祝紅光，劉相坤，朱建軍，王元媛

（中國鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)算技術(shù)研究所， 北京 100081）

鐵路客運(yùn)資源一直是相對緊張的社會資源，需要合理管理和有效地利用。目前，鐵路客票管理和銷售基本依靠地面以車站為窗口的發(fā)售和預(yù)定系統(tǒng)，采用比較單一的固定窗口模式。運(yùn)行列車上的旅客服務(wù)和席位管理與地面得不到及時聯(lián)系，乘務(wù)工作基本處于孤立狀態(tài)。車地溝通問題束縛了補(bǔ)票、乘降管理等席位管理及旅客服務(wù)工作的開展。因此，運(yùn)行列車和地面系統(tǒng)需要建立有效的通信信道，基于該通道，建立席位管理和服務(wù)管理應(yīng)用系統(tǒng)，以提高列車席位利用率及車上服務(wù)和管理水平。

列車和地面通信受到多方面因素的影響。首先列車和地面必須通過無線移動信道進(jìn)行通信；并且列車具有地域跨度大的特點(diǎn)；車地應(yīng)用系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)量比較大，且交易流程復(fù)雜?；谶@些特點(diǎn)，構(gòu)建滿足廣闊區(qū)域跨度，又穩(wěn)定可靠的通信信道是系統(tǒng)建設(shè)的首要任務(wù)。

基于現(xiàn)有無線移動物理信道水平和地址分配模式，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要網(wǎng)絡(luò)層控制和應(yīng)用層控制。網(wǎng)絡(luò)層控制策略，降低因?yàn)榈刂分赶蝈e誤導(dǎo)致的丟包率；應(yīng)用層控制以超時控制和應(yīng)答協(xié)議保證數(shù)據(jù)信息的完整和交易流程的連貫性。

1 站車通信特點(diǎn)

1.1 復(fù)雜通信環(huán)境

一次列車可以跨越多個省市，如果沿途線路地理?xiàng)l件復(fù)雜，如山區(qū)、隧道等地理?xiàng)l件，將會影響無線通信的質(zhì)量。新型高速列車運(yùn)行速度超過300 km/h，停站時間非常短，很多中間站僅?？? min，致使利用停站時間傳輸數(shù)據(jù)不可行，大部分?jǐn)?shù)據(jù)需要在列車運(yùn)行中傳遞。另外，席位信息實(shí)時性要求高，超出限售區(qū)間，席位信息就成為失效信息。以上都要求通信協(xié)議層要在任何可以傳遞數(shù)據(jù)的時間區(qū)間內(nèi)快速交流數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的及時有效。

1.2 對等交互模式

車載終端和地面系統(tǒng)之間的業(yè)務(wù)信息是對等交流，即不是簡單的下載數(shù)據(jù)和瀏覽數(shù)據(jù)的通信方式。地面席位信息向列車發(fā)布的同時，列車信息也向地面匯總，這種對等模式區(qū)別于瘦終端系統(tǒng)的非對稱數(shù)據(jù)流模式。

在對等交互模式中，車上終端的指令單元和數(shù)據(jù)單元混合并存。簡短指令型和長篇幅的數(shù)據(jù)型通信單元需要不同的傳遞控制流程。在僅存在指令型通信單元的無線系統(tǒng)中，應(yīng)用控制協(xié)議會相對簡單。因此，在站車系統(tǒng)中，傳輸控制協(xié)議非常重要。

2 站車交互系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

2.1 UDP和TCP協(xié)議

無線數(shù)據(jù)通信有兩種協(xié)議可以采用：面向連接的傳輸控制協(xié)議（TCP）和非面向連接的用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）。

TCP（Transmission Control Protocol）需要先建立連接，后建立數(shù)據(jù)交流“通道”；數(shù)據(jù)是通過該“通道”進(jìn)行傳遞；數(shù)據(jù)交流完畢，需要關(guān)閉“通道”。數(shù)據(jù)傳輸中，TCP連接是個可靠的數(shù)據(jù)通道，能夠保證數(shù)據(jù)的完整性和順序性。在通道關(guān)閉之前，網(wǎng)絡(luò)不能中斷。如果出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障，TCP通道就會中斷，需要再次建立連接。

UDP（User Datagram Protocol）不保持一個固定的“通道”。每一個報(bào)文都從源點(diǎn)獨(dú)立地發(fā)向目的點(diǎn)。在傳輸過程中，不提供任何傳輸控制。UDP不保證報(bào)文到達(dá)目的點(diǎn)，也不能保證數(shù)據(jù)報(bào)文之間的順序。

2.2 站車系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議選擇

站車交互系統(tǒng)不是簡單的指令元系統(tǒng)（如短信系統(tǒng)），而是復(fù)雜的應(yīng)用交易系統(tǒng)。交易中存在交互流程。TCP協(xié)議適合站車交易流程。因?yàn)榻⒘薚CP連接，交易兩端就可以順序地進(jìn)行應(yīng)答對話，一切傳輸控制由TCP完成。

站車系統(tǒng)采用中國移動的GPRS（General Packet Radio Service）網(wǎng)絡(luò)為底層傳輸通道。在網(wǎng)絡(luò)通道不穩(wěn)定且終端IP動態(tài)變化的情況下，TCP連接會出現(xiàn)頻繁的重建，浪費(fèi)大量的網(wǎng)絡(luò)資源。嚴(yán)重時，應(yīng)用數(shù)據(jù)無法傳送。

UDP協(xié)議是站車交互系統(tǒng)所必須采用的傳輸層協(xié)議。UDP報(bào)文直接傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)，沒有復(fù)雜的連接建立過程。在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)間斷性數(shù)據(jù)傳輸。UDP每個報(bào)文都綁定目的地址，服務(wù)端可以通過地址查詢，實(shí)現(xiàn)每個UDP報(bào)文的目的地址隨終端IP變化而變化。UDP的缺點(diǎn)是沒有傳輸控制能力。傳輸過程中，應(yīng)用系統(tǒng)要負(fù)責(zé)控制補(bǔ)傳報(bào)文和報(bào)文順序。

3 站車通信控制協(xié)議

根據(jù)鐵路客運(yùn)站車交互系統(tǒng)無線通信的特點(diǎn)，采用UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。由于UDP協(xié)議是不可靠通信方式，要實(shí)現(xiàn)站車交易流程順暢和完整，系統(tǒng)應(yīng)用層必須具有通信控制協(xié)議。站車系統(tǒng)的通信控制主要體現(xiàn)在“動態(tài)地址查詢”、“指令應(yīng)答”和“數(shù)據(jù)傳送”方面。

3.1 動態(tài)地址查詢

在無線網(wǎng)絡(luò)兩端，終端是動態(tài)地址，信息發(fā)布服務(wù)器是固定地址。終端的每次連接都由移動系統(tǒng)在地址段內(nèi)動態(tài)分配一個IP地址。

移動終端的SIM卡號可以作為移動設(shè)備的唯一標(biāo)示。移動網(wǎng)絡(luò)每次都是面向SIM卡分配IP地址，所以SIM卡和IP地址存在固定的對應(yīng)關(guān)系。采用終端占用IP查詢的回應(yīng)方式，可以降低信息發(fā)布服務(wù)器的丟包率。

圖1 查詢IP通信圖

由圖1可見，利用SIM卡和IP地址的對應(yīng)關(guān)系，在回應(yīng)信息之前，信息發(fā)布服務(wù)器先查詢當(dāng)前該SIM卡所占用IP地址，再發(fā)送回應(yīng)報(bào)文，可以有效提高發(fā)送報(bào)文的命中率。

3.2 指令應(yīng)答

指令報(bào)文區(qū)別于數(shù)據(jù)報(bào)文。指令報(bào)文由指令字和參量構(gòu)成，所有參量的總字節(jié)長度小于一個站車系統(tǒng)報(bào)文長度限制（站車報(bào)文長度遠(yuǎn)小于UDP報(bào)文長度限制）。大于一個報(bào)文長度的數(shù)據(jù)需要分成多個報(bào)文發(fā)送，屬于“數(shù)據(jù)傳送”形式。

指令單元由來往兩個報(bào)文完成。

指令應(yīng)答中，交易任務(wù)的超時控制為“指令超時”，如果指令超時，會在有限次數(shù)重復(fù)發(fā)送。指令號是指令報(bào)文的唯一標(biāo)示，接收端接收到相同指令號的指令，采用丟棄后來者方式，以避免重復(fù)操作。

指令應(yīng)答是最簡單，也是最頻繁的報(bào)文控制形式。是交易流程實(shí)現(xiàn)的最小構(gòu)成單元。

3.3 數(shù)據(jù)傳送

UDP的報(bào)文受到網(wǎng)絡(luò)MTU的限制，即1個UDP包大小最好小于MTU。報(bào)文可以包含一個完整的命令字，一般數(shù)據(jù)必須先分片，再由多個UDP報(bào)文進(jìn)行傳輸。由于UDP無序且丟失概率高，所以保證數(shù)據(jù)傳送的完整性是重要的應(yīng)用層協(xié)議環(huán)節(jié)。該協(xié)議包括數(shù)據(jù)描述、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)補(bǔ)充3個環(huán)節(jié)，見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)完整控制

3.3.1 數(shù)據(jù)描述

數(shù)據(jù)描述是在數(shù)據(jù)發(fā)送前的握手指令，數(shù)據(jù)描述中攜帶數(shù)據(jù)描述信息，包括數(shù)據(jù)總大小、分片大小和數(shù)據(jù)發(fā)送標(biāo)識號。數(shù)據(jù)描述信息是接收端對數(shù)據(jù)完整性的檢測依據(jù)。接收端根據(jù)數(shù)據(jù)描述建立數(shù)據(jù)接收任務(wù)，并向發(fā)送端發(fā)送“確認(rèn)報(bào)文”。確認(rèn)報(bào)文中包括終端無線通道的容量信息，指導(dǎo)數(shù)據(jù)推送環(huán)節(jié)的策略實(shí)現(xiàn)。

發(fā)送端在數(shù)據(jù)描述指令得到確認(rèn)后發(fā)送數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)描述報(bào)文安全到達(dá)，且接收端準(zhǔn)備就緒。

3.3.2 數(shù)據(jù)推送

發(fā)送端接收到數(shù)據(jù)描述回應(yīng)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。首先，按照數(shù)據(jù)描述中的數(shù)據(jù)分片大小對數(shù)據(jù)分片包裝，然后向接收端發(fā)送。包裝中包括標(biāo)識號和偏移量。接收端會根據(jù)偏移量重新組合還原數(shù)據(jù)。

為了提高效率，發(fā)送數(shù)據(jù)采用單向推送方式，而不是應(yīng)答方式。即接收端無需確認(rèn)每個數(shù)據(jù)報(bào)文。發(fā)送端把全部分片發(fā)送到接收端，在無線信號良好的環(huán)境中，數(shù)據(jù)會準(zhǔn)確地到達(dá)接收端；在信號不穩(wěn)定的情況下，會造成數(shù)據(jù)報(bào)文的丟失，需要數(shù)據(jù)補(bǔ)充環(huán)節(jié)來保證數(shù)據(jù)完整。

在服務(wù)端向列車終端進(jìn)行數(shù)據(jù)推送過程中，由于終端接收能力的局限，瞬間大數(shù)據(jù)量會造成接收終端擁塞，致使數(shù)據(jù)報(bào)的丟失。服務(wù)端會根據(jù)握手時獲取的終端設(shè)備信息實(shí)施發(fā)送流量控制，避免因超出終端設(shè)備接收能力而造成大量數(shù)據(jù)報(bào)文丟失。

3.3.3 數(shù)據(jù)完整檢測和數(shù)據(jù)補(bǔ)充

在數(shù)據(jù)推送過程中，接收端每次接收到數(shù)據(jù)報(bào)文都檢測數(shù)據(jù)是否完整。一旦完整，就把數(shù)據(jù)提交到應(yīng)用層；如果不完整，繼續(xù)等待，直到超出數(shù)據(jù)接收時限。

接收端的任務(wù)超出數(shù)據(jù)接收時限，數(shù)據(jù)仍然存在缺失，任務(wù)進(jìn)入數(shù)據(jù)補(bǔ)充階段。根據(jù)缺失情況，接收端請求數(shù)據(jù)補(bǔ)發(fā)，發(fā)送端根據(jù)請求補(bǔ)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文，經(jīng)過多次補(bǔ)充過程，最終達(dá)到數(shù)據(jù)的完整。

數(shù)據(jù)描述、數(shù)據(jù)推送和數(shù)據(jù)補(bǔ)充構(gòu)成一個完整的數(shù)據(jù)傳遞協(xié)議，結(jié)合指令應(yīng)答，構(gòu)成基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)傳輸控制協(xié)議，為站車系統(tǒng)構(gòu)建了通信信道。

4 結(jié)束語

本文針對“鐵路站車無線交互系統(tǒng)”，著重討論了列車與地面的通信條件，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議比較和選擇，UDP報(bào)文的指令和數(shù)據(jù)傳輸控制方式，流量控制和動態(tài)IP查詢。利用以上討論內(nèi)容，為“鐵路站車無線交互系統(tǒng)”構(gòu)建了穩(wěn)定的通信信道。