[发明专利]一种野外观测数据传输的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及数据传输技术领域，特别涉及一种野外观测数据传输的方法和装置。

背景技术

数传电台是指借助数字信号处理、纠错编码、软件无线电、数字调制解调和表面贴面一体化设计等技术实现高性能数据传输的电台，其作为一种低成本、长距离、安装维护方便的数据传输解决方案在石油、煤炭、环境等具有野外现场数据传输需求的行业中有较为普遍的应用，其传输过程可以采用一个由野外观测设备、数传电台板卡、数据接收主机组成的简化模型来描述，如图1所示。

由于数传电台的通信过程是由数据经无线电传播实现，而野外传输过程易受大自然中各种噪声干扰而造成误码率增加，同时也易受暴雨、沙尘等恶劣天气影响而造成通讯暂时性中断，因此保证数据传输的可靠性是数传电台在系统集成和应用中的关键环节。虽然现有数传电台本身具有差错控制和重传机制，但是其只保证无差错接收，不保证可靠性传输，即只考虑“错误”但不考虑“丢失”，所以亟需基于数传电台设计一种传输协议满足野外数据传输可靠性的需求。同时，考虑到野外实地应用，无线传输装置只能靠太阳能供电，故而低功耗是野外部署提出的一项实际需求。装置低功耗设计不仅可以延长传输装置的运行时间，还能选取较小的充电电池和太阳能板，从而节省材料的购置成本和搬运的人工成本。

因此，针对野外数传电台无线传输信道质量较差的问题，需要基于数传电台设计一种需面向嵌入式MCU，能够保障数据传输可靠性，同时兼顾低成本和低功耗的数据传输协议和装置。

下面举例说明现有技术的技术方案；

现有技术一的技术方案是引入能够实现数据可靠性传输的停止-等待ARQ协议，如黎晓勇等在《无线数传模块应用层可靠性设计》中所提，因为野外观测设备和数传电台多为进口设备，很难要求定制或二次开发，当前常用方法是以嵌入式MCU为核心开发一个协议板，再与数传电台集成为一套传输装置。协议板功能可以简述为：在发送端，从野外观测设备接收观测数据，按停止-等待ARQ协议封装后传递给数传电台板卡发送；在接收端，从数传电台读取数据，除去协议封装后将观测数据传递给数据接收主机，整个过程实现了等待-重传ARQ协议与数传电台的耦合，其通信简化模型如图2所示。

基于停止-等待ARQ和数传电台的传输装置具体实施方案为：

(1)在发送端协议板将野外观测仪器上传的数据切成数据段，赋予帧头标识、帧编号和校验码后封装成数据帧，将数据帧传入数传电台；

(2)在接收端协议板从数传电台中读取数据，按照帧头标识将数据切成数据帧，在确认帧号和校验码无误后发送确认帧，否则发送否认帧；

(3)发送端发送一帧数据后必须等待接收端确认，直到收到确认帧后再发送下一帧数据。与此同时发送端开启一个超时定时器，若超时定时器溢出发送端仍没有接到应答帧，重新发送上次发送的数据帧。系统流程如图3所示。

现有技术一的缺陷是停止-等待ARQ协议能够保证数据传输可靠性，还具有功能实现简单，算法时空复杂度很低，适合嵌入式设备使用等优点，但在传输流程中发送端每发一帧数据都要等待应答，通信信道利用率不高，数据传输速率很低，因此停止等待协议只适合在对通信效率不敏感的应用场合中使用。随着野外观测要素的增多，观测频率的增加，野外观测设备产生数据量也在越来越大，停止-等待协议在实际现场应用中缺点表现在传输同样大小的数据量耗时较长，增加了传输装置的系统功耗，与野外低功耗需求相矛盾。

现有技术二的技术方案是针对停止-等待ARQ协议信道利用率低的问题，一个容易想到的改进手段是将选择-重传ARQ协议引入基于数传电台的数据传输。选择-重传ARQ与停止-等待ARQ相比，区别在于发送端发送完一个数据帧后，不是停下等待确认帧，而是连续发送若干数据帧。如果这时收到了发来的确认帧，那么还可以接着发送数据帧。接收端检查收到数据帧的帧号是否连续，若连续则向上提交，否则将不连续序号帧先保存，在确认帧中告知发送端缺失的帧数，发送端只将确认帧中提到的缺失帧或者计时器超时的数据帧重传。例如发送端连续发送0到15号帧，接收接收端协议连续接收但发现2号帧缺失，则通过ACK告知发送方2号帧还未收到；发送端接到ACK后只重传2号帧。上述工作示例如图4所示。