异构网络制式下的3G点对点远程数据传输

高小娟，车 明，黎 贺

（天津大学计算机科学与技术系，天津300072）

异构网络制式下的3G点对点远程数据传输

高小娟，车 明，黎 贺

（天津大学计算机科学与技术系，天津300072）

通过研究现有远程通信技术的局限性，根据构建稳健远程数据传输系统的实际需求，集成3G通信技术和北斗短报文通信技术，提出一种可靠的远程数据传输方法。在3G网络覆盖的区域，采用3G技术进行远程数据传输。在3G网络无法覆盖的区域或3G通信基站被干扰破坏的区域，采用北斗短报文通信进行数据传输。由于在WCDM A和TD-SCDMA制式下，无法实现设备间的点对点通信，因此，通过建立数据中转服务器进行存储转发，为3G发送方和接收方提供实时与非实时2种通信方式，实现异构网络制式下的点对点通信。同时，针对北斗短报文通信的不可靠传输，提出一种基于反馈的丢包重发机制来提高北斗短报文传输的可靠性。采用SBC8600嵌入式开发板以及Linux操作系统构建通信平台进行通信实验，结果验证了该方法的合理性以及传输数据的可靠性。

3G网络；点对点通信；存储转发；并发服务；异构网络制式；北斗短报文通信

1 概述

随着自然灾害的频繁发生，如何建立可靠稳健的自然灾害预防系统成为研究热点。灾害预防系统主要包括数据采集、数据传输和数据处理3个部分。数据采集部分即分布各地的传感器采集自然环境参数（包括PM 2.5、风向等）。数据处理部分即数据处理服务器接收传输来的数据并对这些数据进行分析、处理及显示。数据采集和处理部分实现较为容易，而如何建立稳健的数据传输通道成为其中的难题。

当前，远程数据传输方案通常是基于常规的通信技术来实现的，许多专家学者针对该问题进行了深入研究，并取得相应的研究成果。文献［1］采用以太网进行远程数据传输，以确保传输的实时性；文献［2］使用ZigBee网络和GPRS进行数据传输，以提高数据传输可靠性；文献［3］采用GPRS与SMS结合进行传输实现传输方式的互补；文献［4］采用地理相邻节点作为路由进行数据包转发，从而形成移动自组织网络进行数据传输，确保通信终端的移动性。除此之外，远程传输方式还有同轴光缆、激光、微波等。然而现有的远程数据传输方式都有各自的不足之处：以太网和同轴光缆需要有线连接，偏远地区实现较为困难；ZigBee网络具有技术瓶颈，移动终端无法进行组网，且传输距离较近；GPRS存在丢包现象和转接时延［5］；激光传输的价格较为昂贵；微波传输相邻站间必须直视，不能有障碍物，有时会因多径效应产生失真且传播时受天气影响较大；移动自组织网络无法保证传输链路的通畅性以及数据传输的可靠性［6］。

随着3G技术的日益成熟和广泛应用，3G通信已成为远程数据传输的重要技术手段，3G网络PS域的数据传输具有传输距离长、通信效率高等特点［7］。然而不同运营商采取的异构网络制式导致不同3G通信终端无法进行点对点通信，针对该问题，本文研究采用数据中转服务器进行数据的存储转发来实现异构3G网络制式下的设备间点对点通信；同时，由于传感器分布广泛，本文基于北斗卫星构建了无盲区的传输链路来提高数据传输的可靠性。卫星通信具有链路误码率低、无通信盲区等特点，基于北斗短报文服务的卫星通信技术已经广泛应用于地震救灾中［8］。

本文提出集成3G通信技术和北斗短报文通信技术进行远程数据传输的方案，并研发一款多途径通信接口机作为该方案的硬件平台，该通信接口机为3G通信与北斗通信提供接口。基于该通信接口机，本文实现了3G与北斗卫星相结合的方式进行远程数据传输，从而构建无盲区异构制式下的点对点远程通信系统。

2 系统通信机制

本文旨在突破目前远程数据传输限制，集合3G通信与北斗通信，建立可靠高效无盲区的远程数据传输链路，传输示例图如图1所示。

图1 远程数据传输示例图

2.1 3G网络通信机制

现有的成熟3G网络制式为WCDMA、CDMA 2000以及TD-SCDMA。在进行远程数据传输时，并不涉及电路交换网络，因此，只考虑3G网络PS域的数据传输。

在WCDMA和TD-SCDMA网络制式下，3G终端设备拨号上网获得由GGSN（网关GPRS支持节点）分配的动态局域网IP地址，且3G运营商在网络管理层禁止设备间相互通信，因而处在同一WCDMA网络或同一TD-SCDMA网络中的3G设备无法进行点对点数据传输，而在CDMA2000制式下，3G终端设备可分配获得公网IP地址接入互联网［9］，因而，同一CDM A 2000网络中的3G设备可进行点对点通信；另外，国内现有的3种3G网络制式使用不同的通信协议，因而处于不同3G网络制式下的设备间也无法进行点对点数据传输。

为解决这一问题，本文提出采用数据中转服务器（DTS）进行存储转发的方式来实现异构网络制式下的3G设备点对点通信。

在进行3G点对点通信时，发送端和接收端首先进行3G拨号上网，从运营商处获得各自局域网或公网IP地址，然后收发双方分别与数据中转服务器建立TCP/IP连接；当发送端向服务器发送数据时，数据包内容必须包含真实数据和目标接收端编号两部分；服务器解析数据包得到真实数据以及接收端编号，根据接收端编号生成一个与其对应的数据文件，并将接收到的真实数据以追加的方式写入该数据文件中；当服务器检测到目标接收端接入，且其对应的数据文件不为空时，将该数据文件中的数据读出并转发给接收端，最后清空该数据文件。

3G设备点对点通信机制如图2所示。

2.2 北斗卫星通信机制

北斗卫星通信具有误码率低、无通信盲区的优点，为保证远程数据传输的可靠性，在3G网络无法覆盖的区域或3G基站被干扰破坏的区域，本文采用北斗短报文通信进行应急的远程数据传输。北斗用户终端具有双向通信功能，用户可相互传送短报文信息。北斗民用协议格式如下：

指令长度用户地址信息内容校验和

（1）指令：发送指令的类型，占用5 Byte，远距离数据传输均为通信指令，指令值固定为：

24 4D 73 67 5F

（2）长度：指令长度，为北斗短消息报文的总长度，占用2 Byte。

（3）用户地址：发送端的地址，占用3 Byte。

（4）信息内容：通信指令中，可分为4个部分：接收方地址，信息类别，电文长度，电文内容。

1）接收方地址占用3 Byte；

2）信息类别：编码方式，占用1 Byte，例如0x44为包含汉字的Unicode编码，0x46为ANSI编码；

3）电文长度：发送数据的长度，占用2 Byte；

4）电文内容：一般的民用协议电文长度最多为600位。如果发送的信息量过大，需要将信息分为不同的部分进行封装。因而，定义电文内容前三位为总报文数，第4位～第6位定义为该报文在总报文中的编码，剩下的位为发送的信息内容。

（5）校验和：该字段占用一个字节，计算方式为对报文做异或运算。

北斗短报文通信已成功应用于地震救灾中，并在应急通信领域发挥着重要作用，然而其通信链路是不可靠的通信连接［10］，北斗民用通信系统没有通信回执，即在通信过程中，北斗用户发送方不知道接收方是否开机在线以及是否接收到数据。为提高北斗短报文通信的可靠性，本文提出一种基于反馈的丢包重发机制；发送端向接收端发出一条短报文消息，当接收端接收到该消息后，立即向发送端发出一条接收成功反馈；发送方收到反馈后结束本次发送，否则重发该消息。

2.3 远程数据传输机制

本文融合3G通信和北斗卫星2种异构通信技术，设计并实现了一种高效率、可靠的远程数据传输机制。以3G网络PS域数据传输为首选方式，当3G网络不可用时，使用北斗卫星通信作为应急通信方式。远程数据传输机制如图3所示，其中多途径通信接口机是本文研究的重点，数据源（即传感器数据）通过多途径接口机接入3G网络及北斗通信网络，实现数据传输。

图3 远程数据传输机制

3 通信机系统设计与实现

3.1 软硬件协同设计

3.1.1 通信机硬件设计与实现

本文提出的多途径通信接口机使用SBC8600开发板实现，该开发板的处理器为基于ARM Cortex-A8的TI生产的AM 3359ZCZ处理器，板载512MByte DDR3 SDRAM，512MByte NAND Flash，2个RS232串口以及2个USB Host；3G设备使用的有华为ET127（支持TD-SCDMA网络），华为E261（支持WCDMA网络），华为EC122（支持CDMA2000网络），卫星设备为东方联星公司生产的北斗卫星通信板和北斗卫星通信天线。通信接口机及通信设备如图4所示。3G通信设备通过USB接口与通信接口机相连，北斗通信板与通信接口机通过RS232串口相连。通信机的系统硬件架构如图5所示。

图4 硬件设备

图5 多途径通信接口机结构

3.1.2 通信机底层软件系统搭建

中国石油集团在2018年领导干部会议上提出，销售企业要为客户提供高质量服务，以细致周到的服务赢得市场。河北销售公司在落实高质量服务的具体举措中，“软硬兼施”放大服务取得多米诺骨牌效应。今年前三季度取得了“两增、三提升”的经营成效：成品油销量、非油收入和非油利润分别同比增长1.3%、24%、38%，全员人均纯枪量同比增长11%，非油收入增长41%。

在完成硬件设计后，还需搭建多途径通信接口机的底层软件系统。多途径通信接口机的底层软件系统包括bootloader，嵌入式操作系统，3G设备驱动等；其移植和配置过程如下：

（1）u-boot移植：u-boot为二级引导程序，一级引导程序SPL由TI提供，在CPU生产阶段烧写在CPU的IROM中。系统上电后将自动执行SPL完成相关设备的初始化，拷贝u-boot到内存中，最后将控制权交给u-boot。u-boot提供映像更新，引导内核等功能［11］。本文采用开源的u-boot进行通信接口机的bootloader定制和移植。

（2）rootfs移植：嵌入式Linux支持多种格式的文件系统，本文研究移植可读写的UBIFS文件系统，便于在开发过程中保存和修改一些配置参数和数据文件。

（3）Linux内核定制：针对研究所必需的模块和功能进行裁剪和定制，主要包括USB驱动、PPP协议等，得到一个轻量级的嵌入式Linux系统。

（4）3G设备模式转换：3G通信设备的外置接口为USB接口，需进行USB-M odem接口模式转换。通过Linux内核定制可以得到usbserial.ko，usb_ wwan.ko，option.ko，cdc_acm.ko等USB驱动文件，安装驱动文件后再进行usb_modesw itch移植，可以实现3G设备的模式转换。

（5）3G拨号上网：完成USB-M odem接口模式转换后，系统会产生3个模拟的ttyUSB串口，针对ttyUSB0编写PPP拨号脚本即可完成嵌入式Linux下的3G拨号上网。另外，由于存在3种不同的3G设备运营商，拨号号码也各不相同，WCDMA为“*99#”，CDMA2000为“#777”，TD-SCDMA为“*98*1#”。

3.2 多模态数据收发程序设计与实现

3.2.1 3G点对点通信实现

3G通信过程中，数据中转并发服务器为传输数据提供存储转发，3G发送端向数据中转服务器发送消息时，需要包括两部分：真实信息以及接收端编号，数据中转服务器根据接收端编号建立相应的数据文件，以追加方式将真实数据写入数据文件中；3G接收端从数据中转服务器接收数据时，若其对应的数据文件非空，数据中转服务器将数据文件中的数据以清空的方式读出并发送给接收端。以此实现3G异构网络制式下的点对点通信，数据文件机制也可以支持3G设备间的在线和离线2种通信方式。

为支持多方发送多方接收同时实现，数据中转服务器采用并发服务模式。服务器端开启TCP监听后，主进程阻塞等待客户端连接，客户端发来连接请求时，主进程为客户端开辟相应的子进程，每个连接的客户端对应不同的子进程进行通信，从而实现并发服务。数据中转并发服务器接收到数据包，进行解析，读出接收端编号；然后加锁相应的目标文件，并将接收到的信息存入该文件中；解锁目标文件，关闭本次TCP连接。接收端与数据中转服务器连接时，服务器端开启TCP监听，主进程阻塞等待客户端连接，当接收到客户端连接时，主进程为每个接收端开辟子进程，子进程加锁目标文件，将用户数据以清空的方式读出且发送，之后解锁目标文件，完成本次通信，关闭本次TCP连接。

为简化通信流程，更简易地管理数据文件，将数据转发服务器的接收端口与发送端口区分开，即3G通信发送端与数据中转服务器的5555端口建立TCP连接，3G通信接收端与数据中转服务器的6666端口建立TCP连接。数据中转服务器在为3G发送端生成服务端socket时，绑定5555端口，为3G接收端生成服务器socket时，绑定6666端口。5555端口与6666端口之间的数据传输通过写入或读出数据文件来实现。

整体3G点对点通信流程如图6所示。

图6 3G通信流程

3.2.2 北斗通信实现

北斗通信通过多接口通信机和北斗通信板来实现，任意两个北斗终端均可进行双向通信，每个终端的IC卡定义了用户地址及其信号加密方式［12］。

在进行北斗通信时，首先要设置多接口通信机与传感器通信串口以及多接口通信机与北斗通信板通信串口，主要设置串口的波特率、数据位、校验位、停止位。进行串口设置后，多接口通信机从传感器中读入数据，将数据放入缓冲区，通信时，每次从缓冲区中取一定长度数据，按照北斗民用通信协议进行封装，然后将短消息报文传给北斗通信板进行发送。根据北斗民用通信协议，短消息报文每60 s发送一次。而后发送端等待反馈，如果60 s内有反馈发送成功，为保证可靠传输，定义如果发送失败则重新发送。如果2次均失败，则将数据存入数据文件中。北斗接收端检测到有报文到达，接收报文，依据北斗民用通信协议进行解析，根据电文内容中的发送方地址确定信息的来源并取出真实数据，完成后再向发送端发出成功接收反馈。北斗卫星短消息报文通信过程如图7所示。

图7 北斗通信流程

4 通信实验结果分析

为了验证本文研究提出的远程数据可靠传输方案的合理性与正确性，进行了3G点对点通信实验及北斗短报文通信实验。

4.1 3G点对点通信结果

3G通信设备通过USB接口和通信接口机相连，3G点对点通信实验中，发送端3G无线网卡采用华为E261中国联通3G设备，接入互联网分配的局域网IP地址为10.5.5.5，接收端3G无线网卡采用ET127中国移动3G设备，接入互联网分配的局域网IP地址为10.63.125.67，实验结果如表1所示。

表1 3G点对点通信实验结果

实验共发送20个数据包，接收到20个数据包。通信时长最大为1.111 4 s，最小为0.120 36 s，平均为0.354 36 s。以上实验结果验证了该方法的可行性。

4.2 北斗通信结果

北斗短报文通信实验采用2套东方联星公司生产的北斗通信板和北斗天线作为发送端和接收端，通过RS232串口和通信接口机相连，实验结果如表2所示。

表2 北斗通信实验结果

本文实验共发送20个短报文消息，成功收到20个短报文消息，第11条和16条数据发送与接收相差1 m in 1 s，说明第1次发送发生丢包，从而进行第2次发送，第2次发送成功。通过引入接收反馈和丢包重发机制，使得北斗通信变为可靠的数据传输模式，从而使整个远程数据传输系统更为可靠。

5 结束语

随着远程数据通信广泛应用，稳健的远程数据通信系统需求日益增加。区别于目前的远程数据通信系统形式单一并存在通信盲区的问题，本文提出了3G与北斗卫星相结合的方式。3G技术目前在生活中已普遍应用，而北斗卫星通信覆盖整个亚太地区，并不存在通信盲区。本文重点解决了3G设备跨协议的点对点通信问题，为用户提供一条透明的通信链路，在3G无法工作的情况下，实施远程北斗卫星通信，并采用接收反馈和丢包重传机制保证其可靠性，从而构建了可靠稳健的远程数据通信系统。构建稳健的远程数据通信系统具有极大的研究意义，然而3G通信基于运营商进行，其透明性较差［13］，因此，下一步将研究数据包的加密算法问题，以提高远程数据传输系统的安全性。

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编辑 金胡考

Point-to-Point 3G Remote Data Transmission Under Heterogeneous Network Standard

GAO Xiaojuan，CHE Ming，LIHe
（Department of Computer Science and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

By studying the research of the limitations of existing telecommunication technology，based on the real need of constructing moderate remote data transmission system，this paper presents a new transmission strategy which combines 3G communication with BeiDou short-message communication.In the area of 3G network，it adopts 3G technology to transfer data，otherwise，it adopts BeiDou short-message communication.W hen the user equipment of 3G transmission under the standard of WCDMA or TD-SCDMA，point to point communication can't be realized in 3G Wireless network. Given that，this paper utilizes a data transfer server for storing and forwarding，supporting real-time mode and non-realtime mode，therefore，3G device-to-device communication under heterogeneous network standard can be achieved. Meanwhile，aimed at the unreliable transmission of BeiDou short-message communication，this paper designs a message retransmission mechanism to increase the robustness of communication.Finally，it uses SBC8600 embedded development board and Linux operating system to build experimental platform，analysis result show s that this method is reasonable and data transmission is reliable.

3G network；point-to-point communication；storage and forwarding；concurrency service；heterogeneous network standard；BeiDou short-message communication

高小娟，车 明，黎 贺.异构网络制式下的3G点对点远程数据传输［J］.计算机工程，2015，41（9）：120-125.

英文引用格式：Gao Xiaojuan，Che Ming，Li He.Point-to-point 3G Remote Data Transmission Under Heterogeneous Network Standard［J］.Computer Engineering，2015，41（9）：120-125.

1000-3428（2015）09-0120-06

A

P393

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.09.021

国家“十二五”科技支撑计划基金资助项目（2012BAJ24B00）。

高小娟（1991-），女，硕士研究生，主研方向：3G网络通信，嵌入式系统；车 明，副教授；黎 贺，硕士研究生。

2014-08-04

2014-10-22 E-m ail：gaoxiaojuan326@163.com