田立勤，高　坤，曹陽(yáng)威

華北科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)系，北京 101601

北斗物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的傳輸有效性?xún)?yōu)化與分析*

田立勤+，高坤，曹陽(yáng)威

華北科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)系，北京 101601

TIAN Liqin,GAO Kun,CAO Yangwei.Effectiveness optimization and analysis of transmission in real-time monitoring based on Beidou and Internet of things.Journal of Frontiers of Computer Science and Technology，2016,10(7):975-988.

物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合各種主干傳輸很適合遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但是在一些位置偏遠(yuǎn)地區(qū)，一般沒(méi)有互聯(lián)網(wǎng)、有線專(zhuān)線等基礎(chǔ)通信的IT遠(yuǎn)程傳輸主干，移動(dòng)信號(hào)也比較弱甚至可能沒(méi)有，從經(jīng)濟(jì)角度和實(shí)際傳輸環(huán)境出發(fā)，可以采用我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的報(bào)文服務(wù)，但是目前北斗報(bào)文服務(wù)傳輸頻度和單次傳輸量受到限制。針對(duì)這種情況提出了一種適用于北斗報(bào)文的提高其傳輸效率的遠(yuǎn)程傳輸有效性?xún)?yōu)化機(jī)制（effectiveness optimization mechanism of remote transmission，EMRT）。這種機(jī)制具體包括3部分：（1）針對(duì)待傳記錄，動(dòng)態(tài)壓縮記錄中冗余指標(biāo)的“指標(biāo)壓縮方法”；（2）針對(duì)待傳指標(biāo)，根據(jù)協(xié)議事先約定好去除雙方都知道的靜態(tài)“外部包裝”的“要素壓縮方法”；（3）針對(duì)待傳要素，壓縮高4位的“位壓縮方法”。同時(shí)根據(jù)雙方的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)變化量化分析了ERMT對(duì)北斗傳輸有效性的提高效果，并分析了影響有效性的因素。理論分析和實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證表明，這些機(jī)制對(duì)提高北斗傳輸有效性具有顯著作用，對(duì)基于我國(guó)北斗衛(wèi)星的信息傳輸?shù)膶?shí)際應(yīng)用具有重要的理論和實(shí)際意義。

物聯(lián)網(wǎng)；北斗報(bào)文；遠(yuǎn)程傳輸；有效性

1　引言

物聯(lián)網(wǎng)配合北斗報(bào)文服務(wù)很適合遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，原因有：（1）物聯(lián)網(wǎng)的感知部分——無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)布置靈活，自組織能力強(qiáng)，能夠在條件惡劣，甚至給人帶來(lái)危險(xiǎn)的地方進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1-2]；（2）北斗報(bào)文服務(wù)范圍覆蓋亞太地區(qū)，選擇北斗報(bào)文服務(wù)作為物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸主干可以解決偏遠(yuǎn)地區(qū)沒(méi)有互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸主干，移動(dòng)信號(hào)或者信號(hào)微弱導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法傳輸?shù)膯?wèn)題[3]。例如早在汶川抗震救災(zāi)任務(wù)中，該服務(wù)就在災(zāi)區(qū)基礎(chǔ)通信設(shè)備被自然災(zāi)害破壞的情況下成為災(zāi)區(qū)和外界通信的主要手段。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)很多專(zhuān)家學(xué)者致力于將北斗報(bào)文服務(wù)應(yīng)用到水文、地質(zhì)、交通、海洋等領(lǐng)域，一些典型的應(yīng)用如文獻(xiàn)[4-7]。

在基于北斗報(bào)文的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸過(guò)程分為以下幾個(gè)步驟：（1）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)發(fā)送端即北斗終端上傳到北斗衛(wèi)星；（2）北斗衛(wèi)星向地面中心站轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；（3）接收端通過(guò)北斗終端從地面中心站獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。但是北斗報(bào)文服務(wù)的通信頻度是每分鐘一次，每次最多傳輸80 Byte[8-9]，因此以北斗報(bào)文服務(wù)作為物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸主干的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在傳輸大量數(shù)據(jù)時(shí)，必須采取有效措施提高北斗報(bào)文遠(yuǎn)程傳輸?shù)挠行訹10]。

目前，基于北斗報(bào)文遠(yuǎn)程傳輸有效性的研究主要集中在國(guó)內(nèi)，國(guó)外專(zhuān)家學(xué)者很少針對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行深入研究。導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因有：（1）北斗報(bào)文服務(wù)是基于“北斗一代”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“有源定位”方式特有的服務(wù)，該服務(wù)是其他“無(wú)源定位”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)如GPS、GLONASS、GALILEO所不具備的；（2）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)起步較晚，其報(bào)文服務(wù)的覆蓋范圍是東經(jīng)80度到東經(jīng)150度，北緯5度到北緯55度，僅能夠覆蓋中國(guó)全境和亞洲部分地區(qū)，北斗報(bào)文用戶(hù)主要集中在國(guó)內(nèi)。為提高北斗報(bào)文遠(yuǎn)程傳輸有效性，文獻(xiàn)[11]提出了一種多SIM卡復(fù)用的北斗終端設(shè)計(jì)方案，將一臺(tái)北斗終端的SIM卡數(shù)量提高到多張，航天科技集團(tuán)公司772所研制的北斗大容量數(shù)據(jù)傳輸模塊也采用了類(lèi)似的處理方法，但是這種方法實(shí)際上是通過(guò)增加硬件成本來(lái)提高有效性。文獻(xiàn)[12]根據(jù)漢字GB2312編碼的特點(diǎn)，對(duì)GB2312編碼進(jìn)行重新映射，以減少表示每個(gè)漢字所需的二進(jìn)制位數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)北斗報(bào)文發(fā)送中漢字文本的壓縮以提高有效性，缺點(diǎn)是該壓縮方法僅針對(duì)漢字文本傳輸，適用范圍比較窄。文獻(xiàn)[13]提出將TCP/IP協(xié)議的控制機(jī)制應(yīng)用到北斗報(bào)文傳輸中，并結(jié)合北斗報(bào)文傳輸?shù)奶攸c(diǎn)制定了一種適用于北斗報(bào)文的長(zhǎng)報(bào)文通信協(xié)議，從而提高了有效性。雖然國(guó)外專(zhuān)門(mén)針對(duì)北斗報(bào)文遠(yuǎn)程傳輸有效性的研究比較少，但是可以通過(guò)參考國(guó)外遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸壓縮方向的研究，結(jié)合北斗報(bào)文特點(diǎn)制定提高北斗報(bào)文遠(yuǎn)程傳輸有效性的方法。目前比較典型的方法有：文獻(xiàn)[14]采用Huffman算法壓縮北斗報(bào)文數(shù)據(jù)，不足之處在于發(fā)送端必須額外發(fā)送Huffman算法的編碼樹(shù)，接收端才能根據(jù)編碼樹(shù)解壓出北斗報(bào)文數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[15]在自動(dòng)氣象站傳輸系統(tǒng)中采用預(yù)設(shè)LZW編碼和靜態(tài)Huffman編碼壓縮氣象數(shù)據(jù)，以提高北斗報(bào)文遠(yuǎn)程傳輸有效性。該方法無(wú)需傳輸LZW動(dòng)態(tài)編碼表和Huffman編碼樹(shù)信息，但是其適用范圍比較窄，因?yàn)閴嚎s時(shí)要求數(shù)據(jù)必須與編碼表預(yù)設(shè)的字符串一致。

2　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

基于北斗報(bào)文的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按照物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖1所示。其中感知層由各種傳感器組成，承擔(dān)采集信息的作用；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)信息傳遞，通過(guò)遠(yuǎn)程傳輸主干即北斗報(bào)文服務(wù)傳輸感知層獲取的信息；應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶(hù)的接口，提供分析、查詢(xún)、命令發(fā)布等功能供決策者和授權(quán)用戶(hù)訪問(wèn)。北斗終端配有通信接口，可以經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)RS-232串口和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信息交換。

3　數(shù)據(jù)傳輸有效性?xún)?yōu)化

定義1（遠(yuǎn)程傳輸有效性）遠(yuǎn)程傳輸有效性指待傳數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸?shù)男?，可以通過(guò)實(shí)際傳輸所節(jié)省的字節(jié)數(shù)和待傳數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)的比值η來(lái)量化。

Fig.1　Architecture based on Beidou message and Internet of things in real-time monitoring圖1　基于北斗報(bào)文的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

假設(shè)實(shí)際傳輸所占用的字節(jié)數(shù)為Wid，待傳數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為Wid_Save，那么遠(yuǎn)程傳輸有效性可以通過(guò)以下公式計(jì)算：

為提高北斗報(bào)文遠(yuǎn)程傳輸有效性，本文提出了一種適用于北斗報(bào)文的遠(yuǎn)程傳輸有效性?xún)?yōu)化機(jī)制（effectiveness optimization mechanism of remote transmission，EMRT）。這種機(jī)制按照北斗報(bào)文的遠(yuǎn)程傳輸有效性?xún)?yōu)化順序可以分為3個(gè)方面：（1）針對(duì)待傳記錄，壓縮記錄中冗余指標(biāo)的“指標(biāo)壓縮方法”（index compression method，ICM）；（2）針對(duì)待傳指標(biāo)，根據(jù)協(xié)議事先約定好去除雙方都知道的“外部包裝”的“要素壓縮方法”（element compression method，ECM）；（3）針對(duì)待傳指標(biāo)要素，壓縮高4位的“位壓縮方法”（bit compression method，BCM）。

定義2（記錄）北斗報(bào)文有固定的指令格式，具體包括“報(bào)文標(biāo)志”、“長(zhǎng)度”、“地址”、“報(bào)文內(nèi)容”、“校驗(yàn)和”這5部分。北斗報(bào)文組幀過(guò)程中，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)于“報(bào)文內(nèi)容”部分，本文為了便于描述將該部分稱(chēng)為一條記錄，并用mes表示。同時(shí)為了區(qū)分不同時(shí)間發(fā)送的記錄，將記錄按照發(fā)送時(shí)間的先后排序，首次發(fā)出的記錄用mes1表示，第t次發(fā)出的記錄用mest表示。

定義3（指標(biāo)）在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中能夠反應(yīng)監(jiān)測(cè)區(qū)域狀態(tài)的諸如時(shí)間、地點(diǎn)、溫度等類(lèi)型的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)稱(chēng)為指標(biāo)，用I表示。

根據(jù)定義可知記錄是由一定數(shù)量的指標(biāo)組成的。如圖2所示，I的上標(biāo)表示其所在記錄的發(fā)送序號(hào)，下標(biāo)表示指標(biāo)在記錄中的序號(hào)，如分別表示第t次發(fā)出的記錄mest的前3個(gè)指標(biāo)。

Fig.2　Composition ofmest圖2　記錄mest組成示意圖

3.1指標(biāo)壓縮方法

在基于北斗報(bào)文的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，可以依據(jù)指標(biāo)的重要程度將指標(biāo)分為緊急指標(biāo)、普通指標(biāo)和冗余指標(biāo)。監(jiān)測(cè)區(qū)域無(wú)異常情況下，記錄中存在大量非常近似的冗余指標(biāo)。ICM的優(yōu)勢(shì)是可以在報(bào)文組幀時(shí)直接減少冗余指標(biāo)的發(fā)送數(shù)量，如圖3所示，冗余指標(biāo)在報(bào)文組幀時(shí)被壓縮，該次記錄中發(fā)送指標(biāo)數(shù)量由11個(gè)下降至6個(gè)。

Fig.3　Composition of ICM圖3　ICM示意圖

ICM的特點(diǎn)是記錄中冗余指標(biāo)被壓縮后，每一條記錄發(fā)送的指標(biāo)數(shù)量不再固定，各個(gè)指標(biāo)發(fā)送頻率是動(dòng)態(tài)變化的。雖然上面ICM可以在報(bào)文組幀時(shí)直接減少冗余指標(biāo)的發(fā)送數(shù)量，但是指標(biāo)發(fā)送頻率動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)增加了接收端報(bào)文解析的難度，因?yàn)榻邮斩藷o(wú)法識(shí)別被壓縮的冗余指標(biāo)在記錄中的位置和數(shù)量。此外，ICM方法缺少可靠的標(biāo)準(zhǔn)，記錄中哪些指標(biāo)屬于可壓縮指標(biāo)難以確定。基于以上考慮，ICM不適合直接應(yīng)用于北斗報(bào)文，需要進(jìn)一步改進(jìn)。本文通過(guò)采用“變頻組幀調(diào)度”設(shè)計(jì)和“位映射隊(duì)列”設(shè)計(jì)解決這些問(wèn)題。

3.1.1變頻組幀調(diào)度設(shè)計(jì)

變頻組幀調(diào)度設(shè)計(jì)包括：（1）設(shè)置指標(biāo)調(diào)度閾值；（2）量化指標(biāo)的近似程度；（3）通過(guò)隊(duì)列調(diào)度確定記錄中可壓縮的冗余指標(biāo)。

指標(biāo)調(diào)度閾值的設(shè)置比較簡(jiǎn)單，可以由監(jiān)測(cè)人員根據(jù)監(jiān)測(cè)精度要求設(shè)置。為了區(qū)分緊急指標(biāo)、普通指標(biāo)和冗余指標(biāo)，將閾值設(shè)置為緊急閾值?1和普通閾值?2（?1≥?2）。下面詳細(xì)分析量化指標(biāo)近似程度和通過(guò)隊(duì)列調(diào)度確定記錄中可壓縮冗余指標(biāo)的設(shè)計(jì)。

指標(biāo)的近似程度可以用指標(biāo)差的絕對(duì)值來(lái)量化：將mest中指標(biāo)和中對(duì)應(yīng)指標(biāo)分別作差并取絕對(duì)值，得到即代表了各個(gè)指標(biāo)在北斗報(bào)文兩次發(fā)送時(shí)間間隔內(nèi)的近似程度。

北斗報(bào)文組幀時(shí)根據(jù)?1、?2、di將指標(biāo)劃分進(jìn)3個(gè)發(fā)送隊(duì)列：緊急發(fā)送隊(duì)列Q1、普通發(fā)送隊(duì)列Q2和冗余發(fā)送隊(duì)列Q3。

Fig.4　Flowchart of frequency framing scheduling圖4　變頻組幀調(diào)度流程圖

①如果di≥?1，表明是緊急指標(biāo)，監(jiān)測(cè)區(qū)域存在發(fā)生緊急情況的可能，屬于Q1；

②如果?2≤di

③如果di≤?2，表明是冗余指標(biāo)，屬于Q3。

①如果di≥?1，表明也是緊急指標(biāo)，監(jiān)測(cè)區(qū)域存在緊急情況的可能性進(jìn)一步增大，屬于Q1；

②如果di

如圖5所示，Q1、Q2、Q3都是虛擬隊(duì)列，其目的是在組幀調(diào)度時(shí)賦予虛擬隊(duì)列中指標(biāo)不同的發(fā)送方式：

（1）Q1、Q2隊(duì)列中指標(biāo)采取“占位發(fā)送”即正常發(fā)送的方式，而且Q1擁有比Q2更高的發(fā)送優(yōu)先級(jí)，傳輸鏈路擁塞時(shí)優(yōu)先發(fā)送Q1。

（2）Q3隊(duì)列中的指標(biāo)是“冗余指標(biāo)”，采用“不占位發(fā)送”的方式壓縮該指標(biāo)。該發(fā)送方式下，記錄中屬于Q3隊(duì)列的指標(biāo)不發(fā)送，在記錄中的位置由記錄中下一個(gè)屬于Q1或Q2的指標(biāo)占用。

定義4（單指標(biāo)變頻壓縮率）設(shè)歷史上第i個(gè)指標(biāo)的總記錄數(shù)為Numsum，經(jīng)變頻組幀調(diào)度后多個(gè)記錄中該指標(biāo)“不占位發(fā)送”，設(shè)歷史上該指標(biāo)“占位發(fā)送”的記錄數(shù)為Nummerg，則單指標(biāo)變頻壓縮率Comi為：

Fig.5　Index transmission method of frequency framing scheduling圖5　變頻組幀隊(duì)列調(diào)度指標(biāo)發(fā)送方式示意圖

根據(jù)計(jì)算公式可知單指標(biāo)變頻壓縮率為“占位發(fā)送”的記錄數(shù)與總記錄數(shù)的比值，該值越小表明變頻組幀隊(duì)列調(diào)度效果越好。表1以某氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)10條歷史記錄中的“空氣溫度值”這一指標(biāo)為例計(jì)算單指標(biāo)變頻壓縮率，該監(jiān)測(cè)中設(shè)定?1=0.1，?2=0.01。

通過(guò)表1可以得出結(jié)論：mes2、mes4的“空氣溫度值”指標(biāo)“不占位發(fā)送”，單指標(biāo)變頻壓縮率Comi=80%。

3.1.2位映射隊(duì)列設(shè)計(jì)

若接收端接收到的當(dāng)前記錄中存在“不占位發(fā)送”的指標(biāo)，可以通過(guò)調(diào)取接收到的上一條記錄中對(duì)應(yīng)指標(biāo)補(bǔ)齊當(dāng)前記錄。以接收端接收到的記錄mest為例，若mest中指標(biāo)不占位發(fā)送”，接收端可以通過(guò)調(diào)取mest-1中指標(biāo)補(bǔ)齊記錄mest。

Table 1　Record of single index frequency compression表1　單指標(biāo)變頻壓縮記錄表

接收端為補(bǔ)齊當(dāng)前記錄必須從發(fā)送端獲取以下信息：一是變頻組幀調(diào)度后，記錄中各個(gè)指標(biāo)是否“不占位發(fā)送”的信息；二是當(dāng)壓縮效果不理想，記錄必須分多包發(fā)送時(shí)發(fā)送端的分包信息。ICM通過(guò)“位映射隊(duì)列”設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以上信息從發(fā)送端到接收端的傳輸。

位映射隊(duì)列設(shè)計(jì)將記錄設(shè)計(jì)為兩個(gè)存在映射關(guān)系的隊(duì)列，即“報(bào)頭隊(duì)列”和“數(shù)值隊(duì)列”。

（1）報(bào)頭隊(duì)列（Head_Que）。Head_Que用二進(jìn)制數(shù)碼“0”和“1”表示，每2位可以映射一個(gè)指標(biāo)在本記錄中的發(fā)送狀態(tài)：第1位用于描述指標(biāo)是否屬于該分包；第2位用于描述指標(biāo)是否“占位發(fā)送”?！?1”代表所映射指標(biāo)屬于該分包并且“占位發(fā)送”；“10”代表所映射指標(biāo)屬于該分包并且“不占位發(fā)送”；“01”代表所映射指標(biāo)不屬于該分包并且在其所屬分包中“占位發(fā)送”；“00”代表所映射指標(biāo)不屬于該分包并且在其所屬分包中“不占位發(fā)送”。

（2）數(shù)值隊(duì)列（Data_Que）。Data_Que存儲(chǔ)記錄中“占位發(fā)送”指標(biāo)，用AscII碼數(shù)字表示，每一個(gè)指標(biāo)都能在Head_Que中找到代表其發(fā)送狀態(tài)的映射。

如圖6所示，某基于北斗報(bào)文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共有n個(gè)指標(biāo)，分兩包即mest-1和mest發(fā)送，接收端根據(jù)Head_Que獲得以下信息：

Fig.6　Bitmapped queue design圖6　位映射隊(duì)列設(shè)計(jì)示意圖

（1）mest-1的Head_Que前m個(gè)映射第1位全部為“1”，表明該分包發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的前m個(gè)指標(biāo)；mest的Heda_Que從第m+1至第n個(gè)映射第1位全部為“1”，表明該分包發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的后n-m個(gè)指標(biāo)。

（2）mest-1的Head_Que第2、第3映射第2位為“0”，表明該分包中、不占位發(fā)送”；mest的 Heda_Que第4、第5映射第2位為“0”，表明該分包中、不占位發(fā)送”。

3.2要素壓縮方法

定義5（指標(biāo)要素）本文總結(jié)出指標(biāo)包括8個(gè)組成要素，即監(jiān)測(cè)時(shí)間Tim、監(jiān)測(cè)地點(diǎn)Loc、指標(biāo)名稱(chēng)Nam、正負(fù)號(hào)Sign、整數(shù)部分Int、小數(shù)點(diǎn)Poin、小數(shù)部分Frac、指標(biāo)單位Unit，它們構(gòu)成一個(gè)完整的指標(biāo)。這8個(gè)指標(biāo)要素寬度分別用Wid_Tim、Wid_Loc、Wid_Nam、Wid_Sign、Wid_Int、Wid_Poin、Wid_Frac、Wid_Unit表示。

在基于北斗報(bào)文服務(wù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中由于遠(yuǎn)程傳輸帶寬受限，將記錄中指標(biāo)以8要素的形式發(fā)送很浪費(fèi)通信資源。ECM的優(yōu)勢(shì)是可以去除指標(biāo)“外部包裝”，將每一個(gè)指標(biāo)都以更少的字節(jié)數(shù)發(fā)送。例如文獻(xiàn)[16]在水文監(jiān)測(cè)中將水位觀測(cè)量這一指標(biāo)統(tǒng)一僅以5位數(shù)值的形式發(fā)送，如果不滿(mǎn)5位則前面補(bǔ)0。但是這種去除“外部包裝”的方法沒(méi)有考慮到不同監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、不同指標(biāo)間數(shù)值長(zhǎng)度不同的情況，因而適用范圍較窄[17-19]。本文在這種處理方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出改進(jìn)的“要素壓縮方法（ECM）”。

ECM將指標(biāo)的8個(gè)組成要素按照要素壓縮條件分為無(wú)條件壓縮、有條件壓縮和不可壓縮3種類(lèi)型，并給出了壓縮條件和處理方法，如圖7所示。

無(wú)條件壓縮指標(biāo)要素（Index_Uncond）：即經(jīng)過(guò)發(fā)送和接收端協(xié)商確認(rèn)后在任何條件下都可以被壓縮的指標(biāo)要素，包括Nam、Poin和Unit。無(wú)條件壓縮指標(biāo)要素寬度用Widcom_Uncond表示。

針對(duì)Nam，只要該指標(biāo)在所有發(fā)送的指標(biāo)相對(duì)位置固定且總長(zhǎng)度確定，接收端就可以通過(guò)指標(biāo)的相對(duì)位置和寬度從接收的信息中把該要素分離出來(lái)，因此該要素可以省略；針對(duì)Poin，只要指標(biāo)小數(shù)部分Frac的保留位數(shù)確定，就可以通過(guò)對(duì)該指標(biāo)值擴(kuò)大10Wid_Frac倍，將浮點(diǎn)數(shù)變成整數(shù)來(lái)省略，接收端將接收到的數(shù)據(jù)縮小10Wid_Frac倍即可還原出浮點(diǎn)數(shù)，因此該要素可以省略；Unit一般都是確定的，只要發(fā)送和接收端協(xié)商確認(rèn)后就可以省略。

有條件壓縮指標(biāo)要素（Index_Cond）：即根據(jù)情況可以壓縮的指標(biāo)要素，包括Tim、Loc、Sign；Index_ Cond寬度用Widcom_Cond表示。

（1）Tim的省略：監(jiān)測(cè)方與接收端如果進(jìn)行了時(shí)鐘同步，并且監(jiān)測(cè)的頻率固定就可以省略，否則就不能省略，例如若監(jiān)測(cè)的指標(biāo)是觸發(fā)式的而不是固定監(jiān)測(cè)頻率就不能省略。

（2）Loc的省略：如果監(jiān)測(cè)地點(diǎn)固定，則監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的名稱(chēng)只要發(fā)送和接收端協(xié)議協(xié)商確認(rèn)后就可以省略，如果是機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)和應(yīng)急監(jiān)測(cè)則不能省略。

（3）Sign的省略：如果監(jiān)測(cè)指標(biāo)沒(méi)有負(fù)值，則可以省略，否則不能省略，并用數(shù)值“0”代替正號(hào)，“1”代替負(fù)號(hào)。

不可壓縮指標(biāo)要素（Index_Uncomp）：即ECM中不可壓縮的要素，包括Int和Frac。Index_Uncomp寬度用Wid_Uncomp表示。

不可壓縮指標(biāo)要素并不是絕對(duì)不能壓縮，本文前面設(shè)計(jì)變頻組幀調(diào)度即是對(duì)這兩部分進(jìn)行不丟數(shù)值的“省略”。

定義6（有效指標(biāo)要素，Index_Save）即完整的指標(biāo)經(jīng)過(guò)ECM壓縮后保留的待傳指標(biāo)要素，其寬度用Wid_Save表示。

Fig.7　Composition of ECM圖7　ECM示意圖

3.3位壓縮方法

北斗報(bào)文通過(guò)北斗終端發(fā)送前還可以采用合適的壓縮方法進(jìn)一步提高遠(yuǎn)程傳輸有效性。壓縮方法分為有損壓縮和無(wú)損壓縮兩大類(lèi)：有損壓縮的壓縮比高，但是無(wú)法完全還原出源文件；無(wú)損壓縮的壓縮比低，但是可以精準(zhǔn)還原出源文件。對(duì)于文本壓縮，尤其是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)這種精度要求比較高的文本壓縮，一般選用無(wú)損壓縮方法。常見(jiàn)的無(wú)損壓縮方法包括LZ系列壓縮方法、Huffman壓縮方法、半字節(jié)壓縮方法等。本文提出的位壓縮方法BCM實(shí)際上是根據(jù)北斗報(bào)文的特點(diǎn)選用半字節(jié)壓縮方法壓縮掉記錄中冗余的二進(jìn)制位。BCM的優(yōu)勢(shì)是北斗報(bào)文經(jīng)過(guò)ICM和ECM優(yōu)化處理后Data_Que中只包含有“0～9”的數(shù)值，而數(shù)值“0～9”的AscII碼高4位都是“0011”，采用半字節(jié)壓縮方法可以直接壓縮掉Data_Que編碼的高4位而無(wú)需額外傳輸字典、編碼表等字節(jié)。

如表2所示，數(shù)字“0～9”的AscII碼高4位都是“0011”，BCM的原理就是將每一個(gè)數(shù)字都只用其低4位來(lái)描述，進(jìn)而壓縮掉編碼的高4位，壓縮比理論上接近50%。

Table 2　AscII code comparison of“0～9”表2　數(shù)字“0～9”AscII碼對(duì)照表

BCM算法的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)C語(yǔ)言中的位操作命令將每個(gè)字節(jié)的高4位去掉，然后依次將相鄰的兩個(gè)低4位放到一個(gè)字節(jié)中，如圖8所示。

Fig.8　Composition of BCM圖8　BCM示意圖

4　EMRT數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與更新

4.1發(fā)送端數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與更新

監(jiān)測(cè)記錄在通過(guò)北斗報(bào)文發(fā)送前統(tǒng)一存儲(chǔ)在發(fā)送端數(shù)據(jù)庫(kù)中，本文提出的EMRT是通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)和調(diào)用實(shí)現(xiàn)的。以下論述基于EMRT的發(fā)送端數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與更新過(guò)程，并通過(guò)表3～表5，以某基于北斗報(bào)文的氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例進(jìn)行說(shuō)明。

該數(shù)據(jù)庫(kù)有6個(gè)主要字段，分別是序號(hào)（Num）、報(bào)文發(fā)送時(shí)間（Send_Time）、記錄類(lèi)型（Mes_Type）、報(bào)頭隊(duì)列（Head_Que）、數(shù)值隊(duì)列（Data_Que）、有效指標(biāo)要素（Index_Save）。

（1）序號(hào)（Num）字段包括3部分：第1部分描述記錄在歷史上的發(fā)送次序，第2部分描述記錄最大分包數(shù)，第3部分描述當(dāng)前分包在記錄中的分包號(hào)；

（2）報(bào)文發(fā)送時(shí)間（Send_Time）字段描述記錄的發(fā)送時(shí)間；

（3）記錄類(lèi)型（Mes_Type）描述記錄是否分包，不分包用“0”描述，分包用“1”描述；

（4）報(bào)頭隊(duì)列（Head_Que）描述記錄中“報(bào)頭隊(duì)列”；

（5）數(shù)值隊(duì)列（Data_Que）描述記錄中“數(shù)值隊(duì)列”；

（6）有效指標(biāo)要素（Index_Save）描述記錄中各個(gè)指標(biāo)的有效指標(biāo)要素。

發(fā)送端網(wǎng)關(guān)接收到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，通過(guò)以下步驟完成北斗報(bào)文組幀并更新數(shù)據(jù)庫(kù)：

步驟1根據(jù)ICM去除指標(biāo)“外部包裝”，并將有效指標(biāo)要素存入Index_Save字段。

步驟2判定記錄是否分包，將記錄類(lèi)型存入Mes_Type字段，并根據(jù)記錄最大分包數(shù)和分包發(fā)送順序補(bǔ)齊Num字段。

步驟3通過(guò)ECM壓縮Index_Save字段，并將壓縮后記錄存入Data_Que字段。

步驟4根據(jù)指標(biāo)是否“占位發(fā)送”，結(jié)合Mes_Type補(bǔ)齊Head_Que。

步驟5將Head_Que以二進(jìn)制形式、Data_Que以半字節(jié)的形式發(fā)送，報(bào)文組幀完畢。

步驟6將記錄發(fā)送時(shí)間填入Send_Time，數(shù)據(jù)庫(kù)更新完畢。

某基于北斗報(bào)文的氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)地點(diǎn)固定，有11個(gè)指標(biāo)且記錄發(fā)送頻率設(shè)置為2分鐘一次，表3～表5為該地區(qū)2014年8月12日發(fā)送的3次北斗報(bào)文在發(fā)送端數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)形式。

Table 3　Storage format of Beidou message at the first send表3　第1次發(fā)送北斗報(bào)文存儲(chǔ)形式

Table 4　Storage format of Beidou message at the second send表4　第2次發(fā)送北斗報(bào)文存儲(chǔ)形式

Table 5　Storage format of Beidou message at the third send表5　第3次發(fā)送北斗報(bào)文存儲(chǔ)形式

4.2接收端數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與更新

基于EMRT的接收端根據(jù)接收到的北斗報(bào)文解析出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并統(tǒng)一存儲(chǔ)在接收端數(shù)據(jù)庫(kù)中，該數(shù)據(jù)庫(kù)的字段設(shè)置與發(fā)送端數(shù)據(jù)庫(kù)基本一致，其字段說(shuō)明不予贅述。北斗報(bào)文解析與數(shù)據(jù)庫(kù)更新過(guò)程如下：

步驟1將北斗報(bào)文接收時(shí)間填入Rec_Time字段。

步驟2從接收數(shù)據(jù)碼流中提取出“報(bào)頭隊(duì)列”，將“報(bào)頭隊(duì)列”中二進(jìn)制形式的“0”和“1”用AscII碼數(shù)值“0”和“1”表示，并存入Head_Que字段。

步驟3根據(jù)Head_Que中映射第1位判斷記錄分包信息，將分包類(lèi)型填入Mes_Type字段，分包發(fā)送用“1”描述，不分包發(fā)送用“0”描述。

步驟4從接收數(shù)據(jù)碼流中提取出半字節(jié)形式傳輸?shù)摹皵?shù)值隊(duì)列”，解壓后以AscII碼形式存入Data_ Que。

步驟5根據(jù)Head_Que和Data_Que字段數(shù)值補(bǔ)齊Index_Save字段，如果指標(biāo)“不占字節(jié)發(fā)送”，則通過(guò)mest-1中記錄代替。

步驟6北斗報(bào)文解析與數(shù)據(jù)庫(kù)更新完畢。

表6～表8為某基于北斗報(bào)文的氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接收端2014年8月12日接收的3條記錄在接收端數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)形式。

5　數(shù)據(jù)傳輸有效性分析與實(shí)例

綜上所述，ICM、ECM、BCM這3種方法提高遠(yuǎn)程傳輸有效性的實(shí)質(zhì)就是對(duì)報(bào)文內(nèi)容中的記錄、要素、編碼進(jìn)行不同形式、不同程度的壓縮，進(jìn)而達(dá)到提高遠(yuǎn)程傳輸有效性的目的。下面對(duì)EMRT遠(yuǎn)程傳輸有效性進(jìn)行分析，并通過(guò)示例進(jìn)行驗(yàn)證。

5.1EMRT有效性分析

設(shè)在實(shí)際監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中待傳指標(biāo)數(shù)為n，歷史統(tǒng)計(jì)各個(gè)指標(biāo)的單指標(biāo)變頻壓縮率Comi，每個(gè)指標(biāo)的有效要素位寬Wid_Savei已知，求該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于EMRT遠(yuǎn)程傳輸有效性。

Table 6　Storage format of Beidou message at the first receive表6　第1次接收北斗報(bào)文存儲(chǔ)形式

Table 7　Storage format of Beidou message at the second receive表7　第2次接收北斗報(bào)文存儲(chǔ)形式

Table 8　Storage format of Beidou message at the third receive表8　第3次接收北斗報(bào)文存儲(chǔ)形式

首先計(jì)算北斗單次可傳輸?shù)淖畲笾笜?biāo)個(gè)數(shù)k（k≤n），k由下列公式確定：

壓縮率取最大值時(shí)k得到最小值，即Commax=max(Comi)時(shí)最少可傳輸?shù)谋O(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)k由式（3）決定，在極端情況壓縮率為1時(shí)，k取最小值：

壓縮率取最小值時(shí)k得到最大值，即Commin=min(Comi)時(shí)全部n個(gè)指標(biāo)都可以通過(guò)報(bào)文發(fā)送，k取最大值，即k=n。

k值確定后，可以計(jì)算一條記錄最多分包數(shù)Numpack：

記錄在經(jīng)過(guò)EMRT，即ICM、ECM、BCM后，實(shí)際傳輸?shù)膬?nèi)容即Data_Que和Head_Que兩部分。

Data_Que的寬度Widdata與記錄分包數(shù)無(wú)關(guān)，其值為：

Head_Que的寬度Widhead與記錄分包數(shù)相關(guān)，每增加一個(gè)分包就額外增加一個(gè)Head_Que，其值為：

根據(jù)定義可知遠(yuǎn)程傳輸有效性η為實(shí)際傳輸所占用的字節(jié)數(shù)和待傳數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)的比值，在EMRT中傳輸所占用的字節(jié)數(shù)為Data_Que寬度與Head_Que寬度之和，待傳數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為記錄中“去除外部包裝”后的有效指標(biāo)要素寬度。那么EMRT方法遠(yuǎn)程傳輸有效性ηEMRT計(jì)算公式為：

將Widdata、Widhead帶入EMRT有效性計(jì)算公式得到：

5.2EMRT有效性驗(yàn)證實(shí)例

為了驗(yàn)證基于EMRT的有效性，本文取某基于北斗報(bào)文的氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2014年12月26日0:01至2014年12月27日0:01共720條記錄進(jìn)行分析。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本情況為：共有11個(gè)指標(biāo)，分別是溫度、濕度、光照度、地表溫度、地下溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、雨量、太陽(yáng)能板溫度、電池電壓；監(jiān)測(cè)地點(diǎn)固定，監(jiān)測(cè)頻率設(shè)定為2 min一次；?2設(shè)定為各個(gè)指標(biāo)最小精度值，?1設(shè)定為10?2。

（1）根據(jù)ICM可以得到當(dāng)天各個(gè)指標(biāo)“占位發(fā)送”的記錄數(shù)Nummerg和各個(gè)指標(biāo)的單指標(biāo)變頻壓縮率Comi，如表9所示。

Table 9 Effectiveness comparison of EMRT for weather monitoring system based on Beidou message表9　某基于北斗報(bào)文的氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)EMRT有效性對(duì)照表

（2）根據(jù)ECM計(jì)算每個(gè)指標(biāo)的有效要素位寬Wid_Savei，如表9“Wid_Savei”列所示。

（3）根據(jù)公式可計(jì)算北斗單次可傳輸?shù)淖畲笾笜?biāo)個(gè)數(shù)k=11，Numpack=1，記錄不分包。

（6）計(jì)算EMRT的遠(yuǎn)程傳輸有效性：

這表明基于北斗報(bào)文的氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2014年12 月26日0:01至2014年12月27日0:01采用EMRT后，在?2設(shè)定為各個(gè)指標(biāo)最小精度值，?1設(shè)定為10 ?2的條件下遠(yuǎn)程傳輸有效性為66.35%。

在以上基于北斗報(bào)文的氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的EMRT遠(yuǎn)程傳輸有效性分析中，?2設(shè)定為各個(gè)指標(biāo)最小精度值也就意味著在變頻組幀隊(duì)列調(diào)度中指標(biāo)的近似程度di值小于指標(biāo)最小精度值時(shí)才有可能被調(diào)入Q3。如果該基于北斗報(bào)文的氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)指標(biāo)精度要求較低，?2可以設(shè)定為某個(gè)更高的值，那么在變頻組幀隊(duì)列調(diào)度中有更多的指標(biāo)被調(diào)入Q3，表現(xiàn)為“不占位發(fā)送”的指標(biāo)數(shù)量增加，EMRT的有效性將得到提升。

為進(jìn)一步驗(yàn)證EMRT方法在監(jiān)測(cè)區(qū)域不同精度要求下的遠(yuǎn)程傳輸有效性，取某基于北斗報(bào)文的生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2014年9月1日00時(shí)至2014年9月30 日23時(shí)共30天的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本情況為：共有12個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，分別是SO2濃度、CO濃度、NO濃度、NO2濃度、NOX濃度、O3濃度、PM10濃度、PM2.5濃度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、大氣壓；各個(gè)指標(biāo)的Wid_Save分別是3Byte、4Byte、3Byte、3Byte、3 Byte、3 Byte、4 Byte、4 Byte、3 Byte、3 Byte、3 Byte、6 Byte；監(jiān)測(cè)地點(diǎn)固定，監(jiān)測(cè)頻率設(shè)定為每60 min一次。將各個(gè)指標(biāo)的最小精度值用prei（i=0，1，…,12）表示，下面分析在?1=10?2前提下，?2=prei，?2=5prei，?2=10prei這3種情況下該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連續(xù)30天EMRT遠(yuǎn)程傳輸有效性。根據(jù)EMRT有效性計(jì)算公式和以上某基于北斗報(bào)文的氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)EMRT計(jì)算示例分別計(jì)算?2=prei，?2=5prei，?2=10prei情況下該基于北斗報(bào)文的生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從2014年9月1日00時(shí)至2014年9月30日23時(shí)共30天EMRT遠(yuǎn)程傳輸有效性，如圖9所示。

從圖9中可以看出，EMRT有效性有兩個(gè)特點(diǎn)：

（1）在?2值固定的條件下，EMRT有效性不是固定不變的，而是隨時(shí)間不同呈現(xiàn)出起伏變化。這是因?yàn)樵摫O(jiān)測(cè)區(qū)域每天的狀態(tài)變化幅度都不同，經(jīng)過(guò)EMRT壓縮掉的冗余指標(biāo)數(shù)量每天、每小時(shí)都是動(dòng)態(tài)變化的，表現(xiàn)為EMRT有效性的動(dòng)態(tài)變化。在?2值固定的條件下，EMRT有效性的動(dòng)態(tài)變化如表10所示。

Fig.9　Curve of remote transmission effectivenessbased on EMRT圖9　EMRT遠(yuǎn)程傳輸有效性曲線圖

Table 10　Dynamic change of effectiveness of EMRT表10　EMRT有效性動(dòng)態(tài)變化表

（2）?2取值影響EMRT有效性，即不同精度要求下EMRT有效性有顯著差異。在?2=prei，?2=5prei，?2=10prei3種不同精度要求下，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)30天內(nèi)EMRT有效性平均值分別為59.47%、68.58%、74.04%。

文獻(xiàn)[15]提出在自動(dòng)氣象站遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)中采用預(yù)設(shè)LZW編碼和靜態(tài)Huffman編碼壓縮氣象數(shù)據(jù)以提高北斗報(bào)文遠(yuǎn)程傳輸有效性，通過(guò)對(duì)200幀北斗報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，統(tǒng)計(jì)得出該方法平均有效性在65%左右。文獻(xiàn)[16]提出在經(jīng)過(guò)數(shù)值處理的水文監(jiān)測(cè)指標(biāo)通過(guò)北斗報(bào)文遠(yuǎn)程傳輸前以LZ78編碼算法進(jìn)行壓縮，通過(guò)對(duì)240 bit共12組數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，最終得到192 bit，其有效性為20%。文獻(xiàn)[15]和文獻(xiàn)[16]提出的兩種方法是當(dāng)前北斗報(bào)文遠(yuǎn)程傳輸有效性研究中比較典型的兩種方法：第一種采用預(yù)設(shè)LZW和靜態(tài)Huffman編碼壓縮數(shù)據(jù)的方法有效性比較理想，但是在壓縮時(shí)要求數(shù)據(jù)必須與編碼表預(yù)設(shè)的字符串一致，導(dǎo)致該方法的適用范圍受限；第二種方法實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單，但是有效性比較低。EMRT與以上兩種方法相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）EMRT方法綜合考慮到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指標(biāo)處理、北斗報(bào)文組幀發(fā)送與接收過(guò)程，非常適用于以北斗報(bào)文作為遠(yuǎn)程傳輸手段的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；（2）EMRT方法的遠(yuǎn)程傳輸有效性比較高，如圖9所示，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度要求比較高的情況下EMRT有效性最低為55.46%，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度要求比較低的情況下最高為79.66%。

6　結(jié)論

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為未來(lái)科技發(fā)展的一個(gè)重要方向，國(guó)家投入了大量資源用以研究。北斗報(bào)文服務(wù)是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具備的區(qū)別其他衛(wèi)星定位系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)，其雙向通信功能作為物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程主干傳輸手段非常適合應(yīng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，尤其是偏遠(yuǎn)地區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在國(guó)內(nèi)水文、氣象、地質(zhì)、交通、森林防火、海洋漁業(yè)等領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)揮了重要作用。就目前現(xiàn)狀來(lái)看，雖然其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，但是應(yīng)用研究還不夠深入。例如在北斗報(bào)文傳輸頻度和單次傳輸量限制下，相關(guān)專(zhuān)家學(xué)者為提高遠(yuǎn)程傳輸有效性采用的方法主要分為3種類(lèi)型：（1）增加成本投入，這種方法比較常見(jiàn)的是使用多臺(tái)北斗終端分發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；（2）進(jìn)行硬件改動(dòng)，最典型的是在一臺(tái)北斗終端上集成多張SIM卡；（3）搭建軟件環(huán)境，一般是通過(guò)壓縮算法實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的文本壓縮。第一種類(lèi)型在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位較多的情況下成本過(guò)大；第二種類(lèi)型實(shí)現(xiàn)難度大且硬件改動(dòng)同樣會(huì)增加成本；第三種類(lèi)型實(shí)現(xiàn)難度小且成本投入低。

本文通過(guò)搭建軟件環(huán)境的方式提高基于北斗報(bào)文服務(wù)的遠(yuǎn)程傳輸有效性，為此提出了一種遠(yuǎn)程傳輸有效性?xún)?yōu)化機(jī)制。這種機(jī)制包括3個(gè)步驟ICM、ECM和BCM，而不是單調(diào)采用某一種壓縮算法。理論分析和實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證表明，這些機(jī)制對(duì)提高北斗傳輸有效性具有顯著作用。

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TIAN Liqin was born in 1970.He received the Ph.D.degree in information engineering from Beijing University of Science and Technology in 2009.He made post-doctoral research in Tsinghua University from 2009 to 2011.Now he is a professor and Ph.D.supervisor at North China Institute of Science and Technology.His research interests include computer networks,performance evaluation,network security and Internet of things,etc.

田立勤（1970—），男，陜西定邊人，2009年于北京科技大學(xué)獲得博士學(xué)位，2009—2011年于清華大學(xué)從事博士后研究工作，現(xiàn)為華北科技學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)安全，物聯(lián)網(wǎng)等。發(fā)表學(xué)術(shù)論文80余篇，主持省級(jí)以上項(xiàng)目10項(xiàng)。

GAO Kun was born in 1989.He is an M.S.candidate at North China Institute of Science and Technology.His research interests include Internet of things and satellite navigation,etc.

高坤（1989—），男，安徽宿州人，華北科技學(xué)院碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)，衛(wèi)星導(dǎo)航等。

CAO Yangwei was born in 1988.He is an M.S.candidate at North China Institute of Science and Technology.His research interests include Internet of things,satellite navigation,high precision positioning and deformation monitoring,etc.

曹陽(yáng)威（1988—），男，河南開(kāi)封人，華北科技學(xué)院碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)，衛(wèi)星導(dǎo)航，高精準(zhǔn)定位，變形監(jiān)測(cè)等。

Effectiveness Optimization and Analysis of Transmission in Real-Time Monitoring Based on Beidou and Internet of Things?

TIAN Liqin+,GAO Kun,CAO Yangwei
Department of Computer Science and Technology,North China Institute of Science and Technology,Beijing 101601,China +Corresponding author:E-mail:tianliqin@tsinghua.org.cn

Internet of things combined with a variety of backbone transmission is very suitable for remote real-time monitoring,but in some areas,remote IT transmission trunk such as Internet,cable line usually does not exist,the GSM signal maybe weak or even cannot be found,in consideration of the economic point and the actual transmission environment,the message services provided by the Beidou satellite navigation system can be used.However the transmission frequency and the number of characters in each transmission sent by Beidou message are limited at present, this paper presents an effectiveness optimization mechanism of remote transmission(EMRT)that improves the efficiency of transmission sent by Beidou message services.This mechanism includes three main parts:(1“)Index compression method(ICM)”,which aims to compress redundancy indicators for the current message;(2)“Element compression method(ECM)”,which accords to the agreement agreed in advance to remove“external packaging”thatknown by both sides for the current indicators;(3)“Bit compression method(BCM)”,which aims to compress the first four bits for the current elements.At the same time,the effect analysis of EMRT on improving the effectiveness of transmission sent by Beidou message services are quantified,and the factors that affect the effectiveness of transmission sent by Beidou message services are analyzed too.The theoretical analysis and the actual data validation indicate that these mechanisms have a significant effect on improving the effectiveness of transmission sent by Beidou message services,and have important theoretical and practical significance to the transmission sent by Beidou message services in Chinese Beidou message services.

Internet of things;Beidou message;remote transmission;effectiveness

2015-05,Accepted 2015-11.

10.3778/j.issn.1673-9418.1505090

A

TP391

*The National Natural Science Foundation of China under Grant No.61472137(國(guó)家自然科學(xué)基金);the Fundamental Research Funds for the Central Universities of China under Grant No.3142015022(中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金);the Key Research Program of Hebei Prvince under Grant No.16273904D(河北省物聯(lián)網(wǎng)工程中心重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目);the Key Research Program of Qinghai Province under Grant No.2016-SF-130(青海省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目).

CNKI網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版:2015-11-13,http://www.cnki.net/kcms/detail/11.5602.TP.20151113.1627.002.html