CN109286914A - 多模车地综合移动数据传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多模车地综合移动数据传输系统，其特征在于，包括：车载子系统与地面子系统；所述车载子系统包括：车载汇接控制单元以及与其连接的若干具有不同通信模式的通信单元；所述地面子系统包括：地面汇接控制单元以及与其连接的且与车载子系统中通信单元相对应的若干网关；所述车载汇接控制单元、地面汇接控制单元各自作为列车通信用户的网关、地面通信用户的网关。该系统允许接入多种不同制式、不同运营商的网络，可以实现网络资源的统一管理，提供高速、可靠的数据通信服务；同时，列车和地面之间通过各自网关实现IP互通，用户无需了解数据传输通道的实现细节，只需设置了网关地址即可双向互通，从而提供车地之间透明的数据传输通道。

Description

多模车地综合移动数据传输系统
技术领域
本发明涉及铁路无线通信技术领域，尤其涉及一种多模车地综合移动数据传输系统。
背景技术
随着铁路现代化、智慧化、信息化的不断推进，铁路车地无线数据通信业务应用领域的深度和广度不断拓展。我国铁路采用GSM-R系统作为车地无线通信的解决方案，主要提供无线列调、区段养护维修作业通信、应急通信等语音通信功能，并为列车自动控制与无线调度命令等信息提供数据传输通道。
但是，GSM-R属于第二代窄带通信技术，受制于本身协议标准的限制，对铁路信息化数据业务的承载比较有限，无法满足视频、图像等传输带宽要求较高的业务需求。对于一些传输延时、可靠性要求比较严苛的应用，受限于频谱效率、切换机制、工作环境等因素，GSM-R网络也难以承载。
发明内容
本发明的目的是提供一种多模车地综合移动数据传输系统，可以充分利用铁路沿线现有移动通信条件，实现车地之间高速、高可靠的数据传送。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种多模车地综合移动数据传输系统，包括：车载子系统与地面子系统；所述车载子系统包括：车载汇接控制单元以及与其连接的若干具有不同通信模式的通信单元；所述地面子系统包括：地面汇接控制单元以及与其连接的且与车载子系统中通信单元相对应的若干网关；
所述车载汇接控制单元、地面汇接控制单元各自作为列车通信用户的网关、地面通信用户的网关；
所述车载子系统中的通信单元通过相应的运营商网络与地面子系统中对应的网关进行数据交互，将不同的通信单元与对应网关构成的无线链路捆绑在一起形成一条逻辑上的无线链路，数据流在多个链路之间分担，当某个链路出现故障时，自动切换到其他可用的链路上；或者，数据发送时无线链路之间相互冗余，接收方的网关则对冗余数据进行过滤，仅发送一份数据给接收方；或者，仅选择一个当前性能最佳的无线链路进行数据交互。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，允许接入多种不同制式、不同运营商的网络，可以实现网络资源的统一管理，提供高速、可靠的数据通信服务；同时，列车和地面之间通过各自网关实现IP互通，用户无需了解数据传输通道的实现细节，只需设置了网关地址即可双向互通，从而提供车地之间透明的数据传输通道。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种多模车地综合移动数据传输系统的示意图；
图2为本发明实施例提供的多模车地综合移动数据传输系统协议栈的示意图；
图3为本发明实施例提供的TCP/IP协议适配及转换流程图；
图4为本发明实施例提供的链路质量监督流程图；
图5为本发明实施例提供的过滤器数据结构示意图；
图6为本发明实施例提供的软件主要模块设计示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种多模车地综合移动数据传输系统，如图1所示，其主要包括：车载子系统与地面子系统；所述车载子系统包括：车载汇接控制单元以及与其连接的若干具有不同通信模式的通信单元；所述地面子系统包括：地面汇接控制单元以及与其连接的且与车载子系统中通信单元相对应的若干网关。
本发明实施例中，所述车载子系统中的通信单元包括：4G通信单元、卫星通信单元以及GSM-R通信单元，GSM-R通信单元提供铁路GSM-R的数据传输链路；卫星通信单元使用卫星通信系统提供的数据传输链路；所述4G通信单元提供中国移动、中国联通、中国电信3个运营商的数据传输链路，其包括移动通信单元、联通通信单元与电信通信单元。
相应的，所述地面子系统中的网关包括：移动网关、联通网关、电信网关、卫星网关以及GSM-R网关。移动网关、联通网关、电信网关、卫星网关、GSM-R网关与车载子系统相应的通信单元交互数据。
所述车载汇接控制单元作为列车通信用户的网关，其采用双机热备冗余工作方式，控制4G通信单元、卫星通信单元、GSM-R通信单元数据收发。在同一时间，只有一套车载汇接控制单元处于工作状态，另一套处于热备份状态。当处于热备份状态下的车载汇接控制单元检测到与处于工作状态下的车载汇接控制单元的心跳连接中断，即认为对方发生宕机，进行主备切换。
地面汇接控制单元作为地面通信用户的网关，控制移动网关、联通网关、电信网关、卫星网关、GSM-R网关数据收发，所述地面汇接控制单元也采用双机热备冗余工作方式，主备倒换机制与车载汇接控制单元相同。
为了便于理解，下面针对上述系统的通信方式、协议以及相关策略做详细的介绍。
1、链路选择模式。
本发明实施例提供如下三种模式：
1)链路冗余
不同的通信单元与对应网关构成的无线链路之间相互冗余，发送的数据包经过发送网关形成多份相同的拷贝，通过不同的无线链路发送到接收网关，接收方网关(即车载汇接控制单元或者地面汇接控制单元)按照数据包到达的先后次序进行过滤，只保留一份拷贝发送给接收方。
链路冗余模式下，数据包会被拷贝多份，目的是为了提供可靠性。
2)链路捆绑
将多条链路捆绑到一起，形成一条逻辑上的数据链路，数据流可以在多个链路之间分担，当某个链路出现故障时，数据会自动切换到其他可用的链路上。
3)自动选择
多模车地综合移动数据传输系统为用户选择一个当前性能最佳的链路。
自动选择模式下，数据包只选择最佳的链路，不冗余发送，这样链路资源利用效率较高。
2、TCP/IP协议栈适配及协议转换
车载汇接控制单元与地面汇接控制单元为相应用户侧提供标准的TCP/IP协议栈，实现列车通信用户与地面通信用户之间网络层及以上各层的互通；多模车地综合移动数据传输系统协议栈如图2所示。
TCP/IP协议栈适配及协议转换的过程如图3所示，主要过程如下：1)发送方汇接控制单元从链路上抓取IP数据包，删除数据链路层报文头，生成汇接控制报文；2)发送方汇接控制单元通过无线链路将汇接控制报文传送到接收方汇接控制单元；3)接收方汇接控制单元发送ARP请求获取目的主机MAC地址，生成数据链路层报文头，与汇接控制报文重组生成标准的IP报文，发送给相应的接收用户。上述过程中，所述的发送方汇接控制单元与接收方汇接控制单元依次为：车载汇接控制单元与地面汇接控制单元，或者地面汇接控制单元与车载汇接控制单元。
3、路由及寻址策略
1)车载子系统寻址。
所述车载子系统将数据包路由到正确的地面子系统网关IP地址，具体路由策略由各个通信单元独立实现，通信单元设置静态路由表，维持目标IP地址和地面网关地址的对应关系，路由表格式如表1所示
网络目标 网络掩码 下一跳 接口
172.17.0.0 255.255.255.0 10.x.x.x 10.x.x.x
… … … …
表1车载子系统通信单元路由表
各字段含义如下：
①网络目标：地面通信用户局域网IP地址
②网络掩码：地面通信用户局域网掩码
③下一跳：地面子系统网关无线网络接口IP地址
④接口：车载子系统通信单元无线网络接口IP地址
2)地面子系统寻址
地面子系统需要向不同的车载子系统发送数据，需要根据目的IP地址的不同，将数据路由到不同的车载子系统，具体路由策略由各网关独立实现，地面子系统网关维持动态路由表，通过车载汇接控制单元与地面汇接控制单元的心跳信息建立和更新路由表，路由表格式如表2所示。
网络目标 网络掩码 下一跳 接口 更新时间
172.17.1.0 255.255.255.0 10.x.x.x 10.x.x.x yyyyMMdd HH:mm:ss.fff
172.17.2.0 255.255.255.0 10.x.x.x 10.x.x.x
… … … …
表2地面网关路由表
各字段含义如下：
①网络目标：列车通信用户局域网IP地址
②网络掩码：列车通信用户局域网掩码
③下一跳：车载子系统通信单元无线网络接口IP地址
④接口：地面子系统网关无线网络接口IP地址
⑤更新时间：最近一次获取路由信息的时间，每次收到有效的心跳数据包均更新。
4、链路质量监督
所述车载子系统和地面子系统之间实时监督各个链路的通信质量，如图4所示，其过程包括：
车载汇接控制单元周期性通过各个通信单元向地面汇接控制单元发送心跳报文，地面汇接控制单元收到后将心跳报文返回到车载汇接控制单元；
车载汇接控制单元根据接收到的反馈信息计算各无线链路传输时延和成功率指标，如果相应无线链路符合要求，表示心跳正常，则正常传输数据；当某一无线链路性能下降到某一门限后，停止通过该链路发送数据，直到心跳恢复正常；
车载汇接控制单元发送的心跳报文中包含当前计算的链路传输时延，地面汇接控制单元据此计算各无线链路传输时延和成功率指标，如果相应无线链路符合要求，表示心跳正常，则正常传输数据；当某一无线链路性能下降到某一门限后，停止通过该链路发送数据，直到心跳恢复正常。
5、冗余数据处理方法
由于汇接控制单元支持无线数据链路之间相互冗余，接收方会收到同一报文的多个副本，接收方需要消除冗余数据。否则，对于UDP协议，用户会收到多个同样的报文；对于TCP协议，会被破坏其工作机制，导致TCP连接无法建立或中断，冗余数据处理需要同时满足如下两个条件：
1)报文过滤的准确性高：尽量避免向用户发送重复数据；
2)因报文过滤导致的延时小：避免因报文过滤导致网络服务性能下降。
系统按照目的IP地址过滤，发送方汇接控制单元对于每个报文生成唯一的编号(编号范围0～1048575)，接收方过滤规则如下：
接收方网关记录当前接收到的最大报文标号Rn，如果待接收报文编号Pn大于Rn，则接收此报文，同时将报文接收时间戳添加到过滤器；
如果待接收报文编号Pn等于Rn，丢弃此报文；
如果待接收报文编号Pn小于Rn，在过滤器检查此报文是否已经被接收，如果已接收则丢弃此报文，否者接收此报文，同时将报文接收时间戳添加到过滤器。
为了提高过滤效率，过滤器应尽量避免使用链表、字典等的数据结构，避免执行排序、查找等操作，避免使用浮点型数据的乘除法操作。尽量使用整型的移位、加法操作。过滤器的设计如图5所示。
所述过滤器采用整型数组，由32×32×32个整型元素，每个比特代表一个报文，最大报文序号为1048575，每32个报文一组，共享一个时间戳，过滤原则如下：
每组报文中在时间T范围内未更新，判定此组报文所有报文未接收，即不属于冗余报文；
否则，若报文编号对应的比特为0，则判定此报文未接收；
若报文编号对应的比特为1，且距离上次时间戳更新时间不大于T，判定此报文已接收过，属于冗余报文；
每组报文中任一报文接收后，令该报文编号对应的比特为1，同时更新时间戳。
6、IP地址分配规则
车载子系统与地面子系统之间采用全IP通信，需要统一分配IP地址；
1)地面子系统接入局域网采用172.17.1.0～172.17.255.255网段，子网掩码为24位，每个地面局域网最多支持254个主机；
2)车载子系统接入局域网采用10.0.0.1～10.255.255.255网段，子网掩码为24位，每个列车局域网最多支持254个主机，不同用户接入局域网IP地址统一分配。
3)车载子系统内部汇接局域网IP地址为固定分配，不同列车汇接局域网IP地址相同，无需设置网关。
4)车载子系统移动、联通、电信、卫星、GSM-R通信单元的无线链路IP地址由运营商分配。
5)地面子系统移动、联通、电信、卫星、GSM-R网关的IP地址由运营商分配。
本发明实施例上述方案获得以下技术效果：
(1)实现不同运营商、不同制式的移动通信网络综合接入
目前，除了铁路专用的GSM-R网络之外，比较常用的无线通信网络有中国移动、联通、电信等公众网络运营商提供的移动通信网，卫星通信网等。不同网络运营商在不同区段对铁路沿线的无线覆盖情况也不尽相同，不同运营商的数据流量资费差异也很大。多模车地综合移动数据传输系统是一种开放的平台，允许接入多种不同制式、不同运营商的网络，实现网络资源的统一管理，提供高速、可靠的数据通信服务。
(2)提供车地之间透明的数据传输通道
列车和地面之间通过各自网关实现IP互通，用户无需了解数据传输通道的实现细节，只需设置了网关地址即可双向互通，支持TCP、UDP、ICMP、FTP、Telnet、HTTP等通用的协议。
(3)铁路应用业务与网络自动适配
多模车地综合移动数据传输系统能感知用户需求与网络状态，通过服务与网络适配，自身为用户选择最适宜的网络。对于带宽需求较高的业务可聚合协同多家运营商带宽资源，对于可靠性要求比较高的业务，能够利用不同运营商网络实现传输通道的冗余。
上述系统的内部软件设计如图6所示。
(1)链路管理：实现移动、联通、电信、卫星、GSM-R等各条链路可用性管理、流量审计、链路分配等功能，负责为用户选择适合的链路。
(2)链路质量监督：通过发送心跳实时监督通信链路的延时、丢包率等指标。
(3)通道管理：实现链路路由选择功能，将数据推送到正确的网络之中。
(4)数据抓取：抓取用户网络发送的数据包。
(5)包发送控制器：按车地之间规定的通信协议将用户数据打包，根据链路管理模块分配的链路将数据包发送到指定的通道之中。
(6)消息接收：接收远端用户发送过来的数据包。
(7)MAC解析：利用ARP协议解析用户的物理地址。
(8)包接收控制器：按车地之间规定的通信协议解析用户数据包，并根据源IP地址分配包过滤器。
(9)包过滤器：检查接收到的用户数据包是否属于冗余数据，如果数据包已经接收到则将其丢弃。
(10)参数配置：为用户提供配置接口，供用户配置链路选择模式及网络相关参数。
(11)日志记录：记录系统工作状态相关信息。
(12)错误处理：当系统工作异常或某个链路故障无法恢复时，进入错误处理流程。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种多模车地综合移动数据传输系统，其特征在于，包括：车载子系统与地面子系统；所述车载子系统包括：车载汇接控制单元以及与其连接的若干具有不同通信模式的通信单元；所述地面子系统包括：地面汇接控制单元以及与其连接的且与车载子系统中通信单元相对应的若干网关；
所述车载汇接控制单元、地面汇接控制单元各自作为列车通信用户的网关、地面通信用户的网关；
所述车载子系统中的通信单元通过相应的运营商网络与地面子系统中对应的网关进行数据交互，将不同的通信单元与对应网关构成的无线链路捆绑在一起形成一条逻辑上的无线链路，数据流在多个链路之间分担，当某个链路出现故障时，自动切换到其他可用的链路上；或者，数据发送时无线链路之间相互冗余，接收方的网关则对冗余数据进行过滤，仅发送一份数据给接收方；或者，仅选择一个当前性能最佳的无线链路进行数据交互。
2.根据权利要求1所述的一种多模车地综合移动数据传输系统，其特征在于，所述车载汇接控制单元与地面汇接控制单元均采用双机热备冗余工作方式，当处于热备份状态下的车载汇接控制单元或者地面汇接控制单元检测到与处与工作状态下的车载汇接控制单元或者地面汇接控制单元的心跳连接中断，即认为对方发生宕机，进行主备切换。
3.根据权利要求1所述的一种多模车地综合移动数据传输系统，其特征在于，所述车载子系统中的通信单元包括：4G通信单元、卫星通信单元以及GSM-R通信单元，所述4G通信单元包括移动通信单元、联通通信单元与电信通信单元；所述地面子系统中的网关包括：移动网关、联通网关、电信网关、卫星网关以及GSM-R网关。
4.根据权利要求1所述的一种多模车地综合移动数据传输系统，其特征在于，车载汇接控制单元与地面汇接控制单元为相应用户侧提供标准的TCP/IP协议栈，实现列车通信用户与地面通信用户之间网络层及以上各层的互通；
TCP/IP协议栈适配及协议转换的过程如下：发送方汇接控制单元从链路上抓取IP数据包，删除数据链路层报文头，生成汇接控制报文；发送方汇接控制单元通过无线链路将汇接控制报文传送到接收方汇接控制单元；接收方汇接控制单元发送ARP请求获取目的主机MAC地址，生成数据链路层报文头，与汇接控制报文重组生成标准的IP报文，发送给相应的接收用户；所述的发送方汇接控制单元与接收方汇接控制单元依次为：车载汇接控制单元与地面汇接控制单元，或者地面汇接控制单元与车载汇接控制单元。
5.根据权利要求1所述的一种多模车地综合移动数据传输系统，其特征在于，
所述车载子系统将数据包路由到正确的地面子系统网关IP地址，具体路由策略由各个通信单元独立实现，通信单元设置静态路由表，维持目标IP地址和地面网关地址的对应关系；
地面子系统需要向不同的车载子系统发送数据，需要根据目的IP地址的不同，将数据路由到不同的车载子系统，具体路由策略由各网关独立实现，地面子系统网关维持动态路由表，通过车载汇接控制单元与地面汇接控制单元的心跳信息建立和更新路由表。
6.根据权利要求1所述的一种多模车地综合移动数据传输系统，其特征在于，所述车载子系统和地面子系统之间实时监督各个链路的通信质量，其过程包括：
车载汇接控制单元周期性通过各个通信单元向地面汇接控制单元发送心跳报文，地面汇接控制单元收到后将心跳报文返回到车载汇接控制单元；
车载汇接控制单元根据接收到的反馈信息计算各无线链路传输时延和成功率指标，如果相应无线链路符合要求，表示心跳正常，则正常传输数据；当某一无线链路性能下降到某一门限后，停止通过该链路发送数据，直到心跳恢复正常；
车载汇接控制单元发送的心跳报文中包含当前计算的链路传输时延，地面汇接控制单元据此计算各无线链路传输时延和成功率指标，如果相应无线链路符合要求，表示心跳正常，则正常传输数据；当某一无线链路性能下降到某一门限后，停止通过该链路发送数据，直到心跳恢复正常。
7.根据权利要求1所述的一种多模车地综合移动数据传输系统，其特征在于，所述不同的通信单元与对应网关构成的无线链路将捆绑在一起形成一条逻辑上的无线链路，数据流能够在多个链路之间分担，当某个链路出现故障时，数据会自动切换到其他可用的链路上；不同无线链路之间相互冗余，发送的数据包经过发送方网关形成多份相同的拷贝数据包，通过不同的无线链路发送到接收方的网关，接收方网关按照数据包到达的先后次序进行过滤，过滤规则如下：
接收方网关记录当前接收到的最大报文标号Rn，如果待接收报文编号Pn大于Rn，则接收此报文，同时将报文接收时间戳添加到过滤器；
如果待接收报文编号Pn等于Rn，丢弃此报文；
如果待接收报文编号Pn小于Rn，在过滤器检查此报文是否已经接收，如果已接收则丢弃报文，否者接收报文，同时将报文接收时间戳添加到过滤器。
8.根据权利要求7所述的一种多模车地综合移动数据传输系统，其特征在于，所述过滤器采用整型数组，由32×32×32个整型元素，每个比特代表一个报文，最大报文序号为1048575，每32个报文一组，共享一个时间戳，过滤原则如下：
每组报文中在时间T范围内未更新，判定此组报文所有报文未接收，即不属于冗余报文；
否则，若报文编号对应的比特为0，则判定此报文未接收；
若报文编号对应的比特为1，且距离上次时间戳更新时间不大于T，判定此报文已接收过，属于冗余报文；
每组报文中任一报文接收后，令该报文编号对应的比特为1，同时更新时间戳。
9.根据权利要求1所述的一种多模车地综合移动数据传输系统，其特征在于，车载子系统与地面子系统之间采用全IP通信，需要统一分配IP地址；
地面子系统接入局域网采用172.17.1.0～172.17.255.255网段，子网掩码为24位，每个地面局域网最多支持254个主机；
车载子系统接入局域网采用10.0.0.1～10.255.255.255网段，子网掩码为24位，每个列车局域网最多支持254个主机，不同用户接入局域网IP地址统一分配；
车载子系统内部汇接局域网IP地址为固定分配，不同列车汇接局域网IP地址相同。
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