張中杰　孫仕勝　張敦鍵　王登魁

摘 要 數(shù)傳電臺在工業(yè)現(xiàn)場有著廣泛的應(yīng)用，該類設(shè)備提供了一種在無運營商網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的低成本數(shù)據(jù)通信方案。然而受限于數(shù)傳電臺的通信機制，多個數(shù)傳電臺間的組網(wǎng)技術(shù)是困擾數(shù)傳電臺進一步推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問題。本文結(jié)合數(shù)傳電臺的通信特點，在借鑒計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)計思想的基礎(chǔ)上，提出了一種基于數(shù)傳電臺的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。

【關(guān)鍵詞】數(shù)傳電臺 網(wǎng)絡(luò) 通信協(xié)議

1 引言

通信網(wǎng)絡(luò)是制約野外物探作業(yè)信息化發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。面對不穩(wěn)定的公共運營商網(wǎng)絡(luò)以及衛(wèi)星通信的高昂費用，在現(xiàn)有通信手段的基礎(chǔ)上，自主研發(fā)實現(xiàn)一套通用的、支持公網(wǎng)通信協(xié)議（TCP/UDP）的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)顯得尤為重要。數(shù)傳電臺作為一種低成本、長距離、安裝維護方便的數(shù)據(jù)傳輸解決方案在石油、煤炭、環(huán)境等行業(yè)有著較為普遍的應(yīng)用。但是多個數(shù)傳電臺間的無序數(shù)據(jù)通信使得目前基于計算機網(wǎng)絡(luò)編程實現(xiàn)的各類應(yīng)用軟件的移植受到了限制，本文提出了一種以數(shù)傳電臺為底層通信方式的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，并從網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)等方面對協(xié)議進行了詳細的描述。

2 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于數(shù)傳電臺的帶寬有限，由復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓撲帶來的路由算法會占用過多的帶寬資源，進而影響整個網(wǎng)絡(luò)的通信效率。同時，經(jīng)過對目前大量實際應(yīng)用需求的抽象分析，最終本協(xié)議選用了星型網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)為，如圖1所示。星型網(wǎng)絡(luò)中的通信節(jié)點分為主節(jié)點與從節(jié)點。主節(jié)點負責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的管理，包括網(wǎng)絡(luò)組建、從節(jié)點的注冊與注銷管理等。從節(jié)點可以發(fā)起針對一個網(wǎng)絡(luò)的注冊、注銷請求，并在主節(jié)點的控制下完成相關(guān)工作。在該網(wǎng)絡(luò)中，所有從節(jié)點間的通信必須經(jīng)過主節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。

3 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

參考計算機網(wǎng)絡(luò)的OSI模型，并結(jié)合數(shù)傳電臺網(wǎng)絡(luò)的特點，本協(xié)議將數(shù)傳電臺網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)劃分為4層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸預(yù)處理層，如圖2所示。

物理層提供基礎(chǔ)的通信方式，完成信號的物理編解碼、發(fā)送及接收工作，在本設(shè)計中由數(shù)傳電臺實現(xiàn)。數(shù)據(jù)鏈路層一方面負責(zé)通信節(jié)點間邏輯鏈路的管理并實現(xiàn)上層信息格式與本層數(shù)據(jù)幀格式間的轉(zhuǎn)換；另一方面解決無線網(wǎng)絡(luò)中共享通信信道的各節(jié)點間的有序數(shù)據(jù)通信。網(wǎng)絡(luò)層定義了與無線網(wǎng)絡(luò)管理相關(guān)的具體規(guī)則及策略。傳輸預(yù)處理層為數(shù)傳電臺網(wǎng)絡(luò)與通用計算機網(wǎng)絡(luò)傳輸層（即TCP/UDP等協(xié)議所屬層）間的接口，本設(shè)計為了最大限度的利用電臺網(wǎng)絡(luò)帶寬，于該層實現(xiàn)了傳輸層協(xié)議預(yù)處理功能，通過引入經(jīng)典的加解密算法對傳輸層通信數(shù)據(jù)進行了有效壓縮。數(shù)據(jù)鏈路層至傳輸預(yù)處理層的功能在與數(shù)傳電臺配套的嵌入式終端模塊中通過編程實現(xiàn)。

3.1 數(shù)據(jù)鏈路層

3.1.1 數(shù)據(jù)幀設(shè)計

數(shù)據(jù)幀是電臺網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)的具體組織方式。本協(xié)議中的數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示。

其中，Type字段占一個字節(jié)，其中bit0表示該數(shù)據(jù)幀的類型，‘0代表普通數(shù)據(jù)幀，‘1代表網(wǎng)絡(luò)管理數(shù)據(jù)幀；bit1用于區(qū)分原幀與應(yīng)答幀，‘0代表原幀，‘1代表應(yīng)答幀；bit2用于標識該數(shù)據(jù)幀的本次傳輸是否由主節(jié)點發(fā)起，‘0代表由從節(jié)點發(fā)起，‘1代表由主節(jié)點發(fā)起；bit3-7暫未定義。To字段占一個字節(jié)，標識該數(shù)據(jù)幀的目的地址；From字段占一個字節(jié)，標識該數(shù)據(jù)幀的源地址；Seq.字段占一個字節(jié)，用于標識該原幀在發(fā)送隊列中的序號，接收方正確接收數(shù)據(jù)后，在應(yīng)答幀中沿用原幀Seq.值。Data字段占0-64個字節(jié)，為實際發(fā)送的數(shù)據(jù)。Resd.字段為保留字段，占一個字節(jié)，用于今后協(xié)議的擴展。Checksum字段占一個字節(jié)，為該數(shù)據(jù)幀的校驗和。

3.1.2 差錯控制設(shè)計

差錯控制保證了數(shù)據(jù)幀發(fā)送的正確性。本設(shè)計中該功能由帶超時檢測的握手機制實現(xiàn)。原理即接收方對每次接收到的數(shù)據(jù)幀進行應(yīng)答，發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)后即啟動定時器，規(guī)定時間內(nèi)未收到應(yīng)答即重發(fā)。因此，一次完整的數(shù)據(jù)通信過程由兩次獨立的數(shù)據(jù)收發(fā)構(gòu)成。

3.1.3 多路訪問控制設(shè)計

為了解決由多個電臺同時發(fā)送數(shù)據(jù)帶來的信道污染問題，并最大限度的利用電臺的傳輸帶寬，本設(shè)計采用了輪詢發(fā)送機制。主節(jié)點作為信道資源的分配者，依次為網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點分配信道使用權(quán)限，各節(jié)點在獲得信道使用權(quán)限后完成一個數(shù)據(jù)幀的發(fā)送。

3.1.4 主節(jié)點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流程

本設(shè)計中，所有節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信均須經(jīng)過主節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)。主節(jié)點接收到數(shù)據(jù)幀后如果發(fā)現(xiàn)目的地址不是自己，則將Type置‘1后轉(zhuǎn)發(fā)；從節(jié)點只接收由中心節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，接收處理流程如圖4所示。節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)過程較為簡單，不再贅述。

3.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層定義了基于電臺的無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式，從節(jié)點的注冊、注銷機制及路由算法等。

3.2.1 電臺網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)

電臺網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)是在主節(jié)點的控制下，由主節(jié)點與從節(jié)點的交互完成的，具體包括從節(jié)點的注冊、注銷兩個過程。從節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)注冊過程如圖5所示，網(wǎng)絡(luò)注銷過程如圖6所示。

3.2.2 路由算法

為了降低網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由于執(zhí)行路由算法帶來的開銷，本設(shè)計采用了層次型網(wǎng)絡(luò)管理模式，一個星型網(wǎng)絡(luò)代表一個通信子網(wǎng)，各子網(wǎng)間的通信由主節(jié)點負責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)。因此，路由表僅須由各子網(wǎng)的主節(jié)點負責(zé)維護。當(dāng)一個通信子網(wǎng)的成員變化后，該子網(wǎng)的主節(jié)點會向其余各通信子網(wǎng)的主節(jié)點發(fā)送更新路由表請求，經(jīng)過各主節(jié)點確認后，完成路由表的全網(wǎng)更新。

3.3 傳輸預(yù)處理層

為了進一步更加有效的利用電臺的傳輸帶寬，在協(xié)議的傳輸預(yù)處理層引入了ASN.1標準中的PER壓縮編解碼規(guī)則，該規(guī)則具備冗余度低、編碼緊湊、效率高等特點。經(jīng)設(shè)計、編程驗證，引入該編碼規(guī)則后數(shù)據(jù)量可減少50%以上，帶寬利用率明顯提高。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于數(shù)傳電臺的組網(wǎng)解決方案。詳細設(shè)計了電臺網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，對數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸預(yù)處理層進行了清晰的劃分并對各層功能的具體實現(xiàn)機制進行了介紹。設(shè)計的實現(xiàn)屏蔽了底層具體的通信方式，滿足了網(wǎng)絡(luò)編程的需要，進一步推廣了數(shù)傳電臺的應(yīng)用范圍。

參考文獻

[1]李賀祿，蔣凡，楊敬峰等.基于面向?qū)ο蠓椒ǖ腁SN.1編解碼的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程，2002，28（12）：101-103.

作者單位

北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司 北京市 100007