CN110808816A - 一种铁路车地冗余无线数据通信方法 - Google Patents

一种铁路车地冗余无线数据通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铁路车地冗余无线数据通信方法，包括：通过铁路无线通信网络并行冗余协议rwPRP，在车载设备与地面设备之间通过不同无线通信网络建立多条互不交叉的传输路径，数据传输过程中，车载设备与地面设备作为通信实体，所述通信实体包含发送实体与接收实体；发送实体将待发送的数据包复制成多个副本，经由不同的传输路径发送到接收实体，接收实体选择最先到达的副本提供给目的终端用户，并基于改进的布隆过滤器丢弃后续到达的副本；传输过程中的发送实体与接收实体是指车载设备与地面设备。该方法可以有效的提高数据传输的稳定性和可靠性，也可以提高网络的故障容错能力，适合对数据传输时延、成功率、抖动等指标要求比较严苛的应用场景。

Description

一种铁路车地冗余无线数据通信方法
技术领域
本发明涉及铁路无线通信技术领域，尤其涉及一种铁路车地冗余无线数据通信方法。
背景技术
与列车运行控制、调度指挥密切相关的应用业务对列车与地面之间通信的可靠性和可用性具有严格的要求，通信故障会给铁路的运输秩序甚至运输安全带来威胁。
目前，中国和欧洲的列车控制系统均采用铁路专用数字移动通信系统在车载设备和轨旁设备之间交互数据，传送行车许可、位置报告等关键数据。随着智能铁路技术的不断推进，地震预警、列车自动驾驶等越来越多的业务需要通过无线通信网络承载，对铁路无线通信技术提出了新的挑战。
由于采用频率复用等因素，铁路所使用的蜂窝移动通信系统是干扰受限的，高速运行的列车所面临的无线通信环境也比较复杂，无线干扰、移动台越区切换、高速条件下的多普勒频移、无线通信网络临时故障、移动台临时故障因素均有可能导致正在传输中的数据丢失或带来额外的延时。因而，有必要改进现有的通信方案，以提高车地之间无线数据通信的可靠性、实时性等性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种铁路车地冗余无线数据通信方法，可以有效的提高数据传输的稳定性和可靠性，也可以提高网络的故障容错能力，适合对数据传输时延、成功率、抖动等指标要求比较严苛的应用场景。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种铁路车地冗余无线数据通信方法，包括：
通过铁路无线通信网络并行冗余协议rwPRP，在车载设备与地面设备之间通过不同无线通信网络建立多条互不交叉的传输路径，数据传输过程中，车载设备与地面设备作为通信实体，所述通信实体包含发送实体与接收实体；发送实体将待发送的数据包复制成多个副本，经由不同的传输路径发送到接收实体，接收实体选择最先到达的副本提供给目的终端用户，并基于改进的布隆过滤器丢弃后续到达的副本；传输过程中的发送实体与接收实体是指车载设备与地面设备。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，基于rwPRP协议(Railwaywirelessparallel redundancy protocol，铁路无线通信网络并行冗余协议)构建数据冗余传输体系结构，从而通过不同路径传送同一数据包的多个副本，能够有效的提高车地之间无线数据通信的可靠性、实时性等性能。
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铁路车地冗余无线数据通信方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的铁路车地冗余无线数据通信系统示意图；
图3为本发明实施例提供的引入冗余适配层的rwPRP协议模型；
图4为本发明实施例提供的铁路车地冗余无线数据通信系统的协议栈示意图；
图5为本发明实施例提供的数据包复制原理图；
图6为本发明实施例提供的冗余数据消除方式的流程图。
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铁路车地冗余无线数据通信方法，如图1所示，其主要包括：
通过铁路无线通信网络并行冗余协议rwPRP，在车载设备与地面设备之间通过不同无线通信网络建立多条互不交叉的传输路径，数据传输过程中，车载设备与地面设备作为通信实体，所述通信实体包含发送实体与接收实体。发送实体将待发送的数据包复制成多个副本，经由不同的传输路径发送到接收实体，接收实体选择最先到达的副本提供给目的终端用户，并基于改进的布隆过滤器丢弃后续到达的副本。
本发明实施例上述方案，使用rwPRP协议可以在列车与地面之间建立多条互不交叉的传输路径，可以有效的提高数据传输的稳定性和可靠性，也可以提高网络的故障容错能力，适合对数据传输时延、成功率、抖动等指标要求比较严苛的应用场景。
为了便于说明，下面从系统架构、协议模型、与协议的实现方式三个方面进行介绍。
一、系统架构。
如图2所示，示例性的给出了由两个无线通信网络组成的铁路车地冗余无线数据通信系统，轨旁设备(即地面设备)通过有线传输通道与无线通信网络连接，车载设备配置移动台接入到无线通信网络。如图2所示的通信系统中，地面设备与车载设备是可以双向通信的，因而，传输过程中的发送实体可以是车载设备与地面设备，接收实体也可以是车载设备与地面设备。
还参见图2，所述车载设备与地面设备划分为冗余连接用户和单连接用户。所述冗余连接用户实现了rwPRP协议，与多个无线通信网络连接。所述单连接用户通过冗余网关接入到多个无线通信网络，冗余网关实现了rwPRP协议，可以支持既有应用业务在不改变现有工作方式的前提下为具备冗余通信能力。
此外，对于某些非关键业务，不需要冗余的情况下，可以将单连接用户直接连接到某一个通信网络。
二、协议模型。
为了使得既有铁路应用业务能够无缝迁移到支持rwPRP协议的网络之中，降低应用业务部署成本，rwPRP协议对应用业务透明，使用TCP/IP协议在车地之间传送数据用户软硬件无需任何更改即可实现冗余通信。本发明实施例中，在车地数据通信协议栈的数据链路层和网络层之间增加了冗余适配层，支持在车载设备与地面设备之间建立多个冗余的传输路径，每个传输路径可以使用不同的无线通信网络承载，同时，冗余适配层为应用业务提供透明的TCP/IP服务，用户无需了解冗余协议实现的细节，因此，采用TCP/IP协议的应用无需做任何改动即可使用发明提出的铁路车地冗余无线数据通信方法。
如图3所示，为引入冗余适配层的rwPRP协议模型。
引入冗余适配层后，传输层服务访问点未发生变化，rwPRP协议模型对等实体之间仍可以使用常规的TCP、UDP及ICMP等协议进行会话。根据信息交换目的的不同，rwPRP模型将消息划分为控制平面、数据平面和管理平面。
控制平面：控制平面消息为用户控制本地通信实体的行为。铁路沿线不同无线通信网络的承载能力、性能指标和资费水平等特征具有较大差异，用户可以通过控制平面动态调整无线通信网络中的冗余策略，指定一个或多个无线通信网络同时传输数据。同时，不同的铁路应用业务具有不同的优先级，对带宽、传输时延等指标的要求不尽相同，用户也可以通过控制平面指定QoS(Quality of Service，服务质量)参数，由无线通信网络提供相应的Qos保障机制。此外，用户还可以通过控制平面指定冗余数据消除相关参数，实现数据消除效率和准确率的折中。rwPRP协议模型不强制要求用户实现控制平面接口，铁路应用业务可以使用默认的控制策略及参数。
数据平面：实现发送实体在冗余适配层将应用业务发送的数据包复制成多个副本，通过不同的无线通信网络对应的传输路径发送到接收实体，接收实体在冗余适配层判别数据是否为冗余副本，进而选择最先到达的副本发送给终端用户，丢弃其它副本。
管理平面：发送实体和接收实体实时监督无线通信链路的工作状态，包括链路的状态、发送速率、接收速率、数据重发率估算、传输延时估算及移动台接收电平等关键测量结果，供用户统计分析网络的性能或进行相应的控制操作。
此外，数据传输过程中，根据参与者角色的不同，划分为终端用户和冗余连接代理两类逻辑实例。
所述终端用户用于为对应的发送实体或者接收实体提供数据通信服务；此处提到的终端用户是一个统一概念，发送实体端与接收实体端可以各自存在至少一个终端用户，在进行数据传输时，由发送实体端的终端用户通过发送实体发送数据包，由接收实体将接收到的数据包发送给目的终端用户(即接收实体端的终端用户)。
示例性的，终端用户可以为：列车自动驾驶系统(车载设备)中的无线通信单元、地震预警监测系统(地面设备)中的无线通信接口服务器等。
冗余连接代理实现了rwPRP协议，可以和终端用户运行在同一个设备，也可以运行在独立的设备中作为终端用户的网关。铁路车地冗余无线数据通信系统的协议栈如图4所示。
所述终端用户采用标准的TCP/IP协议栈，数据链路层之上各层实现对等实体之间的通信，telnet、Ping、FTP(File Transfer Protocol，文件传输协议)、HTTP(HyperTextTransfer Protocol、超文本传输协议)等应用业务均能够通过车地冗余数据传输系统承载。
所述冗余连接代理用于实现rwPRP协议，在数据链路层之上实现数据复制、冗余数据消除等功能，为IP层及以上各层提供透明的通信服务。冗余连接代理之间可以采用UDP协议建立IP隧道，将IP报文发送到接收端，可以根据无线通信网络的不同选择数据链路层协议，如PPP(Point-to-Point Protocol，点对点协议)、HDLC(High-Level Data LinkControl，高级数据链路控制)和802.3协议簇等。
三、协议的实现方式。
1、数据包复制方式。
如图5所示，发送实体将待发送的数据包复制成多个副本的过程如下：
1)发送实体中的冗余连接代理捕获终相应终端用户发送的数据链路层原始码流，将以太网帧头删除，保留IP报文。
2)在IP报文之前添加rwPRP帧头，rwPRP帧头由rwPRP版本号和rwPRP序号两个字段构成，版本号用于标识rwPRP协议的版本，rwPRP序号用于标识rwPRP帧，同一个rwPRP帧的每个副本rwPRP序号均相同，在一定时间窗口内，rwPRP序号、源IP地址和目的IP地址能够唯一标识1个rwPRP帧；因此，通过接收实体通过rwPRP序号可以判断rwPRP帧是否为冗余帧。示例性的，假如产生了5个副本，rwPRP序号均为100，接收实体收到5个rwPRP序号均为100的副本后，可以判断其为冗余帧，此时只保留第一个副本。
3)对于每一个无线通信网络，在rwPRP帧之前添加相应UDP头和IP头，在无线通信网络两端建立IP隧道，传送rwPRP帧。
2、冗余数据消除方式。
发送实体将IP报文多个完全相同的副本经由不同的路径发送到接收实体，在TCP/IP协议中，冗余的数据可能会影响数据传输的性能。因此，接收实体需要根据rwPRP序号对IP报文进行过滤，只保留一份最先到达的IP报文。接收实体对于每一对源IP地址和目的IP地址之间的会话执行冗余数据消除，其流程如图6所示。
接收实体保存当前已接收的最大rwPRP帧序号，当接收到rwPRP帧的序号大于最大rwPRP帧序号时，则判断相应的rwPRP帧不属于冗余帧并更新当前最大rwPRP帧序号，否则使用冗余帧判别算法判断相应的rwPRP帧是否属于冗余帧；如果判别为冗余帧，接收实体直接丢弃；否则，接收实体使用ARP(Address Resolution Protocol，地址解析协议)查询目的终端用户的MAC地址，删除rwPRP帧头，添加以太网帧头，形成完整的以太网报文发送给目的终端用户。
3、冗余帧判别算法。
冗余数据消除会给车地之间的数据传输带来额外的时延，需要使用高效的算法实现冗余帧判别，但算法的效率和冗余辨别准确性之间是相互矛盾的，如果不允许出现冗余帧误判，必然需要使用时间复杂度和空间复杂的相对较高的算法。特别对于车载装备，受到安装空间、工作环境、可靠性要求等因素的限制，难以使用存储空间和计算能力要求高的算法。因此，本发明使用基于布隆过滤器的冗余帧判别算法，在允许一定概率误判的前提下提高算法的效率。
标准的布隆过滤器由一个数组B和一组散列函数构成，用于检索某一元素是否属于给定的集合。布隆过滤器中的数组B长度为m，每1项占用1个比特，均初始化为0。布隆过滤器共有k个相关独立的哈希函数h0,h1,…,hk-1，每个哈希函数的值域为[0,m-1]。对于一个集合S＝{x0,x1,…,xn-1}，使用k个哈希函数将其编码到长度为m的比特数组中。
标准的布隆过滤器不支持删除操作，集合中的某个元素通过散列函数映射到数组B中的k个位置，尽管可以通过将其中任何一位设置为0删除该元素，但有可能同时将映射到该位置的其它元素删除。对于车地数据传输应用而言，已接收的IP报文构成的集合应该随着时间不断更新，实时插入新的元素、删除旧的元素。
为此，本发明实施例引入了具备倒计时功能的计数布隆过滤器，实现冗余帧判别，解决带过滤的数据集合实时更新问题。
计数布隆过滤器的将数组B由1个比特扩展为多个比特构成的计数器，进而支持元素的删除操作；当向集合插入一个元素(即一个rwPRP帧)时，数组B中对应项的值加1；当从集合中删除一个元素时，数组B中对应项的值减1；冗余帧判别过程如下：
元素插入操作：对于待插入的一个rwPRP帧x，使用k个哈希函数计算其散列值，从而将数组B中第hj(x)个比特设置为cmax，其中0≤j≤k-1，cmax为计数器的最大值。示例性的，计数器占用4个比特，则cmax＝15。
倒计时操作：每经过时间片τ，将数组B中每一项非0的计数器减1，通过倒计时操作，rwPRP帧x插入后cmax×τ时间后便会被删除；
查询操作：对于当前rwPRP帧y，检查数组B的第hj(y)位数值，如果所有的数值均大于0，则y∈S，否则其中，S代表接收实体保存的一定时间窗口内接收到的数据集合，y∈S说明当前rwPRP帧y是冗余帧，
Figure BDA0002260947520000072
说明当前rwPRP帧y是非冗余帧。
本发明实施例上述方案，获得如下有益效果：
(1)基于rwPRP协议构建数据冗余传输体系结构，提高了车地之间数据通信性能。
(2)提出的rwPRP协议，在传统的车地数据传输协议栈数据链路层与网络层之间引入冗余适配层，通过不同路径传送同一数据包的多个副本，使得应用系统在不改变车地之间数据传输业务模式的前提下具备了冗余通信能力。
(3)设计了倒计时计数型布隆过滤器，在传统布隆过滤器基础上通过扩充位数组并引入倒计时机制，支持元素随时间推移的动态插入、删除及查找，用于rwPRP协议冗余帧判别，实现了较低的时间复杂度和空间复杂度。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
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 (7)

1.一种铁路车地冗余无线数据通信方法，其特征在于，包括：
通过铁路无线通信网络并行冗余协议rwPRP，在车载设备与地面设备之间通过不同无线通信网络建立多条互不交叉的传输路径，数据传输过程中，车载设备与地面设备作为通信实体，所述通信实体包含发送实体与接收实体；发送实体将待发送的数据包复制成多个副本，经由不同的传输路径发送到接收实体，接收实体选择最先到达的副本提供给目的终端用户，并基于改进的布隆过滤器丢弃后续到达的副本；传输过程中的发送实体与接收实体是指车载设备与地面设备。
2.根据权利要求1所述的一种铁路车地冗余无线数据通信方法，其特征在于，所述车载设备与地面设备划分为冗余连接用户和单连接用户；所述冗余连接用户与多个无线通信网络连接；所述单连接用户通过冗余网关接入到多个无线通信网络。
3.根据权利要求1所述的一种铁路车地冗余无线数据通信方法，其特征在于，在车地数据通信协议栈的数据链路层和网络层之间增加了冗余适配层，形成rwPRP协议模型；
增加冗余适配层后，根据信息交换目的的不同，rwPRP协议模型将消息划分为控制平面、数据平面和管理平面；
控制平面：控制平面消息为用户控制本地通信实体的行为；用户通过控制平面动态调整无线通信网络中的冗余策略，指定一个或多个无线通信网络同时传输数据，通过控制平面指定服务质量参数，或者通过控制平面指定冗余数据消除相关参数；
数据平面：实现发送实体在冗余适配层将应用业务发送的数据包复制成多个副本，通过不同的无线通信网络对应的传输路径发送到接收实体，接收实体在冗余适配层判别数据是否为冗余副本，进而选择最先到达的副本发送给终端用户，丢弃其它副本；
管理平面：发送实体和接收实体实时监督无线通信链路的工作状态，包括链路的状态、发送速率、接收速率、数据重发率估算、传输延时估算及移动台接收电平的测量结果，供用户统计分析网络的性能或进行相应的控制操作。
4.根据权利要求1或3所述的一种铁路车地冗余无线数据通信方法，其特征在于，
数据传输过程中，根据参与者角色的不同，划分为终端用户和冗余连接代理两类逻辑实例；
所述终端用户用于为对应的发送实体或者接收实体提供数据通信服务；所述终端用户采用标准的TCP/IP协议栈，数据链路层之上各层实现对等实体之间的通信；
所述冗余连接代理用于实现rwPRP协议，冗余连接代理之间采用通信协议建立IP隧道，实现数据收发。
5.根据权利要求4任一项所述的一种铁路车地冗余无线数据通信方法，其特征在于，发送实体将待发送的数据包复制成多个副本包括：
发送实体中的冗余连接代理捕获终数据链路层原始码流，将以太网帧头删除，保留IP报文；
在IP报文之前添加rwPRP帧头，rwPRP帧头由rwPRP版本号和rwPRP序号两个字段构成，版本号用于标识rwPRP协议的版本，rwPRP序号用于标识rwPRP帧，同一个rwPRP帧的每个副本rwPRP序号均相同，在一定时间窗口内，rwPRP序号、源IP地址和目的IP地址能够唯一标识1个rwPRP帧；
对于每一个无线通信网络，在rwPRP帧之前添加相应UDP头和IP头，在无线通信网络两端建立IP隧道，传送rwPRP帧。
6.根据权利要求5任一项所述的一种铁路车地冗余无线数据通信方法，其特征在于，
接收实体根据rwPRP序号对IP报文进行过滤，只保留一份最先到达的IP报文，包括：
接收实体保存当前已接收的最大rwPRP帧序号，当接收到rwPRP帧的序号大于最大rwPRP帧序号时，则判断相应的rwPRP帧不属于冗余帧并更新当前最大rwPRP帧序号，否则使用冗余帧判别算法判断相应的rwPRP帧是否属于冗余帧；如果判别为冗余帧，接收实体直接丢弃；否则，接收实体使用地址解析协议查询目的终端用户的MAC地址，删除rwPRP帧头，添加以太网帧头，形成完整的以太网报文发送给目的终端用户。
7.根据权利要求6任一项所述的一种铁路车地冗余无线数据通信方法，其特征在于，使用冗余帧判别算法判断相应的rwPRP帧是否属于冗余帧包括：
使用具备倒计时功能的计数布隆过滤器，实现冗余帧判别；计数布隆过滤器的将数组B由1个比特扩展为多个比特构成的计数器，进而支持元素的删除操作；所述元素包括rwPRP帧；当向集合插入一个rwPRP帧时，数组B中对应项的值加1；当从集合中删除一个rwPRP帧时，数组B中对应项的值减1；冗余帧判别过程如下：
元素插入操作：对于待插入的一个rwPRP帧x，使用k个哈希函数计算其散列值，从而将数组B中第hj(x)个比特设置为cmax，其中0≤j≤k-1，cmax为计数器的最大值；
倒计时操作：每经过时间片τ，将数组B中每一项非0的计数器减1，通过倒计时操作，rwPRP帧x插入后cmax×τ时间后便会被删除；
查询操作：对于当前rwPRP帧y，检查数组B的第hj(y)位数值，如果所有的数值均大于0，则y∈S，否则
Figure FDA0002260947510000031
其中，S代表接收实体保存的一定时间窗口内接收到的数据集合，y∈S说明当前rwPRP帧y是冗余帧，
Figure FDA0002260947510000032
说明当前rwPRP帧y是非冗余帧。
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