CN106254034B - 一种基于arm的参数识别系统的网络协议的工作方法 - Google Patents

Abstract

一种基于ARM的参数识别系统的网络协议的工作方法，属于网络通信及卫星移动通信领域。本发明为S标准中的业务信道密码参数盲识别的参数识别系统，设计并实现了一套基于ARM的网络接口。本实现方法将参数识别系统以及第三方接收机隔离，对外只提供TCP接口，以保证该参数识别系统内部的稳定性及对外的唯一性，且具体实现过程提高了系统的健壮性及可维护性。本发明提出的网络接口中，对一些重要数据进行卷积码编码之后在进行传输，以保证传输的可靠性。

Description

一种基于ARM的参数识别系统的网络协议的工作方法

技术领域

本发明涉及一种基于ARM的参数识别系统的网络协议的工作方法，属于网络通信及卫星移动通信领域。

背景技术

S标准以全球通信系统标准GSM(Global System for Communication)为基础衍化而来，是针对地球同步卫星移动通信设置的标准，由ETSI(European TelecommunicationStandards Institute)欧洲电信标准委员会制定。T卫星系统广泛应用于欧洲、中东、非洲的北部、中部、东部以及亚洲和澳大利亚等地区，并为这些地区提供卫星通信网络，涉及手持设备(如手机)和一些海事设施的通信，用以传输一些传统设施(如GSM，UMTS，WLAN等)不能传输的语音、传真和以IP为基础的数据。

S标准设计的网络分为三个部分，分别为地面发射部分，空间转接部分和用户终端系统，如图一所示。

S标准设计的网络中使用的信道可以分为两类，一种是传输语音和传真数据的业务信道，另一种是为了发送信令或同步数据的控制信道。为保证信道中数据传输的可靠性，论文“非协作通信中基于卷积码的信息截获技术研究”【山东大学，梅文杰，硕士毕业论文，2015.4.25】中针对部分特殊信道，如频率校正信道、通用公共信道和业务信道，提出一种加密算法，以及业务信道上的密码参数盲识别算法，但该文并未给出密码参数盲识别算法的具体硬件实现方法。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷及不足，本发明提出一种基于ARM的某通信系统的网络协议及其实现。本发明为S标准中的业务信道密码参数盲识别的参数识别系统，设计并实现了一套基于ARM的网络接口。本实现方法将参数识别系统以及第三方接收机隔离，对外只提供TCP接口，以保证该参数识别系统内部的稳定性及对外的唯一性，且具体实现过程提高了系统的健壮性及可维护性。本发明提出的网络协议中，对一些重要数据进行卷积码编码之后在进行传输，以保证传输的可靠性。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于ARM的参数识别系统的网络协议的工作方法，该系统包括ARM处理器、一个100M网口、网口插座和一个FPGA模块，网口插座采用RJ45接口，内置变压器；ARM处理器通过数据线、地址线及控制信号线连接FPGA模块，ARM处理器经RJ45接口和接收机相连接，接收机遵循TCP/IP协议进行通信；FPGA模块能完成参数识别算法，利用ARM处理器实现对外数据的接收和发送，以及与FPGA模块的数据交互；ARM处理器与FPGA模块数据交互过程包括两方面：当ARM处理器对接收机发送过来的数据进行处理之后，通过与FPGA中的数据线及其地址线，将处理后的数据发送到FPGA的接收数据缓冲区，并通过控制信号线告知FPGA所需操作；FPGA模块完成参数识别后，会将数据保存在FPGA模块的发送数据缓冲区，ARM处理器可通过读取该缓冲区以得到所需数据，该网络协议包含五种指令，共用一种数据包结构，在ARM处理器芯片中刷入Linux系统，并通过C语言实现服务端的应用程序，该程序控制指令的收发及处理过程，将该程序放入ARM启动目录，以达到ARM处理器开机后自动启动该程序的目的，该网络协议使用的数据包结构采用包头加包体结构，包含五字节的包头信息，以及若干字节的通信报文，包头首字节为指令类型，第二三字节为通信报文长度，第四字节为附带参数信息，所述参数信息为通话唯一标识长度，第五字节为最大允许的包长度，该最大包长度固定为65536字节，五种指令为：

⑴请求识别指令：通信报文为通话唯一标识和密文数据报，通话唯一标识可自由定义，密文数据报的数组以每22字节为一组，第一组为报头，其余为上下行数据，报头前三字节依次为类型、下行数据帧数、上行数据帧数，其后字节目前留空；上下行数据以每22字节为一组，其中每组数组包含19比特的帧号，以及待识别的48*2比特的时隙数据；

⑵发送识别结果指令：通信报文为通话唯一标识和识别成功标识，通话唯一标识可自行定义，识别成功标识长度为一字节：1代表识别成功，0代表识别失败；

⑶请求密钥流指令：通信报文为通话唯一标识和请求密钥流数据报，请求密钥流数据报长度固定为40比特，其中前两比特为每帧密钥流长度，之后依次为19比特的起始帧号和19比特的结束帧号；

⑷返回密钥流指令：通信报文为通话唯一标识和密钥流数据，密钥流数据报由三部分组成：两字节的每帧数据长度，19字节的起始帧号，n帧数据；

⑸心跳包：长度为零，只发送包头；

其中第一、三种指令是为接收机设计的指令，第二、四指令是为ARM处理器而设计，第五种指令由接收机和ARM处理器每隔五秒相互发送一次，当连续二十秒未收到心跳包，则重新建立连接；前四种指令需相互配合，才能完成接收机对参数识别算法的调用；

上述网络协议的工作方法，其步骤如下：

1)接收机连接ARM处理器对外提供的TCP端口，连接成功后接收机向ARM处理器发送指令，将待识别的数据以48*2比特为一帧，首先接收机对每帧数据进行预编码，预编码采用卷积码的方式，具体过程如下：

a)将每帧的96比特数据统一成信息序列u＝u(u₁,u₂…u₉₆)；

b)计算生成矩阵，采用二元(2,1,4)卷积码结构，则两路脉冲冲激响应为构造出如下生成矩阵：

c)计算输出码字，利用如下公式求得输出码字c

得到预编码数据后，将19比特帧号与预编码之后的数据封装成22比特一组的数据，将上下行数据都封装成22比特一组的数据后，与通话唯一标识一起封装成请求识别指令发送到FPGA模块；

2)ARM处理器首先接收接收机发送的五字节包头，依次判断指令类型，通信报文长度，通话唯一标识长度，若ARM处理器接收到的指令为请求识别指令，首先根据通信报文长度接收指定长度的字节数到本地缓冲区，之后根据密文数据报第一组数组确定上下行数据长度，然后每22字节一组解析出19比特帧号以及预编码数据，利用维特比译码方法将预编码数据转为48*2比特的时隙数据，将时隙数据以每次48比特通过与FPGA模块相连的端口传输到FPGA的内存空间，传输16次等待一次识别结果，当全部数据识别完成后，向接收机发送识别结果指令；

3)接收机收到指令后，首先接收五字节的包头，依次判断指令类型，通信报文长度，通话唯一标识长度，若接收到的指令为识别结果指令，则将19比特的起始帧号与结束帧号经过卷积码编码之后，与每帧长度一起封装成请求密钥流指令；

4)ARM处理器收到接收机的指令后，首先接收字节的包头，依次判断指令类型，通信报文长度，通话唯一标识长度，若接收到的指令为请求密钥流指令，首先解析出每帧长度以及起始帧号，并计算出共请求的帧数n，之后根据起始帧号从FPGA模块指定地址读取n帧数据，最后将每帧长度、起始帧号、n帧数据封装成返回密钥流指令，并向接收机发送该指令；

5)重复步骤1)、2)、3)、4)，当连续二十秒未收到心跳包，按断开连接处理，接收机与FPGA模块重新建立连接，再重复步骤1)2)3)4)5)。

所述的ARM，过去称作进阶精简指令集机器(Advanced RISC Machine，更早称作：Acorn RISC Machine)，是一个32位精简指令集(RISC)处理器，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。

所述的FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

所述的TCP是英文Transmission Control Protocol的缩写，TCP端口就是为TCP协议通信提供服务的端口。

所述的RJ45是布线系统中信息插座连接器的一种，由插头和插座组成，插头有8个凹槽和8个触点，用于数据电缆的端接，实现设备、端线、配线架模块间的连接及变更。

本发明的有益效果如下：

1.本发明将参数识别系统以及接收机隔离，对外只提供TCP接口，以保证该参数识别系统内部的稳定性及对外的唯一性；

2.本发明数据包统一采用包头加包体的结构，提高了该协议的健壮性及可维护性；

3.本发明采用ARM处理器，灵活性高，能够扩展多种功能；

4.本发明对一些重要数据进行卷积码编码之后在进行传输，以保证传输的可靠性。

附图说明

图1为S标准设计的网络结构，当卫星电话发射呼叫信号后，空间段接收信号并进行转接，发射到公用开关电话网络PSTN(Public Switched Telephone Network)进行维护和相关设置的工作，其中信号由空间段到地面段采用C-Band，真正发送到用户的信号运用L-band的点波束为载波；

图2是本发明的参数识别系统中的ARM处理器与FPGA模块、接收机相连的结构框图，ARM处理器经RJ45接口和接收机相连接，ARM处理器通过数据线、地址线及控制信号线连接FPGA模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例：

本发明实施例如图2所示，一种基于ARM的参数识别系统的网络协议的工作方法，该系统包括ARM处理器、一个100M网口、网口插座和一个FPGA模块，网口插座采用RJ45接口，内置变压器；ARM处理器通过数据线、地址线及控制信号线连接FPGA模块，ARM处理器经RJ45接口和接收机相连接，接收机遵循TCP/IP协议进行通信；FPGA模块能完成参数识别算法，利用ARM处理器实现对外数据的接收和发送，以及与FPGA模块的数据交互；ARM处理器与FPGA模块数据交互过程包括两方面：当ARM处理器对接收机发送过来的数据进行处理之后，通过与FPGA中的数据线及其地址线，将处理后的数据发送到FPGA的接收数据缓冲区，并通过控制信号线告知FPGA所需操作；FPGA模块完成参数识别后，会将数据保存在FPGA模块的发送数据缓冲区，ARM处理器可通过读取该缓冲区以得到所需数据，该网络协议包含五种指令，共用一种数据包结构，在ARM处理器芯片中刷入Linux系统，并通过C语言实现服务端的应用程序，该程序控制指令的收发及处理过程，将该程序放入ARM启动目录，以达到ARM处理器开机后自动启动该程序的目的，该网络协议使用的数据包结构采用包头加包体结构，包含五字节的包头信息，以及若干字节的通信报文，包头首字节为指令类型，第二三字节为通信报文长度，第四字节为附带参数信息，所述参数信息为通话唯一标识长度，第五字节为最大允许的包长度，该最大包长度固定为65536字节，五种指令为：

⑴请求识别指令：通信报文为通话唯一标识和密文数据报，通话唯一标识可自由定义，密文数据报的数组以每22字节为一组，第一组为报头，其余为上下行数据，报头前三字节依次为类型、下行数据帧数、上行数据帧数，其后字节目前留空；上下行数据以每22字节为一组，其中每组数组包含19比特的帧号，以及待识别的48*2比特的时隙数据；

⑵发送识别结果指令：通信报文为通话唯一标识和识别成功标识，通话唯一标识可自行定义，识别成功标识长度为一字节：1代表识别成功，0代表识别失败；

⑶请求密钥流指令：通信报文为通话唯一标识和请求密钥流数据报，请求密钥流数据报长度固定为40比特，其中前两比特为每帧密钥流长度，之后依次为19比特的起始帧号和19比特的结束帧号；

⑷返回密钥流指令：通信报文为通话唯一标识和密钥流数据，密钥流数据报由三部分组成：两字节的每帧数据长度，19字节的起始帧号，n帧数据；

⑸心跳包：长度为零，只发送包头；

其中第一、三种指令是为接收机设计的指令，第二、四指令是为ARM处理器而设计，第五种指令由接收机和ARM处理器每隔五秒相互发送一次，当连续二十秒未收到心跳包，则重新建立连接；前四种指令需相互配合，才能完成接收机对参数识别算法的调用；

上述网络协议的工作方法，其步骤如下：

1)接收机连接ARM处理器对外提供的TCP端口，连接成功后接收机向ARM处理器发送指令，将待识别的数据以48*2比特为一帧，首先接收机对每帧数据进行预编码，预编码采用卷积码的方式，具体过程如下：

a)将每帧的96比特数据统一成信息序列u＝u(u₁,u₂…u₉₆)；

b)计算生成矩阵，采用二元(2,1,4)卷积码结构，则两路脉冲冲激响应为构造出如下生成矩阵：

c)计算输出码字，利用如下公式求得输出码字c

得到预编码数据后，将19比特帧号与预编码之后的数据封装成22比特一组的数据，将上下行数据都封装成22比特一组的数据后，与通话唯一标识一起封装成请求识别指令发送到FPGA模块；

2)ARM处理器首先接收接收机发送的五字节包头，依次判断指令类型，通信报文长度，通话唯一标识长度，若ARM处理器接收到的指令为请求识别指令，首先根据通信报文长度接收指定长度的字节数到本地缓冲区，之后根据密文数据报第一组数组确定上下行数据长度，然后每22字节一组解析出19比特帧号以及预编码数据，利用维特比译码方法将预编码数据转为48*2比特的时隙数据，将时隙数据以每次48比特通过与FPGA模块相连的端口传输到FPGA的内存空间，传输16次等待一次识别结果，当全部数据识别完成后，向接收机发送识别结果指令；

3)接收机收到指令后，首先接收五字节的包头，依次判断指令类型，通信报文长度，通话唯一标识长度，若接收到的指令为识别结果指令，则将19比特的起始帧号与结束帧号经过卷积码编码之后，与每帧长度一起封装成请求密钥流指令；

4)ARM处理器收到接收机的指令后，首先接收字节的包头，依次判断指令类型，通信报文长度，通话唯一标识长度，若接收到的指令为请求密钥流指令，首先解析出每帧长度以及起始帧号，并计算出共请求的帧数n，之后根据起始帧号从FPGA模块指定地址读取n帧数据，最后将每帧长度、起始帧号、n帧数据封装成返回密钥流指令，并向接收机发送该指令；

5)重复步骤1)、2)、3)、4)，当连续二十秒未收到心跳包，按断开连接处理，接收机与FPGA模块重新建立连接，再重复步骤1)2)3)4)5)。

本发明所使用的ARM处理器是由三星公司推出的一款低功耗、高性价比的S3C6410处理器。

Claims (1)

1.一种基于ARM的参数识别系统的网络协议的工作方法，该系统包括ARM处理器、一个100M网口、网口插座和一个FPGA模块，网口插座采用RJ45接口，内置变压器；ARM处理器通过数据线、地址线及控制信号线连接FPGA模块，ARM处理器经RJ45接口和接收机相连接，接收机遵循TCP/IP协议进行通信；FPGA模块能完成参数识别算法，利用ARM处理器实现对外数据的接收和发送，以及与FPGA模块的数据交互；ARM处理器与FPGA模块数据交互过程包括两方面：当ARM处理器对接收机发送过来的数据进行处理之后，通过与FPGA中的数据线及其地址线，将处理后的数据发送到FPGA的接收数据缓冲区，并通过控制信号线告知FPGA所需操作；FPGA模块完成参数识别后，会将数据保存在FPGA模块的发送数据缓冲区，ARM处理器可通过读取该缓冲区以得到所需数据，该网络协议包含五种指令，共用一种数据包结构，在ARM处理器芯片中刷入Linux系统，并通过C语言实现服务端的应用程序，该程序控制指令的收发及处理过程，将该程序放入ARM启动目录，以达到ARM处理器开机后自动启动该程序的目的，该网络协议使用的数据包结构采用包头加包体结构，包含五字节的包头信息，以及若干字节的通信报文，包头首字节为指令类型，第二三字节为通信报文长度，第四字节为附带参数信息，所述参数信息为通话唯一标识长度，第五字节为最大允许的包长度，该最大包长度固定为65536字节，五种指令为：

⑴请求识别指令：通信报文为通话唯一标识和密文数据报，通话唯一标识可自由定义，密文数据报的数组以每22字节为一组，第一组为报头，其余为上下行数据，报头前三字节依次为类型、下行数据帧数、上行数据帧数，其后字节目前留空；上下行数据以每22字节为一组，其中每组数组包含19比特的帧号，以及待识别的48*2比特的时隙数据；

⑵发送识别结果指令：通信报文为通话唯一标识和识别成功标识，通话唯一标识可自行定义，识别成功标识长度为一字节：1代表识别成功，0代表识别失败；

⑶请求密钥流指令：通信报文为通话唯一标识和请求密钥流数据报，请求密钥流数据报长度固定为40比特，其中前两比特为每帧密钥流长度，之后依次为19比特的起始帧号和19比特的结束帧号；

⑷返回密钥流指令：通信报文为通话唯一标识和密钥流数据，密钥流数据报由三部分组成：两字节的每帧数据长度，19字节的起始帧号，n帧数据；

⑸心跳包：长度为零，只发送包头；

其中第一、三种指令是为接收机设计的指令，第二、四指令是为ARM处理器而设计，第五种指令由接收机和ARM处理器每隔五秒相互发送一次，当连续二十秒未收到心跳包，则重新建立连接；前四种指令需相互配合，才能完成接收机对参数识别算法的调用；

上述网络协议的工作方法，其步骤如下：

1)接收机连接ARM处理器对外提供的TCP端口，连接成功后接收机向ARM处理器发送指令，将待识别的数据以48*2比特为一帧，首先接收机对每帧数据进行预编码，预编码采用卷积码的方式，具体过程如下：

a)将每帧的96比特数据统一成信息序列u＝u(u₁,u₂…u₉₆)；

b)计算生成矩阵，采用二元(2,1,4)卷积码结构，则两路脉冲冲激响应为构造出如下生成矩阵：

c)计算输出码字，利用如下公式求得输出码字c

得到预编码数据后，将19比特帧号与预编码之后的数据封装成22比特一组的数据，将上下行数据都封装成22比特一组的数据后，与通话唯一标识一起封装成请求识别指令发送到FPGA模块；

2)ARM处理器首先接收接收机发送的五字节包头，依次判断指令类型，通信报文长度，通话唯一标识长度，若ARM处理器接收到的指令为请求识别指令，首先根据通信报文长度接收指定长度的字节数到本地缓冲区，之后根据密文数据报第一组数组确定上下行数据长度，然后每22字节一组解析出19比特帧号以及预编码数据，利用维特比译码方法将预编码数据转为48*2比特的时隙数据，将时隙数据以每次48比特通过与FPGA模块相连的端口传输到FPGA的内存空间，传输16次等待一次识别结果，当全部数据识别完成后，向接收机发送识别结果指令；

3)接收机收到指令后，首先接收五字节的包头，依次判断指令类型，通信报文长度，通话唯一标识长度，若接收到的指令为识别结果指令，则将19比特的起始帧号与结束帧号经过卷积码编码之后，与每帧长度一起封装成请求密钥流指令；

4)ARM处理器收到接收机的指令后，首先接收字节的包头，依次判断指令类型，通信报文长度，通话唯一标识长度，若接收到的指令为请求密钥流指令，首先解析出每帧长度以及起始帧号，并计算出共请求的帧数n，之后根据起始帧号从FPGA模块指定地址读取n帧数据，最后将每帧长度、起始帧号、n帧数据封装成返回密钥流指令，并向接收机发送该指令；

5)重复步骤1)、2)、3)、4)，当连续二十秒未收到心跳包，按断开连接处理，接收机与FPGA模块重新建立连接，再重复步骤1)2)3)4)5)。