陳輝 李玉葉 劉鑫宇

摘 要：為在獲取大范圍區(qū)域的實時氣象數(shù)據(jù)，提高各主副觀測站之間報文傳輸衛(wèi)星通訊效率，在設(shè)備性能、傳輸模式和穩(wěn)定性需求等差異化場景下，設(shè)計了統(tǒng)一的、效率最大化的信息發(fā)送方案，在盡可能短時間內(nèi)以盡可能可靠的方式實現(xiàn)多站點之間的信息同步，為各種基于報文編發(fā)、數(shù)據(jù)處理和信息交換開發(fā)的監(jiān)控報警系統(tǒng)提供理論借鑒。

關(guān)鍵詞：報文傳輸；信息共享；優(yōu)化模型；衛(wèi)星通訊

中圖分類號：O29? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2023）09-0022-05

隨著以衛(wèi)星通訊為代表的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，社會各界對突發(fā)氣象災(zāi)難情況下的搜索救援能力提出了更高的要求[1-3]。在地面通信系統(tǒng)癱瘓的情形下的緊急救援任務(wù)中，為了準(zhǔn)確、完整地獲得所在區(qū)域的氣象觀測信息，通常在多個區(qū)域分別設(shè)置觀測主站和副站，各觀測站之間使用衛(wèi)星通訊，以點對點傳輸?shù)姆绞竭M行氣象報文傳輸。設(shè)計高效、穩(wěn)定的傳輸方案，在盡可能短的時間內(nèi)使站點以盡可能可靠的方式進行信息同步，是實現(xiàn)實時氣象監(jiān)測以保障救援任務(wù)的順利完成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4-8]。在不斷優(yōu)化氣象報文傳輸模型和站點信息轉(zhuǎn)發(fā)算法的基礎(chǔ)上，各種報文編發(fā)、數(shù)據(jù)處理和信息交換等監(jiān)控報警系統(tǒng)得到了非常廣泛的開發(fā)利用[9-11]。

1 傳輸方案的需求分析

在多支氣象分隊負(fù)責(zé)多個區(qū)域開展地面氣象觀測保障任務(wù)情況下，每個區(qū)域設(shè)立1個觀測主站和2個觀測副站。主站部署1套車載型衛(wèi)星通信設(shè)備，可以不受周邊電磁環(huán)境干擾，發(fā)送和接收消息的成功率均可達到100%。副站點各部署1套便攜型衛(wèi)星通信設(shè)備，發(fā)送和接收消息的成功率均為80%。所有站點間的通信只能以點對點的方式進行，收發(fā)通道相互獨立，在發(fā)送消息時可同時接收任意多條消息。衛(wèi)星通信設(shè)備發(fā)送兩條消息的時間間隔不能小于1分鐘，各氣象觀測站點每次需要發(fā)送一條固定容量為100字符的消息。各站點需要發(fā)送并分享的氣象報文信息，通常會小于衛(wèi)星通信設(shè)備單次可以發(fā)送的容量，同一條氣象報文可分割成上下兩個半段分別傳輸[12]。

在以上實際背景下，如何設(shè)計不同站點間的通用信息傳輸模型，高率、可靠地實現(xiàn)氣象報文信息共享是問題的關(guān)鍵所在。

2 主站間信息共享的傳輸模型

2.1 主站傳輸?shù)某跏紶顟B(tài)

根據(jù)前文描述，記50個字符為基本單位信息輸送量，則每條氣象報文信息量為2個基本單位，每個觀測站每次發(fā)送信息的最大荷載量為3個單位。忽略各站點之間的外部環(huán)境差別，可以將N個主站之間的順次關(guān)系表示，如圖1所示，所有的主站按逆時針順序依次排列在一個圓環(huán)上，s1和sN首尾相連，所有站點之間形成輪換對稱的結(jié)構(gòu)形式。各觀測站計時開始瞬間即在第1個輪次的信息發(fā)送時，可供發(fā)送的信息只是自身已觀測的2個單位的氣象報文，將他們按逆時針順序，首位順次發(fā)送，這樣就構(gòu)成了各主站間的第1輪信息傳輸，每個站點發(fā)送的信息量為2個單位。

第1輪信息傳送后，各站點擁有了4個單位的信息，包含自身氣象報文及其按逆時針順序前一個站點的報文信息，此時各站點獲得的氣象信息可以使用如表1表示，每一個站點獲得的信息分成N行，某行非空表示獲得了對應(yīng)表格內(nèi)容的主站氣象報文，每一行對應(yīng)的報文信息是分為前后兩部分表示的。此時，每一個站點對應(yīng)的N行表格中，第1行是第1輪信息傳輸?shù)膬?nèi)容，第2行為自身觀測的氣象報文（可以視為第0輪內(nèi)容）。各站點自己的輪換對稱性，在表1中體現(xiàn)為獲得信息表達的統(tǒng)一性。

這里需要注意的是，對于站點序號k的增加（減少）1個，相當(dāng)各站點根據(jù)圖1中的位置按逆時針順序（順時針順序）取下一個站點。表格中符合[…]表示

2.2 主站信息傳輸?shù)囊话隳Ｐ?/p>

為最大限度地提升信息傳輸效率，使得信息傳輸?shù)目傒啍?shù)L最小，即使得實現(xiàn)共享信息要求所使用的時間K最小，應(yīng)該從第2輪開始，每個站點按傳輸?shù)淖畲蠛奢d發(fā)送信息，即每個站點發(fā)出3個單位的信息到目標(biāo)站點。第1輪傳輸完成后，各站點已有的4個單位信息中，相鄰兩個站點之間有2個單位是重合的，因此相鄰站點之間無法實現(xiàn)3個單位信息的傳輸目標(biāo)。選擇站點s[k-1]中的3個單位信息[k-1]1，[k-1]（2），[k-2]（1），作為第2輪信息傳輸，發(fā)送給按逆時針順序間隔相隔一個站點的主站s[k+1]。在第2輪信息傳輸完成后，站點s[k-1]獲得新增信息中[k-3]（1），[k-3]（2）和第1輪已有但還未發(fā)送的信息[k-2]（2）一同作為第3輪信息，仍然由站點s[k-1]發(fā)送給站點s[k+1]。根據(jù)k的一般性和各站點的輪換對稱性，第3輪信息傳輸完成后，各站點獲得的信息如下表2中陰影部分所示。

這樣，每一輪中由站點s[k-1]按自己獲取新增信息的先后順序，依次選取3個信息，作為新一輪的信息發(fā)送給站點s[k+1]，直到所有的N行表格填滿，這樣就構(gòu)成了主站氣象報文信息共享的一般傳輸模型。根據(jù)以上討論，針對sk站點，完整的傳輸方案如表3所示。

2.3 主站信息傳輸?shù)男史治?/p>

可以通過計算完成主站氣象報文信息共享需要的傳輸量，對照表3中的傳輸模型，估算出需要傳輸信息的最小輪數(shù)。

每個主站sk需要獲得其他所有N-1個主站的氣象報文信息，這些信息的傳輸總量為

所有站點的第1輪傳輸?shù)男畔⒘繛?N，其余每輪傳輸?shù)男畔⒖偭靠梢赃_到3N，這樣需要的總的信息傳輸輪數(shù)L至少為

其中，[·]為向上取整函數(shù)。完成所有站點信息共享需要的時間為K=L-1，即

在最后一輪傳輸中，站點每次發(fā)送信息的傳輸量有可能小于3。表3中，sk信息獲取模板去掉前兩行，剩下的信息量為2N-4，這部分傳輸量可能不是3的整數(shù)倍。具體來說，最后一輪中，每個站點實際的信息傳輸量M0為

當(dāng)N=9時，由上述（2）和（3）式可得完成主站之間氣象報文共享的最小時間K為

總的信息傳輸輪數(shù)為L=5+1=6。

根據(jù)表3信息共享一般傳輸模型，對所有站點 計算生成信息獲取模板，然后按照對應(yīng)的傳輸輪次及發(fā)送站點，可以計算出所有的站點在每個輪次中發(fā)送信息的具體記錄。

3 主站和副站間的傳輸模型

為更準(zhǔn)確、更全面地獲得搜索區(qū)域的氣象信息，需要將副站的觀測信息進行傳輸和共享。問題的關(guān)鍵在于副站觀測信息通過便攜型衛(wèi)星通信設(shè)備發(fā)送的可靠性。通常需要約定以不低于一定的概率保證每個分隊至少有一個副站的氣象報文能夠?qū)崿F(xiàn)共享。每個副站在發(fā)送、接收信息時成功的概率都是0.8，如果通過副站中轉(zhuǎn)另一個副站的信息，如“副站1（發(fā)送）？隰副站2（接受）？隰副站2（發(fā)送）？隰主站1（接受）”，成功的概率為0.83=0.512，需要重復(fù)執(zhí)行相同的過程4次才能保證將“副站1”的信息以僅大于0.94的概率送達，耗費傳輸次數(shù)過多。因此，在后面的分析中，不再考慮由副站中轉(zhuǎn)傳輸副站報文信息，所有的副站報文信息傳輸只有兩種方式：一是由副站直接發(fā)送給主站，二是使用主站轉(zhuǎn)發(fā)某些副站的報文。

可靠性和效率是矛盾的兩個方面，一個分站的副站多次重復(fù)發(fā)送氣象報文可以提高信息共享的可靠性，這樣不可避免地降低了信息傳輸效率。問題的核心在于約定的副站的氣象報文實現(xiàn)共享的最低概率。

3.1 副站二次重復(fù)發(fā)送傳輸方案

如圖2所示，將某個主站的兩個副站報文同時發(fā)送給目標(biāo)主站，使用主站將自己在之前輪數(shù)已經(jīng)獲取的副站報文轉(zhuǎn)發(fā)給其他主站。因為主站之間轉(zhuǎn)發(fā)信息的成功率為1，任何分隊的至少一個副站的報文，在任何主站上被獲取的概率，都保持為兩個副站報文至少有一個轉(zhuǎn)發(fā)至某主站的概率，即0.96。每組副站在每輪發(fā)送后，目標(biāo)主站成功獲得副站報文數(shù)量的期望是0.8×2=1.6。

由公式（2）和（3），主站數(shù)為N時，主站之間完成信息共享需要的輪數(shù)L0

各主站獲取副站報文的傳輸總量IFm為2N個副站報文發(fā)送到N個主站，每個報文為兩個基本單位（注意這里按4.1中的傳輸基本單位統(tǒng)計），即

可以用來發(fā)送副站信息的傳輸量有：

（1）在所有的L輪傳輸中，N組副站向目標(biāo)主站發(fā)送報文：

（2）從L0+1～L輪傳輸中，N個主站處于空閑狀態(tài)，可以發(fā)送副站報文：

這里注意，主站每次可以發(fā)送的副站信息量為3個基本單位，每個由主站發(fā)送的副站報文等效于 個副站向主站發(fā)送報文。

（3）根據(jù)公式（4），主站在分析主站報文的最后一輪，第L0輪信息傳輸中，主站有可能出現(xiàn)傳輸荷載冗余。在這種情況下，可以一并傳輸副站報文信息，傳輸量為

（9）

根據(jù)傳輸需求和發(fā)送能力之間的平衡，由公式（6）-（9），在時間K內(nèi)可以完成主站信息和副站信息共享條件下，總站數(shù)N的最大值為以下優(yōu)化模型的解：

3.2 副站二次重復(fù)發(fā)送方案的效率分析

根據(jù)上述分析，在傳輸時間限制在K分鐘時，副站二次重復(fù)發(fā)送方案最多可實現(xiàn)分站數(shù)量為

的所有主副站之間的氣象報文信息共享。此時，每個分隊至少共享一個副站的氣象報文的概率不低于0.96。具體來說，當(dāng)傳輸時間限制在7分鐘時，信息發(fā)送的總輪數(shù)為L=8，此方案最多可以實現(xiàn)Nmax=10個分站之間的主副站信息共享，主站之間完成信息共享需要的輪數(shù)L0=7。在第L0輪傳輸時，主站發(fā)送主站報文信息的傳輸量為1，空閑了2個單位的傳輸荷載。副站報文信息的傳輸可以分為三部分：

（1）1～8輪次的信息傳輸中，各副站可以依次向8個主站發(fā)送氣象報文，如圖3所示。圖中只給出了sk的副站發(fā)送報文的示意，不同顏色線型的箭頭表示在不同的輪次內(nèi)發(fā)送給不同的主站。這樣，1～8輪次中，每個主站都會每次以0.96的概率直接收到8個副站的氣象報文。

（2）在主站分享主站報文信息的第7輪次傳輸中，每個主站點發(fā)送的信息量只是1，空缺2個單位的信息傳輸荷載，恰好可以將1～6輪次已經(jīng)收到的特定副站氣象報文發(fā)送到目標(biāo)主站。

（3）截至目前，各主站點已經(jīng)可以收到8+1=9個副站氣象報文，還差1個氣象報文?？梢允褂迷诘?輪次已經(jīng)處于空閑狀態(tài)的各個主站，從自己已經(jīng)獲得的副站氣象報文中找到需要發(fā)送的內(nèi)容，傳輸給目標(biāo)主站。

以上各環(huán)節(jié)發(fā)送的副站報文配合緊密，避免重復(fù)傳輸和遺漏。各站點之間的輪換呈現(xiàn)完整的對稱性，具體的實現(xiàn)過程適合使用計算機自動完成。所有主站中能成功接收每支分隊至少一個副站的氣象報文的平均個數(shù)是10×0.9610=6.6483，任一主站平均能成功接收副站的氣象報文個數(shù)是8×1.6+0.96×2=14.72。

3.3 副站三次重復(fù)發(fā)送傳輸方案

為進一步提升信息傳輸?shù)目煽啃?，設(shè)計副站三次重復(fù)發(fā)送傳輸方案，以確保每個主站收到每個分隊至少一個副站信息的概率達到1-（1-0.8）3=0.992。主站sk的兩個副站ak，bk在連續(xù)三輪信息發(fā)送中，向主站s[k+t]發(fā)送了副站ak的報文兩次，發(fā)送了副站bk的報文一次，使得主站s[k+t]以0.992的概率收到副站ak或副站bk的報文至少一次，將獲得的可能多余兩個的報文指定其中某個，統(tǒng)稱kab進行主站轉(zhuǎn)發(fā)。同理，主站sk的兩個副站ak，bk在三輪信息發(fā)送中，向主站s[k+t+1]發(fā)送了副站ak的報文一次，發(fā)送了副站bk的報文兩次，使得主站s[k+t+1]以0.992的概率收到副站ak或副站bk的報文至少一次，獲得的報文kab，如圖4所示。

在這種方案下，每個主站平均可以接收每組副站報文的個數(shù)服從的分布如表4所示，每個主站平均可以接收到每組副站報文的個數(shù)期望為1.76。

類似前文分析，主站數(shù)為N時，各主站獲取副站報文的傳輸總量IFm為3N個副站報文發(fā)送到N個主站，每個報文為兩個基本單位（注意這里按2.1中約定的傳輸基本單位統(tǒng)計），即

可以用來發(fā)送副站信息的傳輸量有：

（1）在L輪傳輸中，N組副站向目標(biāo)主站發(fā)送報文：

（2）從L0+1～L輪傳輸中，N個主站處于空閑狀態(tài)，可以發(fā)送副站報文：

這里注意，主站每次可以發(fā)送的副站信息量為3個基本單位。

（3）根據(jù)公式（4），主站在分享主站報文的最后一輪，第L0輪信息傳輸中，主站有可能出現(xiàn)傳輸荷載冗余。在這種情況下，可以一并傳輸副站報文信息，傳輸量為

根據(jù)傳輸需求和發(fā)送能力之間的平衡，由公式（11）-（14），在時間K內(nèi)可以完成主站信息和副站信息共享條件下，總站數(shù)N的最大值為以下優(yōu)化模型的解：

3.4 副站三次重復(fù)發(fā)送傳輸方案的效率分析

在傳輸時間限制在K分鐘時，副站二次重復(fù)發(fā)送方案最多可實現(xiàn)分站數(shù)量為

的所有主副站之間的氣象報文信息共享。此時，每個分隊至少共享一個副站的氣象報文的概率不低于0.992。具體來說，當(dāng)傳輸時間限制在8分鐘時，信息發(fā)送的總輪數(shù)為L=9，此方案最多可以實現(xiàn)Nmax=10個分站之間的主副站信息共享，主站之間完成信息共享需要的輪數(shù)L0=7。

根據(jù)3.3節(jié)分析，各個主站的至少一個副站報文的概率都為0.992，每組副站的3輪重復(fù)發(fā)射中每個主站平均可以接收到每組副站報文的個數(shù)期望為1.76。這樣，所有主站中能成功接收每支分隊至少一個副站的氣象報文的平均個數(shù)是10×0.99210=9.2282，任一主站平均能成功接收副站的氣象報文個數(shù)是6×1.76+0.992×4=14.528，對比3.2中二次重復(fù)發(fā)送方案的效率分析，信息發(fā)送的可靠性得到有效提升。

4 結(jié)論

通過分析各站點信息傳輸?shù)囊?guī)律性和對稱性，新穎地設(shè)計了輔助數(shù)表，用于表達信息傳輸方案和跟蹤動態(tài)變化過程，便于編寫通用的算法程序來統(tǒng)一計算信息傳輸方案。最大化地使用站點信息傳輸能力，定量地給出了傳輸所用時間K和站點數(shù)N之間的關(guān)系，有效實現(xiàn)主副站報文信息共享傳輸，保障了計算結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性。使用的模型和方案計算過程可以應(yīng)用在氣象環(huán)境觀測、大范圍實時監(jiān)測預(yù)警、戰(zhàn)場數(shù)據(jù)鏈搭建等領(lǐng)域。

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