N\≥P_t---\left(1\right)$

根据公式（1）可得：

$\begin{array}{c}N\×\ln [1-P_f^m]\≥\ln \left[P_t\right]\\ \ln [1-P_f^m]\≥\ln \left[P_t\right]/N\\ 1-P_f^m\≤e^{\ln \left[\mathrm{Pt}\right]/N}\\ P_f^m\≥1-e^{\ln \left[\mathrm{Pt}\right]/N}\\ m\×\ln \left[P_f\right]\≥\ln [1-e^{\ln \left[\mathrm{Pt}\right]/N}]\\ m\≥\ln [1-e^{\ln \left[\mathrm{Pt}\right]/N}]/\ln \left[P_f\right]\end{array}---\left(2\right)$

T=N×m×t （3）

其中，P_f为单帧误帧率，T为带内传输时延，t为传输帧的周期，公式（2）中N和P_f的取值取决于需要传输的数据包大小及AMR帧中数据的承载方式：只采用A类子帧承载数据，或采用A类和B类子帧共同承载数据，即A+B帧承载数据，或采用A类、B类和C类子帧共同承载数据即A+B+C帧承载数据；

根据N、P_f和传输可靠性的最低要求P_t，通过公式（2）计算出m的取值，向上取整后代入公式（1）计算出接收成功率的准确值，将N和m代入公式（3）得到带内传输时延，并根据带内传输时延和所述准确值选择采用A帧、A+B帧或A+B+C帧承载数据的方式。

（三）有益效果

本发明通过循环重发机制，发送端只需要循环发送数据，直到接收到接收端的确认帧为止，逻辑简单高效，在易于实现的同时保证了传输的可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例的基于3G网络的带内数据传输方法流程图；

图2是本发明实施例的基于3G网络的带内数据传输方法中，发送端的流程图；

图3是本发明实施例的基于3G网络的带内数据传输方法中，接收端的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例的基于3G网络的带内数据传输方法流程如图1所示，包括：

步骤S110，发送端循环地向接收端发送本次业务数据包的子包数据帧。发送端根据待发送的数据包大小和MTU计算分包数量，并封装每个子包数据帧。子包数据帧中至少包含如表1所示的六个字段。其中，业务ID标识该数据帧所属的业务编号，此编号在发送端和接收端均保证唯一；子包序号用于接收端的数据帧解析和组包，该编号从1依次递增；EOF标志位标识该子包数据帧是否为该业务的最后一帧，即在最后一个子包数据帧中，置EOF标志位为真，以告知接收端该数据帧为该包数据的最后一帧；子包数据即为要发送的数据，如密钥数据；校验码用于校验该数据帧的完整性和正确性，以处理可能的误码。

表1 子包数据帧格式

业务ID
	子包序号
EOF标志位
	子包数据长度
子包数据
	校验码

步骤S120，接收端接收所述子包数据帧，并在接收到所述数据包的最后一帧时，判断是否接收到所述数据包的所有子包数据帧，若是，则向发送端发送确认应答，否则继续接收所述发送端发来的子包数据帧。其中，发送确认的帧结构如下表2所示，包括二个字段：业务ID，与子包数据帧格式中业务ID相同，校验码与子包数据帧格式中校验码作用相同。

表2 确认应答的帧格式

业务ID
	校验码

步骤S130，发送端在收到所述确认应答后停止发送本次业务数据包的子包数据帧，本次业务交互结束。

步骤S110和步骤S130为发送端执行的步骤，发送端发送子包数据帧的具体流程如图2所示。发送端按子包数据帧的子包序号从第一个子包顺序地发送子包数据帧。每发送一个数据包判断是否收到确认应答ACK，若未收到所述确认应答，继续发送下一个子包数据帧，直到发送完最后一个子包数据帧，若还未收到确认应答，则循环发送数据包的子包数据帧。若收到确认应答，则停止发送本次业务数据包的子包数据帧，本次业务交互结束。

本实施例中，发送端只需要循环发送数据，直到接收到接收端的确认应答为止，逻辑简单高效，在易于实现的同时保证了传输的可靠性。

步骤S120为接收端执行的步骤，具体流程如图3所示，包括：

步骤S121，接收端接收到一个子包数据帧后，判断是否发送过所述确认应答，若是，执行步骤S122，否则，执行步骤S123。接收端发送确认应答后会有相应的日志记录。

步骤S122，判断接收到的子包数据帧是否属于本次业务数据包的子包数据帧，若是，则发送所述确认应答，并跳转至步骤S121，否则，本次业务交互结束。本步骤中接收端对子包数据帧进行校验并按照格式进行拆包解析，获取其中的业务ID以判断该子包数据帧是否属于本次业务数据包的子包数据帧。

步骤S123，判断是否已接收过该子包数据帧，若是，则丢弃该子包数据帧，跳转至步骤S121，否则，提取子包数据，并保存该子包数据帧的子包序号，以用于数据包还原，还原时按子包序号还原。

步骤S124，根据帧结构中的结束标志位EOF判断是否为所述数据包的最后一个子包数据帧；若EOF标志为真，表示该子包数据帧为最后一帧，则执行步骤S125，否则，跳转至步骤S121；

步骤S125，判断是否接收到所述数据包的所有子包数据帧，具体根据最后一帧的子包序号获得该数据包被拆分成的子包数量，接收端根据已接收到的子包数据帧数量和最后一帧的子包序号判断是否接收到所有数据包的子包数据帧。若是，则向所述发送端发送所述确认应答，并跳转至步骤S121，否则，跳转至步骤S121。

本实施例中，接收端利用EOF标志位和子包序号实现的累计确认机制，接收端不需对接收到的每个子包数据帧发送应答，只需在接收到所有的子包数据帧后向发送端发送应答确认。这种机制最大限度地减少了数据包交互次数，从而提高了传输效率。

进一步地，本实施例中，发送子包数据帧采用自适应多速率AMR编解码技术，需要根据要传送的数据量大小、传输效率要求及可靠性要求选择合适的承载方式，在数据传输效率和传输可靠性之间达到较优的平衡。以子包数据帧重传循环次数m衡量数据传输时延，以带内数据接收成功率衡量传输可靠性，按以下公式选择选择所述AMR帧的最优承载方式：

将需要传输的数据包分为N个子包数据帧发送，循环m次可使数据接收成功率不低于P_t，则单帧循环m次的接收成功率为则N个子包数据帧接收成功率为：

${(1-P_f^m)}^N\≥P_t---\left(1\right)$

根据公式（1）可得：

$\begin{array}{c}N\×\ln [1-P_f^m]\≥\ln \left[P_t\right]\\ \ln [1-P_f^m]\≥\ln \left[P_t\right]/N\\ 1-P_f^m\≤e^{\ln \left[\mathrm{Pt}\right]/N}\\ P_f^m\≥1-e^{\ln \left[\mathrm{Pt}\right]/N}\\ m\×\ln \left[P_f\right]\≥\ln [1-e^{\ln \left[\mathrm{Pt}\right]/N}]\\ m\≥\ln [1-e^{\ln \left[\mathrm{Pt}\right]/N}]/\ln \left[P_f\right]\end{array}---\left(2\right)$

T=N×m×t （3）

其中，P_f为单帧误帧率，公式（2）中N和P_f的取值取决于需要传输的数据包大小及AMR帧中数据的承载方式，AMR帧中数据的承载方式包括：只采用A类子帧承载数据，或采用A类和B类子帧共同承载数据，即A+B帧承载数据，或采用A类、B类和C类子帧共同承载数据，即A+B+C帧承载数据。根据数据包大小，分别计算出在选用A帧、A+B帧和A+B+C帧承载数据的三种情况下的分包数量N和单帧误帧率P_f，再根据N、P_f和传输可靠性的最低要求P_t，通过公式（2）计算出m的取值，向上取整后代入公式（1）计算出接收成功率的准确值，并根据传输时延和该准确值选择采用A帧、A+B帧或A+B+C帧承载数据的方式。其中，根据循环次数m和该准确值选择采用A帧、A+B帧或A+B+C帧承载数据的方式可根据系统需求来选择，若对接收成功率要求高，则可选择成功率最高的帧承载数据的方式；或者若要求尽量少的传输时延，则可选择传输时延最小的帧承载数据的方式。当然也可以根据实际情况选择最优的帧承载数据的方式，例如折中选择。

为使本发明的目的和技术方案更加清楚，以下将基于上文提出的方法，按照3G的典型场景给出一次密钥分发过程的具体实例。

1、首先计算循环重发的次数m，根据实际通信环境和应用场景，前提条件如下：

a)带内信道QoS满足3GPP标准TS26.102定义。

b)传输速率选定12.2Kbps，即每20ms传输一帧语音帧，其中A类子帧81bit，B类子帧103bit，C类子帧60bit。

c)一次业务交互的带内传输数据量理论上应当是能够完成一次加密语音通信的密钥数据包大小。在3G网络中，由于密钥分发设备和TD网络设备间通信信道的带宽限制，可发送的密钥数据包最大值为140字节，则一次业务的数据量为一上一下共140×2=280字节。

d)针对密钥传输的可靠性要求，取接收成功率P_t的下限为95%。

e)根据3GPP TS26.101标准，AMR编码的误码标准如下：由A类数据误码引起的误帧率P_f=7×10^﹣3；在以上误帧不存在的条件下，各类型帧的误比特率为A类帧10^﹣6，B类帧10^﹣3，C类帧5×10^﹣3。

下面通过计算仅采用A类子帧、采用A+B类子帧、采用A+B+C类子帧三种传输方式的误帧率，进一步计算三种方式的传输时延和接收成功率，并计算带内传输时延T。

●仅采用A类子帧

误帧率（即A类子帧的丢帧率和误帧率）为：

P_f=0.7%+(1-0.7%)×(1-(1-10^-6)⁸¹)≈0.7%

传输帧数为：

N=280×8/81=28

代入式（2）得m≥1.01，取整为2。将m=2代入公式（1），重新计算接收成功率P_t=99.86%。

此类方式的传输消耗时间T=28×2×20ms=1120ms。

●采用A+B类子帧

A类子帧的丢帧率为0.7%；在A类子帧不丢帧的情况下，B类子帧的误比特率为10^﹣3，则此种情况下的误帧率为：

P_f=0.7%+(1－0.7%)×(1－(1－10^﹣3)¹⁰³×(1－10^﹣6)⁸¹)=9.73%

传输帧数为：

N=280×8/(81+103)=13

代入式（2）得m≥2.45，取整为3。将m=3代入公式（1），重新计算接收成功率P_t=98.53%。

此类方式的传输消耗时间T=13×3×20ms=780ms。

●采用A+B+C类子帧

A类子帧的丢帧率为0.7%；在A类子帧不丢帧的情况下，B类子帧的误比特率为10^﹣3，C类子帧的误比特率为5×10^﹣3，则此种情况下的误帧率为：

P_f=0.7%+(1－0.7%)×(1－(1－10^﹣6)⁸¹×(1－10^﹣3)¹⁰³×(1－5×10^﹣3)⁶⁰)=32.3%

传输帧数为：

N=280×8/(81+103+60)=10

代入式（2）得m≥4.76，取整为5。将m=5代入公式（1），重新计算接收成功率P_t=96.15%。

此类方式的传输消耗时间T=10×5×20ms=1000ms。

根据以上计算，综合考虑接收成功率和传输时延，采用最优解A+B类子帧方式承载密钥数据。在重传3次的情况下即可达到98.53%的成功率。若增加重传次数，令m=5，带入公式（1），计算得接收成功率为99.98%，则在最多消耗时间T=13×5×20ms=1300ms的情况下可达到99.98%的成功率。

本实施例中采用AMR帧中的A+B帧承载密钥数据，可以在最长时延1.3s的情况下，达到99.98%的高准确率，其传输效率和准确率均高于传统方式。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (5)

1.一种基于3G网络的带内数据传输方法，其特征在于，包括步骤：

S1：发送端循环地向接收端发送本次业务数据包的子包数据帧；

S2：接收端接收所述子包数据帧，并在接收到所述数据包的最后一帧时，判断是否接收到所述数据包的所有子包数据帧，若是，则向发送端发送确认应答，否则继续接收所述发送端发来的子包数据帧；所述步骤S2具体包括：

S2.1：接收端接收到一个子包数据帧后，判断是否发送过所述确认应答，若是，执行步骤S2.2，否则，执行步骤S2.3；

S2.2：判断接收到的子包数据帧是否属于本次业务数据包的子包数据帧，若是，则发送所述确认应答，并跳转至步骤S2.1，否则，本次业务交互结束；

S2.3：判断是否已接收过该子包数据帧，若是，则丢弃该子包数据帧，跳转至步骤S2.1，否则，提取子包数据，并保存该子包数据帧的子包序号，以用于数据包还原；

S2.4：根据帧结构中的结束标志位判断是否为所述数据包的最后一个子包数据帧；若是，则执行步骤S2.5，否则，跳转至步骤S2.1；

S2.5：判断是否接收到所述数据包的所有子包数据帧，若是，则向所述发送端发送所述确认应答，并跳转至步骤S2.1，否则，跳转至步骤S2.1；

S3：发送端在收到所述确认应答后停止发送本次业务数据包的子包数据帧，本次业务交互结束。

2.如权利要求1所述的基于3G网络的带内数据传输方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：发送端按子包数据帧的子包序号从第一个子包顺序地发送子包数据帧，每发送一个数据包判断是否收到所述确认应答，若未收到所述确认应答，继续发送下一个子包数据帧，直到发送完最后一个子包数据帧，若还未收到确认应答，则循环发送数据包的子包数据帧。

3.如权利要求1所述的基于3G网络的带内数据传输方法，其特征在于，所述步骤S2.5中判断是否接收到所述数据包的所有子包数据帧的方式为：根据最后一帧的子包序号获得该数据包被拆分成的子包数量，接收端根据已接收到的子包数据帧数量和最后一帧的子包序号判断是否接收到所有数据包的子包数据帧。

4.如权利要求3所述的基于3G网络的带内数据传输方法，其特征在于，所述步骤S2.2中根据子包数据帧中的业务ID判断接收到的子包数据帧是否属于本次业务数据包的子包数据帧。

5.如权利要求1～4中任一项所述的基于3G网络的带内数据传输方法，其特征在于，发送子包数据帧采用自适应多速率AMR编解码技术，以子包数据帧重传循环次数衡量数据的带内传输时延，以带内数据接收成功率衡量传输可靠性，按以下公式选择所述AMR帧的最优承载方式：

将需要传输的数据包分为N个子包数据帧发送，循环m次可使数据接收成功率不低于P_t，则单帧循环m次的接收成功率为则N个子包数据帧接收成功率为：

${(1-P_f^m)}^N\≥P_t---\left(1\right)$

根据公式(1)可得：

$N\×ln\[1-P_f^m\]\≥ln\[P_t\]$

$ln\[1-P_f^m\]\≥ln\[P_t\]/N$

$1-P_f^m\≤e^{\ln \[Pt\]/N}$

$P_f^m\≥1-e^{\ln \[Pt\]/N}$

m×ln[P_f]≥ln[1－e^ln[Pt]/N]

m≥ln[1－e^ln[Pt]/N]/ln[P_f] (2)

T＝N×m×t (3)

其中，P_f为单帧误帧率，T为带内传输时延，t为传输帧的周期，公式(2)中N和P_f的取值取决于需要传输的数据包大小及AMR帧中数据的承载方式：只采用A类子帧承载数据，或采用A类和B类子帧共同承载数据，即A+B帧承载数据，或采用A类、B类和C类子帧共同承载数据，即A+B+C帧承载数据；

根据N、P_f和传输可靠性的最低要求P_t，通过公式(2)计算出m的取值，向上取整后代入公式(1)计算出接收成功率的准确值，将N和m代入公式(3)得到带内传输时延，并根据带内传输时延和所述准确值选择采用A帧、A+B帧或A+B+C帧承载数据的方式。