姬文軍，王 騰

(衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，河北 石家莊 050081)

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)且具有通信能力的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，與GPS、GLALOS并稱為三大衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)[1]。與其他衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)不同的是，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有雙向短報文通信功能，可在移動通信網(wǎng)絡(luò)難以覆蓋的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)低成本衛(wèi)星通信[2-3]。

北斗短報文通信功能的實(shí)現(xiàn)主要依托北斗終端以及相應(yīng)軟件實(shí)現(xiàn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，安卓系統(tǒng)、藍(lán)牙[4-5]和WiFi等技術(shù)都被應(yīng)用在北斗終端里，這些新技術(shù)的引用使得智能手機(jī)可以通過相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)與北斗終端的無線互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)北斗短報文的收發(fā)。目前智能手機(jī)通過藍(lán)牙與北斗終端互聯(lián)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)短報文通信的模式已被廣泛應(yīng)用。

藍(lán)牙互聯(lián)技術(shù)的點(diǎn)對點(diǎn)通信特性，導(dǎo)致智能手機(jī)通過藍(lán)牙與北斗終端同一時刻只能一對一連接，且有效通信距離小于10 m。這樣的特性使得基于藍(lán)牙連接的北斗短報文通信模式難以實(shí)現(xiàn)多智能手機(jī)與單北斗終端的同時連接，難以實(shí)現(xiàn)組隊?wèi)敉庾鳂I(yè)的通信距離要求，也不利于北斗短報文通信資源的共享。

基于上述原因，提出基于WiFi多點(diǎn)接入[6]技術(shù)，該技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：① 實(shí)現(xiàn)了多智能手機(jī)與單北斗終端的互聯(lián)互通，從而實(shí)現(xiàn)北斗通信資源的實(shí)時共享；② 具有有效連接距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，野外可靠通信距離不小于30 m。由于該技術(shù)的特點(diǎn)，使得該技術(shù)更能適合組隊?wèi)敉庾鳂I(yè)應(yīng)用場景，能更好地實(shí)現(xiàn)北斗短報文通信資源的共享。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 短報文終端產(chǎn)品現(xiàn)狀

早期北斗終端多為分體設(shè)計，是將天線與主機(jī)分離，天線發(fā)送功率較大，收發(fā)成功率較高，比較典型的是北斗指揮機(jī)，但是由于其分體式體積大、對接口穩(wěn)定性要求較高和不易便攜等特點(diǎn)，難以滿足民用北斗終端市場的便攜易用需求，因此單體式北斗終端得到發(fā)展和應(yīng)用。單體式北斗終端將天線和主機(jī)融合在一起，雖然發(fā)射功率變小了，但避免了復(fù)雜走線的同時，體積大大縮小，更便于安裝、使用。隨著技術(shù)的發(fā)展，新一代的單體式終端已經(jīng)具備了搭載Android智能操作系統(tǒng)，配備WiFi、藍(lán)牙等外圍設(shè)備[7-8]的能力，這使得北斗終端可以通過藍(lán)牙、WiFi等無線手段與智能手機(jī)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)更為便捷的短報文收發(fā)，提高了北斗終端的易用性。

1.2 短報文通信軟件發(fā)展現(xiàn)狀

目前各類基于北斗短報文通信技術(shù)的軟件有多種，大多數(shù)以行業(yè)解決方案為主，涉及應(yīng)急通信、位置監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。包括漁船位置監(jiān)控、海上應(yīng)急救援、氣象監(jiān)測和水利水文監(jiān)測等，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊[9-10]。

相對于北斗終端的發(fā)展，短報文通信軟件最初無論是針對分體式北斗終端的上位機(jī)軟件還是針對單體式北斗終端的嵌入式軟件，操作繁瑣且只能一對一連接；直到Android等智能手機(jī)的興起，以及藍(lán)牙技術(shù)的成熟應(yīng)用，嵌入式北斗通信軟件開始采用智能手機(jī)通過藍(lán)牙互聯(lián)的方式與北斗短報文終端進(jìn)行連接，雖然藍(lán)牙互聯(lián)比有線方式方便許多，但智能手機(jī)和北斗終端同一時刻依然只能一對一連接[11]。

2 WiFi多點(diǎn)接入應(yīng)用技術(shù)

基于WiFi多點(diǎn)接入應(yīng)用技術(shù)是通過北斗終端作為WiFi熱點(diǎn)，智能手機(jī)通過該熱點(diǎn)與北斗終端關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息北斗短報文信息的收發(fā)，包含了3類通信模式：① 普通通信，即北斗終端利用WiFi熱點(diǎn)實(shí)現(xiàn)信息的通播，短報文中不包含目的標(biāo)識；② 隱私通信，短報文中含有智能手機(jī)的唯一標(biāo)識，即智能手機(jī)通過WiFi連接北斗終端，能可靠地接收發(fā)送給自身的北斗短報文信息，而不會被其他智能手機(jī)讀取；③ 緊急通信，即發(fā)送優(yōu)先級總是高于普通短報文，達(dá)到緊急通信的目的。為了順利實(shí)現(xiàn)這3類通信模式，涉及到自動路由尋址技術(shù)[12]、短報文發(fā)送緩存技術(shù)[13]和北斗信息發(fā)送策略3個關(guān)鍵技術(shù)[14]。

2.1 自動路由尋址技術(shù)

WiFi多點(diǎn)接入使得多個智能手機(jī)可以同時連接一臺北斗終端，在共享北斗通信資源的同時，保障通信的可靠性也就顯得尤為重要。通過自動路由尋址技術(shù)保證私密信息的發(fā)送方和接收方是同一個智能手機(jī)。

目前，存在2種自動路由尋址技術(shù)：

① 建立路由地址表，北斗終端通過查找路由地址表，可將信息精確地發(fā)送到指定的智能手機(jī)，實(shí)現(xiàn)信息的可靠發(fā)送，如圖1所示；

② 通過通播和目的標(biāo)識的方法，自定義通信協(xié)議，北斗終端通播收到的信息，智能手機(jī)端解析收到的信息并與目的標(biāo)識匹配，實(shí)現(xiàn)信息可靠發(fā)送，如圖2所示。

圖1 自動路由尋址技術(shù)

圖2 標(biāo)識識別尋址技術(shù)

對于這2種尋址技術(shù)，第1種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是簡化了智能手機(jī)的信息解析流程，而缺點(diǎn)是北斗終端需要實(shí)時解析信息從而確定信息的接收方，增大了北斗終端的信息處理負(fù)擔(dān)，尤其在連接數(shù)量較多的情況下，同時也提高了北斗終端在整個信息處理流程中的耦合性；第②種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是北斗終端只作為信息轉(zhuǎn)發(fā)的實(shí)體，在整個信息處理流程中，透明度較高，易于維護(hù)，而缺點(diǎn)是每個智能手機(jī)都需要將收到的通播信息進(jìn)行解析?；谙到y(tǒng)穩(wěn)定、可擴(kuò)展的要求，采用了第②種尋址技術(shù)實(shí)現(xiàn)短報文信息的發(fā)送和接收。

2.2 北斗信息發(fā)送策略

由于北斗通信資源有限，信息之間也有重要和不重要之分，采用傳統(tǒng)順序發(fā)送策略，易于實(shí)現(xiàn)，但由于沒有優(yōu)先級，北斗信息發(fā)送頻度的限制可能導(dǎo)致重要的信息難以及時發(fā)出。

針對上述問題，本文采用了基于優(yōu)先級的信息發(fā)送策略。在信息發(fā)送過程中，構(gòu)建多個優(yōu)先級的信息發(fā)送隊列，信息在發(fā)送時，北斗終端優(yōu)先發(fā)送高優(yōu)先級隊列的信息，然后再發(fā)送低優(yōu)先級隊列的信息，如圖3所示。

圖3 優(yōu)先級發(fā)送策略

2.3 短報文發(fā)送緩存技術(shù)

目前，短報文民用需求的迫切性與北斗通信資源的有限性存在著矛盾，為了確保通信的可靠性，在多個智能手機(jī)連接時，短報文發(fā)送需要采用發(fā)送緩存技術(shù)。

緩存技術(shù)是為了協(xié)調(diào)吞吐速度相差很大的設(shè)備/軟件之間數(shù)據(jù)傳送而采用的技術(shù)，根據(jù)硬件資源大小、連接終端數(shù)量的限制、發(fā)送策略的影響，發(fā)送緩存設(shè)計有環(huán)形緩存隊列和多優(yōu)先級緩存隊列2種。

其中，環(huán)形緩存隊列，兼顧了硬件資源和智能手機(jī)連接數(shù)限制；多優(yōu)先級緩存隊列滿足了信息優(yōu)先級發(fā)送策略，但由于環(huán)形緩存隊列存在不重要的信息覆蓋重要信息的可能性，因此多優(yōu)先級緩存隊列是最好的選擇。

3 WiFi應(yīng)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)分為2個部分：一是北斗終端中的軟件，主要負(fù)責(zé)WiFi熱點(diǎn)、智能手機(jī)唯一標(biāo)識和數(shù)據(jù)收發(fā)的管理；二是智能手機(jī)中的軟件，主要負(fù)責(zé)連接管理、數(shù)據(jù)收發(fā)與解析以及北斗信息識別，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 系統(tǒng)界面

系統(tǒng)共有3個主界面：

① 短報文收發(fā)界面，主要負(fù)責(zé)短報文解析、唯一標(biāo)識比對與報文顯示；

② 當(dāng)前北斗終端位置信息，主要負(fù)責(zé)展示當(dāng)前位置以及友鄰位置；

③ 北斗設(shè)備狀態(tài)信息界面，主要負(fù)責(zé)展示北斗終端及時信息與基本配置，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)界面

4 實(shí)驗

采用2臺不同品牌的智能手機(jī)，并標(biāo)注1號和2號，在開啟北斗終端WiFi熱點(diǎn)的情況下，2臺智能手機(jī)同時連接到該熱點(diǎn)，并分別與北斗終端進(jìn)行普通通信和隱私通信。通過對比2臺智能手機(jī)接收短報文情況來驗證自動路由尋址技術(shù)的可靠性；通過1號和2號智能手機(jī)連續(xù)進(jìn)行多次普通通信和緊急通信，根據(jù)短報文接收情況來驗證北斗信息發(fā)送策略與短報文發(fā)送緩存技術(shù)的合理性。

4.1 普通通信與隱私通信

在進(jìn)行普通通信時，使用1號智能手機(jī)，在新建或回復(fù)短報文時使用自發(fā)自收并選擇普通發(fā)送；在進(jìn)行隱私通信時，使用1號智能手機(jī)，在新建或回復(fù)短報文時使用自發(fā)自收并選擇隱私發(fā)送。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在1號智能手機(jī)發(fā)送普通短報文后，1號和2號智能手機(jī)同時收到了回復(fù)的短報文信息；而在1號智能手機(jī)發(fā)送隱私短報文后，只有1號智能手機(jī)收到了回復(fù)的短報文信息。由此驗證了在WiFi多點(diǎn)接入的情況下，通過通播和目的標(biāo)識實(shí)現(xiàn)了通信的可靠性。

4.2 普通通信與緊急通信

使用1號和2號智能手機(jī)，在新建或回復(fù)短報文時多次重復(fù)使用自發(fā)自收并隨機(jī)選擇普通發(fā)送和緊急發(fā)送。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論1號還是2號智能手機(jī)，在完成多次隨機(jī)發(fā)送后，都是首先收到緊急短報文信息，然后才收到普通短報文信息，并且所有通信申請均按通信頻度依次收到。由此驗證了在WiFi多點(diǎn)接入的情況下，采用多優(yōu)先級隊列結(jié)合短報文緩存技術(shù)的合理性。

5 結(jié)束語

針對當(dāng)前衛(wèi)星通信資源與民用短報文需求之間的矛盾，綜合分析了WiFi熱點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn)，提出了開發(fā)基于WiFi多點(diǎn)接入的北斗安卓應(yīng)用來共享北斗信道資源的方法。依托北斗多模一體機(jī)項目對北斗多模一體機(jī)進(jìn)行原型設(shè)計并展開測試驗證，測試結(jié)果表明，利用WiFi多點(diǎn)接入技術(shù)，與傳統(tǒng)利用藍(lán)牙接入技術(shù)相比，實(shí)現(xiàn)了多個智能手機(jī)同時連接北斗終端，并且每個智能手機(jī)之間相互獨(dú)立，同時增大了智能手機(jī)與北斗終端的有效連接距離。本文的研究成果提高了北斗通信信道的使用效率，降低了北斗終端消費(fèi)者的使用成本，加快了我國北斗民品應(yīng)用進(jìn)程。