基于超远距离用电采集场景的北斗通信传输研究

王 娟，刘雪强，朗珍白桑，黄 刚

（1.国家电网西藏电力有限公司，西藏拉萨 850000；2.西藏星传北斗卫星导航平台有限公司，西藏 拉萨 850000）

受人口分布不均且地理环境差异大的特殊环境的影响，电网工程规模庞大、结构复杂，增加了电力工程建设的经济成本和通信传输的难度[1]。为此，研究一种通信模式，以满足不同区域环境的实际需要。用电采集场景是电网智能化管理的一个辅助系统，可以与其他系统实现数据连接，以便于数据共享，方便电力系统的开发和管理[2]。随着北斗卫星导航系统的建设与应用，北斗一、二代通信服务系统通常采用强数据中心和弱客户机的方法。由移动网络客户端接收数据中心提供的原始观测和位置信息，并计算不同客户端的伪距离差定位结果[3]。因为需要提供大量集中的计算服务，因此数据中心软硬件成本不断增加，随着累积终端数量的增加，导致系统性能的下降。由于使用移动通信网络进行数据传输和高成本的移动通信基站覆盖盲区这一限制性问题，虽然北斗三代卫星已经发射，并根据星座定位加强服务，但由于成本过高，目前仍处于测试阶段，因此，基于北斗服务的高精度定位一直没有得到很好地应用。为了解决这个问题，提出了基于超远距离用电采集场景的北斗通信传输方法。

1 超远距离北斗通信传输

1.1 超远距离北斗通讯传输框架

由于北斗卫星导航定位系统覆盖范围广，能够覆盖其他通信手段不能覆盖的地区，特别适合远程信息传输[4]。因此针对现场供电服务平台的功能要求，设计了北斗超远距离通信传输框架。超远距离北斗通信传输框架如图1 所示[5]。

图1 超远距离北斗通信传输框架

针对信息服务平台的需求，设计了存储数据库，该高性能存储系统具有高效读写、缩短响应时间、提高北斗远程短信处理能力等特点，符合北斗超远距离通信信息服务平台的设计要求[6-8]。

1.2 基于超远距离通道端协议规约设定

在超远距离北斗短信功能的基础上，单发送长度是有效的，因此有必要扩展超远距离北斗短信数据传输格式协议[9]。为丰富数据类型，满足报文内容携带电量采集场景信息，对协议进行了两次封装，具体如下：

1）协议头部：协议编码段通过占用半个字节，并在消息开始处设置协议编码段，来实现北斗数据格式与平台扩展协议的兼容性和差异[10]；

2）数据标识：使用一个标识符来表示某些需要压缩或加密的数据，对每个位域都使用了半个字节；

3）总包数：在1 byte 中，长分组数据通过总分组大小来确定是否需要对数据进行缓存管理；

4）当前分包编号：通过占用当前1 byte 的报文数据来表示分包数据，并分别识别不同的分包，若资料不需要分包，则资料栏位的值及总组号栏位的值均为1[11]；

5）应用协议编码：根据占用1 byte 对系统通信期间的语言、图片、导航位置等不同业务编码进行标识[12]；

6）应用数据实体：系统服务可以按照信息字段剩余可用部分定义的要求，执行特定的传输数据格式，以满足其需求[13]。

1.3 长数据包拆包

将北斗通信容量设置为200 byte，则可分为8 个完整的子包，每个子包需要标注序号(子组编号)[14]。当传递到子包的对等部分后，对分区的包进行重新组装，因此需要为子包提供一个公共标识序列号[15]。序列号和子包号放在一起，以确保每一个包都以正确的顺序到达，并合理地按某种顺序组成一个整体。与此同时，为方便数据读取，在初始位置之前留有两个空白的补码。图2 为长数据包拆包示意图。

图2 长数据包拆包示意图

由图2 可知，数据包包含诸如组编号、子编号(顺序的)、子编号总数以及是否触发反馈消息的字段。图中A,B,…,E,F 表示切片后的报文，然后分别给它们加上包头，其中最后一个包的消息长度是整个包的长度减去之前所有子包的实际数据内容[16]。

1.4 数据包封装与解封装

解包时，需要在北斗通信信道上传送分段子组，因此需要将子组封装，以适应北斗短消息通信的数据协议格式。采集器(集中器)采集的电力信息需要解包并加入包头，再按照北斗通信协议进行数据格式封装。北斗短报文通信的报文格式如表1所示。

表1 北斗通信报文格式

如表1所示，ASCII代码表示指令。每一个ASCII代码有8 位，共16 位，表示从“$”到指令或内容结尾的总数据字节以及校验和。"用户地址1"是发件人的北斗用户终端地址，它的长度是3 byte，有效的比特小于21。在“$”和“校验和”之间通过奇偶校验或不同字节引用获得结果。在用户地址2 中，消息内容是北斗通信终端的地址，消息内容是要传送的包，即封装数据。根据北斗数据通信卡的不同，其长度也不同。

在接收到北斗通信终端的消息内容格式后，将北斗通信外部信息的封装去除。把消息内容发送到包头信息协议转换装置中，并对包头信息协议转换装置进行测试，根据不同的数据类型和控制信息，作出不同的处理，即由中央主机发送指令包，或由数据包指令包存储在缓存中，根据需要重新整理上传。要得到反馈，需要发送下一个包，或者将丢失的包传送到窗口。

1.5 窗口传输

通过定长的滑动窗口机制，实现了TCP 协议窗口模式的选择性重传，使数据传输更加可靠。发送者的发送窗口负责发送信息，接收者的接收窗口负责接收信息，从而保证数据传输的实时性和高效率。发送设计主要是通过窗口按照顺序依次发送数据，在接收到反馈消息后，如果确认之前接收到的数据包已经被成功接收到，窗口会向右滑动，确认发送方和接收方都接收到发送的数据包。若确认邮件未被成功接收，发送者将优先重新发送邮件，然后继续发送新邮件。如超过已确认分组的重传次数，则终止分组。

2 通信传输伪距差分修正及重传

2.1 超远距离北斗通信传输伪距差分修正

伪距差分修正是将北斗指挥管理系统软件的综合业务应用程序通过因特网连接到服务器，进行伪距差分修正。根据接收长度(北斗指挥管理系统软件中的带宽限制)，向北斗指挥机发送多条短信。指令器根据指令卡上相应的通信频率逐个广播，在系统定义的可靠的短消息传输协议基础上，差分终端将分散的短消息合并成原始的坏消息，并将有效时间内的消息时间修改为当前时间，进行高精度的伪距差分计算，得到亚米级校正结果。

为实现伪距校正和高精度传输，支持北斗差分终端选择任意3G/4G 通信链路或北斗短信通信链路。图3 所示为差分修正的详细流程。

图3 差分修正详细流程

由图3 可知，指挥机管理系统应用软件与业务平台联网，生成北斗定位终端的定位信息，获取伪距差分校正信息。指挥机管理系统软件由于北斗民用卡的频率和带宽有限，需要将伪距校正信息拆分为几个小块(如果超过3 个小块则视为无效丢弃)，并根据指挥卡的频率通过北斗短信逐个广播。在所建立的协议基础上，北斗差分终端解封所接收的北斗短消息，重构出完整的伪距差分修正信息，并对时间信息进行修正，从而获得高精度的修正结果。

2.2 请求重传处理设计

为有效解决数据包丢失而造成的带宽资源浪费，在北斗通信系统中的超远距离通信传输伪距差分修正过程中，发送方的发送窗口负责发送信息，接收方的接收窗口负责接收信息，保证了实时、高效的数据传输。

建立重传请求的处理机制，可以限制重传请求的数量，使其包括请求计数和补码包等待时间两部分。当收到分组数据时，可动态调整等待长度机制。等待时间为：

T=N×t′（1）

式（1）中，t′为30 s 的等待时间，N为丢包总数。若在短期内未收到分组资讯，则放弃重传要求。若下一个重传请求已收到补充分组数据，但未收到完整的加和，则将其重新分配给请求重传过程，并重新执行。

3 试 验

3.1 试验设备及数据

利用北斗终端对海洋渔业数据进行报告，从而实现海洋渔业数据的实时监测。检测设备全部采用北斗多卡机，各设备共能接收16 张北斗卡。

3.2 试验结果与分析

3.2.1 拆包前后包长统计

理想情况下的拆包前数据包包长在0～90 byte范围内，呈正态分布，拆包后的包长均小于1 byte。基于此，分别使用传统北斗三代通信服务系统和基于超远距离通信传输方式对比拆包前后统计结果，如图4 所示。

由图4 可知，使用传统北斗三代通信服务系统拆包前数据包包长在0～100 byte 范围内，超出理想情况10 byte 长度，拆包后数据包包长均小于5 byte。使用基于超远距离通信传输方法拆包前数据包包长在0～90 byte 范围内，拆包后数据包包长均小于1 byte。由此可知，该方法拆包情况与理想情况一致。

图4 不同通信传输方式拆包前后统计

3.2.2 数据传输完整度统计

分别使用传统北斗三代通信服务系统和基于超远距离通信传输方法对比数据传输完整度，结果如表2 所示。

由表2 可知，使用传统北斗三代通信服务系统最大数据丢失量为30 byte，使用基于超远距离通信传输方法最大数据丢失量为5 byte，由此可知，使用基于超远距离通信传输方法传输完整度更高。

表2 不同通信传输方式数据传输完整度对比

4 结束语

通过对北斗卫星导航信息通信的功能特点和实际应用要求的分析，提出了一种基于超远程电力采集场景的北斗卫星导航通信传输方案。尽管取得了很好的效果，但在实际应用中，仍有许多工作需要改进和深化。在电力信息采集系统中，北斗短信的通信延迟问题还有待进一步研究，特别是在用户数量增加，需要发送的数据数量增多，系统对延迟的要求也越来越高的情况下，对其进行分析和研究显得尤为重要。