CN105743616B - 基于北斗短报文通信的长报文分割和可靠通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星通信技术领域，提出一种基于北斗短报文通信的长报文分割和可靠通信方法，包括编码环节、通信环节和解码环节。在编码环节，对待发送的数据进行压缩编码、长报文分割并添加标识位形成多个子包以及纠错编码；在通信环节，根据编码环节的输出，发送端基于当前SIM卡的空闲状态，选择发送北斗报文的信道，然后根据选择的发送信道SIM卡ID来封装北斗报文进行发送；在解码环节，当接收端收到一个长报文的最后一个报文时，进行纠错解码，然后再根据子包标识位，依次进行拼接，最后对接收后的完整报文进行解压缩编码，获得最终的通信报文。本发明的方法可在不用重发的情况下能够有效保障北斗一代短报文通信的可靠性，并保证较高的鲁棒性。

Description

基于北斗短报文通信的长报文分割和可靠通信方法

技术领域

本发明涉及卫星通讯技术领域，具体而言涉及一种基于北斗短报文通信的长报文分割和可靠通信方法。

背景技术

随着现代通信和卫星技术的发展，卫星系统的应用范围越来越广，不仅仅局限于定位和导航应用，还包括遥感、测绘和通信等领域应用。我国发射的北斗一代卫星具有一般导航卫星系统，如GPS、北斗二代卫星等，均不具有的短报文通信功能。

北斗一代卫星可为用户机与用户机、用户机与地面中心站之间提供短报文通信服务。每个用户机都有唯一的一个ID号，并采用1户1密的加密方式，通信均需经过地面中心站转发，其具体流程是：(1)短报文发送方首先将包含接收方ID号和通信内容的通信申请信号加密后通过卫星转发入站；(2)地面中心站接收到通信申请信号后，经脱密和再加密后加入持续广播的出站广播电文中，经卫星广播给用户；(3)接收方用户机接收出站信号，解调解密出站电文，完成一次通信。北斗一代卫星的短报文通信功能覆盖范围非常广，可以很好的弥补互联网和移动通信网的不足，广泛应用于偏远山区、海洋孤岛等互联网和移动通信网难以接入的地方，可以用与偏远地区应急通信、海上船舶遇难救援、气象站盲区数据传输和森林防火防灾等。

但目前北斗一代卫星短报文通信存在以下几点不足：(1)单次通信容量有限：每次最多提供120个汉字或1680比特的短报文通信服务，民用通信容量仅有78字节；(2)通信频率受限：通信频率分为1秒/次、30秒/次和60秒/次三个等级，民用通信频率为60秒/次；(3)具有一定的丢包率，需要采取额外的协议确保可靠性。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于北斗短报文通信的长报文分割和可靠通信方法，可实现北斗一代短报文通信的容量扩增、北斗一代短报文通信的频率加快以及北斗一代短报文通信的可靠通信。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本发明提出一种基于北斗短报文通信的长报文分割和可靠通信方法，包括编码环节、通信环节和解码环节，其中：

在编码环节，对待发送的数据进行压缩编码、长报文分割并添加标识位形成多个子包以及纠错编码；

在通信环节，根据编码环节的输出，发送端基于当前SIM卡的空闲状态，选择发送北斗报文的信道，然后根据选择发送信道的SIM卡ID来封装北斗报文进行发送；

在解码环节，当接收端收到一个长报文的最后一个子报文时，进行纠错解码，然后再根据子包标识位，依次进行拼接，最后对接收后的完整报文进行解压缩编码，获得最终的通信报文。

进一步的实施例中，在前述编码环节，压缩编码处理采用游程编码的压缩方式。

由以上技术方案可知，与现有技术相比，本发明的显著优点在于：

1、本发明的基于北斗短报文通信的长报文分割和可靠通信方法，在不用重发的情况下能够有效的保障北斗一代短报文通信的可靠性；

2、本发明的方法可以自适应地根据北斗短报文的丢包率，来调制纠错编码的生成方式；

3、在北斗一代短报文通信的单次通信容量不变的情况下，本发明的方法可提高可连续传输的数据量，并提高北斗一代短报文通信的通信频率；

4、本方法采用多信道传输，即可使用多个用户机，相当于采用了并行传输，大大提到了发送频率，而且即使某个用户机发生故障，也不影响整个系统的正常工作，增强整个系统的鲁棒性。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是根据本发明某些实施例的基于北斗短报文通信的长报文分割和可靠通信方法的流程示意图。

图2是根据本发明某些实施例的编码环节示意图。

图3是根据本发明某些实施例的发送端三种发送模式的示意图。

图4是根据本发明某些实施例的北斗短报文发送流程示意图。

图5是根据本发明某些实施例的北斗短报文接收流程示意图。

图6是根据本发明某些实施例的纠错编码示意图。

图7是根据本发明某些实施例的纠错解码示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

如图1-图7所示，根据本发明的实施例，一种基于北斗短报文通信的长报文分割和可靠通信方法，包括编码环节、通信环节和解码环节。

结合图2、图6所示，在编码环节，对待发送的数据进行压缩编码、长报文分割并添加标识位形成多个子包以及纠错编码。

优选地，压缩编码处理通过设置子包包头中2bit的压缩方式标识位，选择如下方式之一：适用于文本序列的字典压缩、适用于通信数据报文序列的游程压缩编码、自定义编码和不压缩编码。。

结合图3、图4，在通信环节，根据编码环节的输出，发送端基于当前SIM卡的空闲状态，选择发送北斗报文的信道，然后根据选择的发送信道SIM卡ID来封装北斗报文进行发送。

结合图5、图7，在解码环节，当接收端收到一个长报文的最后一个报文时，先进行纠错解码，然后再根据子包标识位，依次进行拼接，最后对接收后的完整报文进行解压缩编码，获得最终的通信报文。

下面结合附图1-7所示，更加具体地描述前述编码环节、通信环节和解码环节的示例性实现方式。

(1)编码环节

(1-1)压缩编码

压缩编码处理通过设置子包包头中2bit的压缩方式标识位，选择如下方式之一：适用于文本序列的字典压缩、适用于通信数据报文序列的游程压缩编码、自定义编码和不压缩编码。其中11为字典压缩编码，10为游程压缩编码，01为自定义压缩编码，00为不压缩编码。

字典压缩算法：是把文本中出现频率比较多的单词或词汇组合做成一个对应的字典列表，并用特殊代码来表示这个单词或词汇，比如：源文本为I am a Chinese people,Iam from China.字典列表为00＝Chinese、01＝People、02＝China，那么压缩后的编码为Iam a 00 01,I am from 02。

使用字典压缩编码，首先必须对所要传输的文本内容分析，得到其中出现频率比较多的单词或者词汇，然后将其做成一个对应的字典列表，而且此字典列表一旦形成就不能改变，而且接收方和发送方都要持有此字典列表。

本实施例中，以游程压缩编码为例，即用一个符号值或串长代替具有相同值的连续符号，使符号长度少于原始数据的长度。只在各行或者各列数据的代码发生变化时，一次记录该代码及相同代码重复的个数，从而实现数据的压缩。压缩策略为先使用一个暂存函数Q读取第一个资料，接着将下一个资料与Q值比，若资料相同，则计数器加1；若资料不同，则将计数器存的数值以及Q值输出，再初始计数器，Q值改为下一个资料。以此类推，完成资料压缩。

本实施例的游程压缩方法中，特殊标识符采用的是16进制为5C的符号\，用来区分压缩码和普通码，因为符号\，是很少用到的；当原码中包含符号\时，那么在编码的时候就将\编码为\\，以便与特殊标识符区分。

发送端：对所要传输的报文进行字节分析，当某个字节的连续重复个数超过3个时，便采用下述表1示例性表达的压缩方式，否则不压缩保持原样；如表1所示，字节00的重复个数为15个，所以压缩后为00 5C 0A，即表示有0A(15)个00。

接收端：当收到\，即16进制的0X5C，便将上一个字节值赋给Q，将下一个字节值赋给计数器m，重复输出m个Q值。

表1-游程压缩编码

自定义编码：使用者自己定义压缩编码方式，在接收方同样适用使用者自定义的解压缩方式解码。

不压缩编码：即对原码不进行压缩，保持原样传输。

(1-2)长报文分隔

由于北斗卫星系统的短报文通信中民用通信容量仅有78个字节，所以当需要发送的报文数据长度超过78个字节的时候，就需要对长报文进行分割，使其分割后的每一个子包都满足北斗一代短报文通信的通信容量。

作为可选的例子，如果经过前述步骤1-1压缩编码后的数据还是超过78个字节，那么就要对压缩后的数据进行等长分割，使得分割的每一个子包都能满足北斗一代短报文通信的通信容量，接着在每个子包的包头加上标识位，用来标识每个子包的唯一性，如表2。

表2-子包格式

(1-3)纠错编码

对分割后的子包进行纠错编码，通信开始的第一次纠错编码，是按照北斗短报文的最大丢包率即20％来生成纠错包的，即4个数据子包异或生成纠错包，这样保证在允许的丢包率下，即使在传输过程中丢包，在接收端也可以恢复，保证接收数据的完整性。纠错包的格式与子包格式相同，但是纠错包的纠错标识是它的子包总数标识位为0，可以用此标识与数据子包区分。纠错包本身不具有任何实际意义，只是在丢包的情况下用来恢复丢失的子包。

(2)通信环节

信道选择与报文发送：根据编码环节的输出，发送端基于当前SIM卡的空闲状态，选择发送北斗报文的信道，然后根据选择的发送信道SIM卡ID来封装北斗报文进行发送。本例中，由于每个用户机都有只有一个ID号，发送频率只有一分钟一次，是非常低的，而且一旦系统中唯一的用户机出现故障，那么整个系统都会崩溃，这样的系统鲁棒性是很低的。而本方法采用多信道传输，即可使用多个用户机，相当于采用了并行传输，大大提到了发送频率，而且即使某个用户机发生故障，也不影响整个系统的正常工作。

(3)解码环节

(3-1)纠错解码

当接收端在收到一个长报文的最后一个报文时，检查是否有丢包，如果有丢包，那么按照纠错编码恢复丢失的子包.

(3-2)子包整合

然后根据子包标识位，依次拼接子包；

(3-3)解压缩编码

对接收后的完整报文进行解压缩编码，获得最终的通信报文。

在解码环节中，会及时向发送端回复ACK报文，告知当前信道的丢包率，便于发送端采用效率最高的纠错编码方式，此处ACK报文的格式是ACK确认包格式1，如表3。

表3-ACK确认包格式1

结合图6、图7所示，本发明的方法中，在编码环节对等长分割后并且添加了标识位的子包，进行相应位的异或运算，这样我们可以得到附加的一个纠错包，如图6，这样在接收端即使丢失某个子包时，也可以通过其他几个子包的异或运算得到丢失的子包。

通信开始的第一次纠错编码，是按照北斗短报文的最大丢包率即20％来生成纠错包的，即4个数据子包异或生成纠错包。

接收端，每接收到一定数量的报文(例如预先设定这样的数量为10)，便向发送端回复ACK报文(ACK确认包格式1)，告诉发送端这一段时间内的丢包率，发送端根据当前的丢包率λ调制纠错编码的生成方式，使得发送效率最大化，具体调制方式如下：

步骤一：接收端收到10个北斗短报文，通过检查报文头的子包ID和子包总数，可以得到丢包数，再除以子包总数就可以得到当前的丢包率λ，然后向发送端回复ACK确认包格式1的ACK确认包；

步骤二：发送端接收到ACK确认包格式1的ACK确认包，解析此短报文，可以得到当前信道的丢包率λ；

步骤三：控制规则是f＝[1/λ]-1，符号[*]表示不大于a的最大整数，可以得到当前的纠错编码方式，即f个子包的对应位异或生成纠错包，然后按次序将这一组子包和纠错包发送到接收端。

图2示例性地表示了编码环节的处理流程，其具体实现过程包括：

1)首先选择压缩方式，采用的是游程编码的压缩方式对待发送的数据进行压缩；

2)由于民用北斗一代短报文用户机单次发送容量为46个汉字，去除可靠通信报头和北斗报文报头开销，并留有一定弹性空间，定义子包数据长度为70个字节，即560bit；然后将压缩后的待发送报文分割成大小为560bit的短报文；

3)添加标识位。读取当前时间作为待发送报文的ID，压缩编码方式、子包号和子包总数共同组成了标识位。添加了标识位后的子包格式如下所示：

①2bit数据表示压缩方式，表示支持定义4种压缩方式；

②11bit表示时间，从0时开始计时的总分钟数；

③1bit表示ACK，为是否需要接收方回复ACK报文的标识；

④1bit表示SYN，为建立连接的标识；

⑤1bit表示PSH，为DATA数据传输的标识；

⑥8bit表示子包号，为当前发送包是待发送数据分割后的第几个子包；

⑦8bit表示子包总数，为待发送数据总共被分割成了几个子包，8bit数据长度表示可支持分割255个子包；

⑧560bit表示子包数据，这个是可变的，若每个子包数据都为560bit，则一次可连续发送的数据长度为142.8Kbit，大大扩大了通信容量。

结合图6所示，在进行纠错编码时，对等长分割后并且添加了标识位的子包进行相应位的异或运算，这样我们可以得到附加的一个纠错包，一般北斗短报文通信的丢包率在5％到20％之间，此处我们取最大丢包率，即每4个子包进行异或一次，得到一个纠错包，这样在20％及以下丢包率的情况下，我们总可以在接收端恢复丢失的子包。

结合图3所示，在通信环节中，发送端的发送模式有3种：分别是串行发送模式、不带冗余的并行发送模式和带冗余的并行发送模式。每种发送模式有各自的优缺点，串行发送模式系统简单，但是发送效率不高；不带冗余的并行发送模式发送效率最高，带冗余的并行发送模式可以提高系统鲁棒性，但是这两个模式的系统复杂度都比较高。

三种模式具体的发送过程如图3所示，假设用户机使用两个SIM卡进行北斗短报文发送，采用三种模式的发送分别如下：

1)采用串行发送模式

系统先用SIM卡1依次发送子包1、2和3。当发送子包4时，系统检测到SIM卡1不满足发送条件，将选择SIM卡2发送子包。当发送子包6时，系统检测到SIM卡1恢复状态，满足发送条件，又会选择SIM卡1进行发送。

2)采用不带冗余的并行发送模式

系统同时通过SIM卡1和SIM卡2分别发送子包1和子包2。当子包发送完成后检测空闲SIM卡发送下一个子包，所以当子包2发送完成后系统检测SIM卡2空闲，故SIM卡2发送子包3。接着子包1发送完成，系统检测SIM卡1空闲，故SIM卡1发送子包4。以此类推发送子包5和子包6。

3)采用带冗余的并行发送模式

系统将同时通过SIM卡1和SIM卡2分别发送所有的的子包，这样在网络中就会同时存在多个子包的拷贝。其中个别子包的丢失将不会影响最终接收端的接收情况。

下面以采用不带冗余的并行发送模式，并且丢包率为20％作为说明，北斗短报文发送流程如图4所示，其包括以下过程：

a.开始发送压缩、分割和纠错编码后的北斗短报文；

b.判断是否已经发送了4个子包，如果是，则执行c，如果否，则继续发送子包，直到发送了4个子包为止；

c.发送前4个北斗数据短报文生成的纠错子包；

d.为待发送数据包选择空闲的SIM卡；

e.判断是否有空闲SIM卡，如果有空闲的SIM卡，则执行f，如果没有空闲的SIM卡，则进入等待，单一SIM卡的等待时间为60秒，N个SIM卡的平均等待时间则只需要60/N秒，然后执行d；

f.对待发送的数据子包进行北斗报文头封装；

g.向接收端发送北斗短报文；

结合图5所示的北斗短报文接收流程示意，北斗短报文接收过程包括：

a.等待接收北斗短报文；

b.判断短报文类型。若是数据子报文，则执行c，若是纠错报文，则执行i；

c.判断是否是已记录的发送地址。若已记录发送地址，则执行d，若未记录发送地址，则执行e；

d.判断是否是已记录的报文ID。若已记录报文ID，则执行g，若未记录报文ID，则执行f；

e.记录新的发送地址；

f.记录新的报文ID；

g.保存接收报文；

h.返回a；

i.检查接收子报文的完成性，通过纠错编码机制恢复丢失的子报文；

j.向发送端发送确认报文，返回a；

至此，一次完整的基于北斗一代短报文通信的长报文分割和可靠通信完成(报文的发送与接收完成)。

本发明的方法中，由于目前保证短报文可靠通信的方法一般都是采用类似ARQ的机制，所以本发明方法也支持此机制，如前述的ACK确认包格式，子报文的报文标识符中，有ACK标识位，当ACK标识位为1时，此时的可靠通信的方法采用ARQ机制，即：

1)发送端将ACK标识位置1，向接收端发送北斗短报文；

2)接收端收到北斗短报文，检查报文的ACK标识位是否为1，如果是1，则向发送端回复ACK报文，此处ACK报文的格式为前述的ACK确认包格式2，如表3；如果ACK标识位为0，那么则是采用本发明提出的纠错编码保证可靠通信；

表3-ACK确认包格式2

3)发送端在北斗短报文发送间隔的60s内，如果没有收到ACK报文，待间隔时间结束，重发此子报文；如果收到ACK报文，则待间隔时间结束，发送下一个子报文。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (4)

1.一种基于北斗短报文通信的长报文分割和可靠通信方法，其特征在于，该方法包括编码环节、通信环节和解码环节，其中：

在编码环节，对待发送的数据进行压缩编码、长报文分割并添加标识位形成多个子包以及纠错编码；

在通信环节，根据编码环节的输出，发送端基于当前SIM卡的空闲状态，选择发送北斗报文的信道，然后根据选择的发送信道SIM卡ID来封装北斗报文进行发送；

在解码环节，当接收端收到一个长报文的最后一个报文时，进行纠错解码，然后再根据子包标识位，依次进行拼接，最后对接收后的完整报文进行解压缩编码，获得最终的通信报文；

在前述编码环节，压缩编码处理通过设置子包包头中2bit的压缩方式标识位，选择如下方式之一：适用于文本序列的字典压缩、适用于通信数据报文序列的游程压缩编码、自定义编码和不压缩编码；

采用相应的压缩方式对待发送数据进行压缩处理后，如果经过前述步骤压缩编码后的数据超过78个字节，则对压缩后的数据进行等长分割，使得分割的每一个子包都能满足北斗一代短报文通信的通信容量，接着在每个子包的包头加上标识位，用来标识每个子包的唯一性；

所述纠错编码过程包括对分割后的子包进行纠错编码，对等长分割后并且添加了标识位的一组子包，进行相应位的异或运算，得到一组子包附加的纠错包，并且通信开始的第一次纠错编码，按照北斗短报文的最大丢包率为20％来生成纠错包，即4个数据子包异或生成纠错包。

2.根据权利要求1所述的基于北斗短报文通信的长报文分割和可靠通信方法，其特征在于，在通信环节，接收端每接收到一定数量的报文，便向发送端回复ACK报文，通知发送端这一段时间内的丢包率λ，发送端根据当前的丢包率调制纠错编码的生成方式，使得发送效率最大化，控制规则是f＝[1/λ]-1，其中f是纠错包的生成方式，代表着f个子包生成纠错包；表示当前信道的丢包率λ；符号[*]表示不大于a的最大整数；后面的减1，表示将纠错包除外。

3.根据权利要求1-2中任意一项所述的基于北斗短报文通信的长报文分割和可靠通信方法，其特征在于，所述通信 环节，发送端采用下述之一的方式向接收端发送北斗短报文：串行发送模式、不带冗余的并行发送模式以及带冗余的并行发送模式。

4.根据权利要求1-2中任意一项所述的基于北斗短报文通信的长报文分割和可靠通信方法，其特征在于，所述解码环节具体包括：

纠错解码：当接收端在收到一个长报文的最后一个子报文时，检查是否有丢包，如果有丢包，则按照纠错编码恢复丢失的子包；

子包整合：根据子包标识位，依次拼接子包；

解压缩编码：对接收后的完整报文进行解压缩编码，获得最终的通信报文。