CN103988459A - 在数据报文的面向分组移动无线传输中运行时间优化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在介于轨道车辆和固定的路段装置之间、介于轨道车辆之间和/或介于固定的轨道装置之间的数据报文的面向分组的移动无线传输中运行时间优化的方法，用于ETCS-欧洲列车控制系统-二级及以上。为了降低传输延迟的频次，数据报文在发送端多次时间延迟地和/或通过多个传输通道作为拷贝被发送，所述传输通道的干扰特性时间上和/或基于通道很少相关或不相关，并且在接收端将副本丢弃和将数据报文以初始的顺序重新组织。

Description

在数据报文的面向分组移动无线传输中运行时间优化的方法
技术领域
本发明涉及一种在介于轨道车辆和固定的路段装置之间、介于轨道车辆之间和/或介于固定的路段装置之间的数据报文的面向分组的移动无线传输中运行时间优化的方法，用于ETCS-欧洲列车控制系统-二级及以上。
背景技术
ETCS定义了用于列车控制系统的欧洲标准。从ETCS的二级以上进行介于轨道车辆和固定的路段装置(尤其是控制装置)之间的数据报文的基于GSM无线电波的移动无线传输。用于移动无线传输的协议通过所谓的EURORADIO标准来描述。
根据现有技术，对于目前处在ETCS-运行中的设备使用面向连接的数据服务。这些服务提供具有定义的流率(Durchsatz)的数据报文的透明无线传输和有保障的最大运行时间，或者说延迟时间(Latenzzeit)。
足够高的数据传输质量(被称为服务质量Quality of Service-QoS)的可用性，是ETCS运行的效率的关键基础。铁路运营商因此为了ETCS路段沿着路段建立自身的GSM无线基础设施，所谓的GSMR网络。GSMR网络在这样的频段中工作，所述频段相对于公共的GSM移动无线网络被偏移和明显是更加窄带的。
随着安装的ETCS设备的数目和大小的增加，出现GSMR中的受限的无线频率的问题。尤其在铁路枢纽处，例如大的火车站处，可能由于大量并行的用于不同的语音和数据服务的连接要求而导致GSMR网络的过负荷和随之导致网络服务的恶化或不可使用。
为了预防未来的通过较窄的无线频率所引起的运行障碍，未来将EURORADIO协议向面向分组的移动无线传输上扩展。借助这一传输方法可以介于轨道车辆和路段装置之间高效和节省资源地传输数据报文。
介于轨道车辆和路段装置之间的数据通信零星地和非连续性地发生。在特定时间点变换从数字节到数千字节之间的数据报文，而在占大多数的连接持续时间内没有等候传输的数据报文。这一特性特别适合面向分组的服务。
在此重要的是运行时间，其被称为传输持续时间或延迟时间。对于流畅的运行流程，数据的最大延迟时间不允许超过数秒，通常是1-3s。10s或更大范围内的延迟时间是运行上无法接受的。
保证所要求的延迟时间现在对于在ETCS中引入面向分组的数据服务GPRS是一个根本问题。相比较于目前使用的面向连接的数据服务，此种无线数据服务不提供带有保障的最大延迟时间的、定义的传输能力。因为数据的经过不同的分组节点的路径和其处理时间是不确定的，作为随机分布得出其延迟时间。对于大多数的数据分组，延迟时间是足够小的。然而也有例外，其中导致在GPRS中的传输延迟，所述延迟阻碍ETCS运行而无法被接受。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，给出一种在面向分组的移动无线传输的情况下用于运行时间优化的这种类型的方法，所述方法实现传输延迟的频次的减小，从而地点不变地并且时间不变地确保对于铁路运行所必须的QoS。
根据本发明如下地解决所述技术问题：数据报文在发送端多次时间延迟地和/或通过多个传输通道作为拷贝被发送，所述传输通道的干扰特性时间上和/或基于通道很少相关或不相关，并且在接收端将副本丢弃和以初始的片段顺序对数据报文进行重新组织。
在此可以将数据报文根据权利要求2在拷贝前片段化，其中接收端未丢弃的片段再一次组合成数据报文。
根据本发明的方法以借助多路径传输的用于待传输的ETCS有用数据的多样性的引入为基础。所述有用数据或者数据报文在此不是一次地由发报机传输到接收机，而是n次地。通过特定的协议将有用数据在发送端拷贝，需要时配备有用于纠错-FEC编码的冗余信息并多次发送。在接收端所述协议提供滤波，必要时提供纠错，并且提供所有接收数据的重新组织，从而使得ETCS有用数据能够完整和顺序正确地被继续处理。
多次传输提高了数据报文的容量。因为所述数据报文对于ETCS仍然有零星特征和相对较小的数据范围，期待通过与多次传输相关联的分开(Spreizung)对于网络负荷有较小的影响。通过其特征，也就是较小的传输容量，但是较高的延迟要求，ETCS数据报文特别适合于根据本发明的多路径传输。
通过有用数据的冗余多路径传输，可以如此影响延迟时间的分布，即将传输延迟在可接受QoS之外的可能性强烈降低。所述多路径传输降低了关于传输持续时间的“脱缰之马”的可能性，只要传输通道的传输属性在时间上和/或地点上是相互之间足够无关的。
多路径传输可以双向使用。在传输协议中对此在发送端和接收端有必要的特别改变和扩展。
附图说明
在从属权利要求中标识出并且接下来结合附图解释具有优势的实施形式。其中：
图1示出了示意性的方法总览，
图2示出了方法步骤，和
图3示出了用于流率限制的时间上的流程。
具体实施方式
在多路径传输中取消了目前在EURORADIO协议中定义的层2(HDLC-协议异步)，以便确保有用数据的完整。另外可以取消层3(T.70协议，用于有用数据的分段/重新组合)。
取而代之，如图1所示在EURORADIO协议中在发送端集成了TX功能和在接收端集成了RX功能。这一TX和RX功能的模型分别基于(aufsetzen)供应商的服务，例如在面向分组的GPRS。
较高的EURORADIO协议层级，即层4：X.224和确保协议，可以保持不变。在路段侧和车辆侧的ETCS应用也可以保持不变。
接下来结合图2进一步描述TX功能。
TX功能为上一级的协议层级提供入口接口-API，用于数据(有用数据PDU)的转交。除了有用数据PDU以外，还转交逻辑源地址(ETCS-ID/发报机)和逻辑目标地址(ETCS-ID/接收机)。
在转交有用数据PDU到API之后，通过TX功能进行其处理。
在其它处理之前，将转交的有用数据PDU需要时关于其传输优先级进行评价。具有较高优先级的有用数据PDU(HP数据报文)被优先处理，并且需要时超过在TX-模块中未处理的具有较低优先级的有用数据PDU。优先排列(Priorisierung)是基于HDLC-UI-框架中的紧急信息的传输的TX和RX功能的可选属性。
通过局部的、在各自PDU中不可见的标志来进行在目前的EURORADIO协议中位于HDLC之上的HP数据的优先排列标记。在TX模块中进行(如也借助HDLC-UI-框架)HP数据报文的特别的标记，随之在RX模块中可以区分HP数据报文和普通数据报文。
在发送端每个有用数据PDU在TX模块中的处理以四个步骤进行。
第一步骤：片段化1
在第一步骤中，将超过确定大小的有用数据-PDU分割为片段。片段的最大大小是确定的参数，其优选与数据通道的各自传输装置的传输属性相适配。传输时的平均干扰率越高，则有用数据PDU的片段应该越短。
每个有用数据PDU的最后一个片段在这一步骤中配备有特别标记，其明确标识有用数据PDU的结束并且允许接收器将片段化的有用数据PDU再一次组合。
第二步骤：序列化2
每一个片段包含明确的对应于在数据流中的顺序的序列标记，例如通过序列号。序列标记的储备必须是足够大的，以便将所有介于发报机和接收机之间位于传输路段上的在定义好的最大时间窗之内的有用数据片段不同地标识。
序列标记可以为了计算技术的转化，例如借助循环计数器，再一次被使用。然而序列标记在发送端的重新使用只允许在这样的时候进行，即被确保，不再能够有带有同样的序列标记的有用数据片段的拷贝在接收端从传输通道之一被传输。这是在经过最大的、供应商相关的等待时间之后的情况－通道参数：RX_MAX_DELAY。在这一等待时间耗尽之后，发送的数据被保障不再传输到接收端。
用于序列标记的数值储备必须是足够大的，以便能够将最大数目的可能的有用数据PDU片段在等待时间RX_MAX_DELAY之内明确地序列化。这一数值储备对于ETCS可以从最大数据流率和供应商特定的RX_MAX_DELAY中计算出来。通常RX_MAX_DELAY处于30min的数量级。
附加地可以在此第二步骤中进行传输优先级的标识。在这一情况中具有优势的是，将用于每个优先级的序列标记分开。
第三步骤：时间上的多路径控制3
在第三步骤中，根据确定的准则进行有用数据PDU片段的拷贝，所述准则也决定，以哪样的时间间隔和/或在哪些传输通道中冗余(也就是多次)地发送有用数据PDU片段。所述(必要时具有FEC编码的)拷贝在确定的时间点被传输到分别为此设置的传输通道。在时间点t1将有用数据PDU片段的x个拷贝传输到x个传输通道。在时间点t2将有用数据PDU片段的y个拷贝传输到y个传输通道，等等。
在该准则中确定的发送时间点的数目，其相互之间的间距和在各个时间点待传输的有用数据PDU片段的拷贝的数目是可以灵活定义的。优选取决于供应商的通道特征的时间特性和错误特性来执行时间上的分开，其中需要时执行测量以便查明通道适配的特性。
在了解供应商典型的干扰持续时间的情况下，例如通过移动无线网中的小区交接的条件限制，将发送周期优选给出为平均干扰持续时间的约两倍长。
第四步骤：空间上的多路径控制4
在第四步骤中，将在特定时间点传输的有用数据PDU片段的拷贝传输到一个或多个供应商的不同传输通道。在此一个传输通道是一个例如为IP通信入口到给定的GPRS供应商的物理通道参考(Kanalreferenz)，和一个例如是子网络属性或相应于所涉及的通信段落而规划的路径准则的逻辑传输属性的组合。
例如可以将有用数据PDU片段的拷贝在时间点t1如下进行四次传输：
-作为分组通过IP通信入口1传输到供应商A的分组网络
-作为分组通过IP通信入口2传输到供应商A的分组网络
-作为分组通过IP通信入口0传输到供应商B的分组网络和
-作为分组通过IP通信入口1传输到供应商B的分组网络
空间上的多路径控制在第四步骤中对于每个在第三步骤中，也就是时间上的多路径控制中定义的时间点t1、t2…重新被实施。在此可以对于每个时间点t1、t2…给出单独用于空间多路径控制的准则，从而使得数目和在时间点t1、t2…使用的传输通道可以不同。
通过有用数据PDU片段的空间多样化使得可使用传输通道的不同属性被考虑到。如果多个供应商可用，可以将有用数据PDU片段的拷贝传输到不同供应商，因此可以提高在所要求的最大延迟时间之内准确传输的可能性。另外还可以在一个供应商之内同时传输多个拷贝到不同的传输通道，只要那个供应商提供替代性的、带有需要时不同的优先级或QoS类别的传输通道或子网络。因为数据在供应商的分组网络内的路径是相对不确定的且单独的数据分组或者数据报文是相互独立的，可以通过在不同的尽可能不相关的传输通道中的每个有用数据PDU片段的拷贝来提高保持可靠的传输延迟或延迟时间的可能性。为了将数据传输到不同的供应商，例如可以使用多个移动无线设备，所述设备登录(einbuchen)到不同的供应商网络。
图3图解说明了用于流率限制的时间流程。通过经由替代的传输通道多次传输有用数据PDU片段，提高在传输网络中的数据流率。因为在移动无线通信的情况下传输容量是有限的资源并且在特定的网络负荷被超越后再次产生对于延迟时间的负面影响，必须合理地限制受多路径方法条件所限的多流率。对此适用例如一种从技术上对于传输协议公知的窗口技术－窗口大小。有用数据PDU片段的完整的发送端的处理需要特定的时间ts_m1。这一有用数据PDU片段的最后发送的拷贝的时间最迟可能的接收时间点是ts_m1+tTX_DELAY。通常tTX_DELAY处于数秒的数量级内。这意味着，所发送的有用数据PDU片段在这一时间段以内保留在所观察的发送窗口之内。当在发送窗口中包含的有用数据PDU片段的数目小于最大许可窗口大小，由此存在每一个时间单位所发送的有用数据PDU片段的限制的情况下，在每一个时间点仅仅在发送端处理继续待发送的有用数据PDU片段。
接下来结合图2进一步描述RX功能。
RX功能在RX多路径API处的ETCS数据的接收一侧为更高的协议层级提供包括逻辑源地址和目标地址(ETCS-ID/发报机和ETCS-ID/接收机)的有用数据PDU片段。
传输到API处的有用数据PDU片段在长度、内容和顺序方面对应于在发送一侧的有用数据PDU片段。所述有用数据PDU片段不会未知地丢失。
RX功能基于至少一个供应商的服务并且以以下四个步骤处理所接收的有用数据PDU片段：
第一步骤：有用数据PDU片段的接收5
通过RX功能来接收所有在多路径方法中转达的有用数据PDU片段。这些片段的拷贝可以并行地或时间延迟地由不同的传输通道，这就是说由不同的供应商、移动无线设备和/或带有不同逻辑传输属性的传输通道到达。所有有用数据PDU片段被接收并且以其到达的顺序被传送到第二步骤中被处理。
第二步骤：副本过滤6
在第二步骤中过滤所接收的有用数据PDU片段的拷贝。所有到达的有用数据PDU片段结合其序列标记被选择。序列标记的各自的第一有用数据PDU片段被传输到第三处理步骤－重新序列化7。同样序列标记的所有其它副本在时间段tRX_MAX_DELAY之内被丢弃，所述时间段与带有同样序列标记的第一有用数据PDU片段到第三处理步骤的传输时间点关联。
第三步骤：重新序列化7
有用数据PDU片段可以以任意的顺序到达，因为其在传输网络中有不同和不确定的路径。因此必须由RX功能在第三步骤中再一次生成有用数据PDU片段的初始顺序。为此管理实际预期的序列标记，例如预期的计数器状态。一旦有带有序列标记的有用数据PDU片段被接收，其标记对应于实际预期的序列标记，则相应地提高例如序列计数器的序列标记并且将有用数据PDU片段传输到第四处理步骤-重新组合8。
每一个序列标记大于预期的序列标记的有用数据PDU片段如此长时间暂存，直至所预期的序列标记增加至暂存的有用数据PDU片段的序列标记的值。然后才将暂存的有用数据PDU片段传输到第四处理步骤－重新组合8。长于RX_MAX_DELAY在RX一侧暂存的有用数据PDU片段，同样被丢弃。在持续不断的传输干扰的情况下可以将所涉及的通信通道通过更高的协议层级作为纠错解除(abbauen)。
因此，将有用数据PDU片段序列准确地，即以其生成的顺序，无缝地转交到第四处理步骤。
第四步骤：重新组合8
所到达的有用数据PDU片段必须在其传输到更高协议层级之前再一次组合成完整的有用数据PDU。这些在接收一侧的RX处理的第四步骤中进行。在这一处理步骤中有用数据PDU片段以其正确的顺序如此长时间地暂存，直至在接收一侧存在有完整的有用数据PDU。然后所有属于一个有用数据PDU的有用数据PDU片段才序列正确地组成一个有用数据PDU和作为完整的有用数据PDU传输到更高的协议层级。多路径协议附加信息(overhead)在重新组合时被移开，也即是说，接收一侧分段的待丢弃的副本被删除。
根据本发明的方法可以以不同的模型和变形来实现。待传输的有用数据PDU片段的时间上和空间上的分开的可能性，可以灵活地运用和组合。例如可以将多路径传输这样地时间上和空间上组合，使得有用数据PDU片段时间延迟地传输到两个不同供应商。对于仅仅时间上或空间上的分开的限制也是可行的。
根据本发明的另外模型在于，发送准则取决于传输路径的实际传输属性来变化。例如对于这样的情况，即一个供应商被干扰了，可以自动化切换到其它供应商，其中例如替代的公共的和非公共的移动无线网络可以被使用。
另外可以借助根据本发明的多路径方法选择性地处理有用数据PDU片段。例如可以仅仅时间关键地多次发送数据报文或者其片段，而普通的数据报文仅被传输一次。
冗余传输的数目的变化取决于例如数据负担、地点、可使用传输通道、速度或干扰频次之类的不同的特征变量，也是可行的。
发送数据的时间上的分开可以借助不同的时间延迟来进行。例如可以在每次重新发送有用数据PDU片段的拷贝之前加大等待时间。

Claims (7)

1.一种用于在介于轨道车辆和固定的路段装置之间、介于轨道车辆之间和/或介于固定的轨道装置之间的数据报文的面向分组的移动无线传输中运行时间优化的方法，用于ETCS-欧洲列车控制系统-二级及以上，
其特征在于，在发送端多次时间延迟地和/或通过多个传输通道作为拷贝发送所述数据报文，所述传输通道的干扰特性在时间上和/或基于通道很少相关或不相关，并且在接收端丢弃副本并且以初始的顺序重新组织所述数据报文。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在发送端在拷贝前将所述数据报文片段化，并且在接收端将未被丢弃的片段再次组合成数据报文。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述数据报文或其片段在发送端配备有对应于其顺序的序列标记。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在接收端删除数据报文的待丢弃的副本或其片段。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述数据报文或其片段在发送端配备有优先排列标记，并且在接收端以其优先排列的顺序来重新组织。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过所述数据报文的副本和/或其片段的多次发送，媒介相关地和/或供应商相关地进行时间上和/或空间上的分开。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在两种传输装置中设置所述数据报文的副本和/或其片段的传输，其中，通过所述数据报文的副本或其片段的多次发送来方向相关地进行时间上和/或空间上的分开。
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