列車車地?zé)o線多鏈路并行傳輸系統(tǒng)研究

何 鵬，李 輝

（中國鐵路蘭州局集團有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

近年來，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展為列車運行數(shù)據(jù)多路徑、高帶寬傳輸?shù)於思夹g(shù)基礎(chǔ)。WiFi和3G/4G等多種無線通信技術(shù)不斷出現(xiàn)，使得網(wǎng)絡(luò)接入方式日益豐富。隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展和移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益先進，支持多種無線通信技術(shù)的多鏈路終端技術(shù)得到發(fā)展，滿足了多樣化終端用戶對多元化業(yè)務(wù)的需求。例如，目前智能手機一般都可以同時支持多種3G/4G和WiFi等無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。與此同時，我國軌道交通行業(yè)正在取得快速發(fā)展。《2018年鐵道統(tǒng)計公報》[1]顯示，與上年相比，全國的鐵路旅客發(fā)送量增加了2.91億，旅客的周轉(zhuǎn)量增長了5.1%。在列車檢修過程中，當機車在進入機務(wù)段時，通過無線鏈路將各種車載設(shè)備和儀器監(jiān)測的所有視頻和文件數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)儲，以支撐相關(guān)工作人員對車輛行駛狀況進行大數(shù)據(jù)分析，是信息化鐵路的迫切需求。由于目前的單鏈路傳輸技術(shù)無法滿足大數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)儲的需求，如何利用多鏈路并行通信技術(shù)實現(xiàn)快速自適應(yīng)轉(zhuǎn)儲，是鐵路領(lǐng)域的重要研究課題之一。為此，本文設(shè)計了一種車地?zé)o線多鏈路并行傳輸系統(tǒng)方案并在機務(wù)段進行了實地測試。

1 無線鏈路傳輸技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

目前，比較有代表性的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括藍牙技術(shù)、WiFi技術(shù)和4G移動通信技術(shù)。

藍牙是一種主要應(yīng)用于近距離通信的無線技術(shù)。藍牙主要工作在2.45 GHz ISM頻段，具備功耗小、輻射低、電路簡單及移植性高等特點，但是并不適用于鐵路環(huán)境中距離較遠、環(huán)境復(fù)雜的場景。

WiFi技術(shù)主要基于IEEE 802.11系列標準協(xié)議，目前已支持IEEE 802.11ad標準。IEEE 802.11系列標準中的主要工作頻段在2.4～5.8 GHz之間；但IEEE 802.11ad拋棄了目前較為擁擠的2.4～5.8 GHz頻段，轉(zhuǎn)而采用了更高頻的60 GHz頻段。WiFi技術(shù)覆蓋范圍較大，半徑最長可達數(shù)十至上百米，且WiFi技術(shù)的應(yīng)用范圍和場景也在日益豐富和擴大；但是WiFi技術(shù)存在數(shù)據(jù)報文沖突的問題，多個WiFi接入點（access point，AP）之間極易發(fā)生互相干擾現(xiàn)象，影響數(shù)據(jù)的傳輸效率。路局現(xiàn)場測試表明，WiFi技術(shù)在移動切換過程中，經(jīng)常出現(xiàn)速率急劇下降的現(xiàn)象，難以滿足列車在移動過程中的高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲要求。

4G移動通信技術(shù)是對3G通信技術(shù)的升級，其實際傳輸速率通?？蛇_到20 Mbit/s以上，理想情況下甚至可達100 Mbit/s左右。5G技術(shù)雖然開始被民用，但目前尚缺乏針對鐵路系統(tǒng)這種有高安全性和高可靠性要求應(yīng)用環(huán)境的研究。4G技術(shù)目前較為成熟和穩(wěn)定，是一種適合應(yīng)用于列車車地數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)手段。

1.2 多路徑并行傳輸機制

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常具有多條端到端的可用傳輸路徑，各種終端設(shè)備也逐漸具備了多種無線接口，多路徑并行傳輸已成為國內(nèi)外重要的理論研究方向[2]。

互聯(lián)網(wǎng)中常用的傳輸控制協(xié)議(transmission control protocol, TCP)是一個單路徑傳輸協(xié)議。TCP連接在建立時會綁定到兩個通信終端的單個IP地址，其中任何一個終端地址如果發(fā)生變化，TCP連接將被中斷并需要重新建立連接。在多路徑網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，TCP的單路徑傳輸機制不能完全滿足用戶需求，降低了鏈路的使用效率。

多路徑傳輸控制協(xié)議(multipath TCP, MPTCP)是對TCP的重要改進[3-4]。MPTCP可以在單個傳輸連接中同時利用多條路徑，從而有效解決TCP存在的效率低等問題。MPTCP的研究重點是多鏈路設(shè)備之間的端到端通信如何高效、靈活地利用多條通信路徑，其設(shè)計遵循兩個主要原則：(1)服務(wù)兼容性，應(yīng)用服務(wù)只要能在TCP環(huán)境下運行，就可不做任何改進地運行于MPTCP環(huán)境；(2)網(wǎng)絡(luò)兼容性，MPTCP協(xié)議對其他網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議保持兼容而不是完全替換，其功能模塊如圖1所示。可以看出，MPTCP協(xié)議子層位于運輸層和應(yīng)用層之間，可以為同一個應(yīng)用維護多條可用路徑，并同時管理多個TCP子流。MPTCP主要包含4大功能模塊，分別是路徑維護、調(diào)度控制、子流接口和擁塞管控。

圖1 MPTCP功能模塊Fig.1 Function modules of MPTCP

盡管包含MPTCP在內(nèi)的并行多路傳輸機制在理論上可以提高傳輸吞吐量，但在實際應(yīng)用環(huán)境中，并行多路傳輸?shù)男阅軈s不理想，主要原因是大多數(shù)并行多路傳輸機制無法對具備差異性的鏈路進行有效的適配，缺少根據(jù)實際傳輸路徑實時制定動態(tài)的調(diào)度策略，使得質(zhì)量較差的鏈路影響了質(zhì)量較好的鏈路的傳輸性能。因此，未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢是增加多路徑傳輸機制對網(wǎng)絡(luò)不確定性的支持，及時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的丟包率、時延等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)[5-6]，通過多路徑來提高并行傳輸?shù)耐掏铝縖7]和可靠性[8]，進一步滿足各類應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求。

2 列車無線多鏈路并行傳輸功能需求

現(xiàn)有列車車地視頻文件的轉(zhuǎn)儲通常采用U盤或硬盤拷貝的方法，不僅易造成設(shè)備接口的損壞，而且還存在病毒感染的風(fēng)險。

針對機車車載安全防護系統(tǒng)（6A系統(tǒng)）視頻文件大數(shù)據(jù)傳輸問題，傳統(tǒng)的單鏈路無線數(shù)據(jù)傳輸方式不足之處在于：

（1）傳輸速率較慢，不能滿足實際傳輸需求。例如：每輛列車需要在?？空麄涞臅r間內(nèi)，完成對車上監(jiān)控視頻文件向地面設(shè)備的傳輸工作，視頻大小往往有數(shù)十千兆字節(jié)，傳統(tǒng)的單鏈路無線傳輸方式很難滿足在有限時間內(nèi)高速率傳輸?shù)男枨蟆?/p>

（2）大數(shù)據(jù)的傳輸過程當中，一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定或者其他不可控因素導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)中斷，則所有數(shù)據(jù)可能需要重新轉(zhuǎn)儲，無法滿足應(yīng)用需求。

（3）當?？康牧熊嚁?shù)量較多而其中大部分的車輛都需要進行大量的車地數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲時，傳統(tǒng)的單鏈路傳輸方式會爭奪網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，進而導(dǎo)致傳輸速率和穩(wěn)定性的下降。

列車無線多鏈路并行傳輸系統(tǒng)的設(shè)計需要充分考慮實際需求和現(xiàn)有機制的不足。首先，針對在列車移動環(huán)境下無線鏈路的不穩(wěn)定性，現(xiàn)有的多路徑傳輸方案，如MPTCP，極易產(chǎn)生緩沖區(qū)阻塞，并不能充分利用路徑帶寬；其次，在傳輸視頻和數(shù)據(jù)文件時，現(xiàn)有機制的調(diào)度粒度（調(diào)度粒度是指批量文件被拆分到多鏈路傳輸時的分塊方法和分塊大小程度）比較單一，例如在傳輸層基于數(shù)據(jù)包級別的調(diào)度粒度或者在操作系統(tǒng)中基于文件級別的調(diào)度粒度，均不能充分利用多無線鏈路的傳輸資源。

基于上述無線鏈路傳輸現(xiàn)狀，在車載設(shè)備和地面服務(wù)器的文件傳輸過程中，需要充分利用移動環(huán)境中多鏈路網(wǎng)絡(luò)資源；采用合理的動態(tài)數(shù)據(jù)流量分配原則，盡可能以最短的總傳輸時間將車載終端的文件通過多鏈路并行傳輸?shù)降孛鎽?yīng)用服務(wù)器中，以提高整個系統(tǒng)的傳輸性能。

結(jié)上分析，實現(xiàn)列車多路徑并行傳輸系統(tǒng)需要滿足以下功能需求：

（1）在列車大數(shù)據(jù)量視頻文件傳輸環(huán)境下，能有效利用多無線鏈路，從而提升系統(tǒng)傳輸性能；

（2）可以根據(jù)無線鏈路的網(wǎng)絡(luò)狀況，自適應(yīng)地調(diào)整數(shù)據(jù)的分發(fā)粒度，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源；

（3）系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠地進行傳輸，保證文件傳輸?shù)耐暾院驼_性。

3 無線多鏈路并行傳輸設(shè)計和應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

車地并行大數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)需要增加多鏈路車載設(shè)備，其主要功能是從機車系統(tǒng)提取視頻文件等數(shù)據(jù)。當提取到所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)之后，可通過多路無線鏈路與地面設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸和通信。為了提高數(shù)據(jù)的傳輸效率，車載設(shè)備與地面設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信時，智慧地使用多線程技術(shù)進行分包，然后通過地面設(shè)備進行相應(yīng)的重組處理。地面設(shè)備收到車載設(shè)備傳輸回來的數(shù)據(jù)后，可將數(shù)據(jù)上傳到應(yīng)用服務(wù)器當中，以供后期處理使用。

針對車地視頻數(shù)據(jù)的傳輸需求，提出列車并行多路徑傳輸系統(tǒng)，滿足前述的3個功能需求。整個系統(tǒng)的設(shè)計場景如圖2所示。在多鏈路無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，該系統(tǒng)將多列列車的所有視頻文件通過多條無線鏈路并行傳輸?shù)降孛娣?wù)器中。整個系統(tǒng)設(shè)計總體可以分為以下組成部分：數(shù)據(jù)源、車載設(shè)備、無線組網(wǎng)、地面設(shè)備及應(yīng)用服務(wù)器。

圖2 列車并行多路徑傳輸系統(tǒng)Fig.2 Train multipath transmission system

（1）數(shù)據(jù)源

對于整個系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)源可以是列車已安裝的中國機車遠程監(jiān)測與診斷系統(tǒng)（Chinese locomotive remote monitoring and diagnosis system， CMD）以及與其配套使用的6A系統(tǒng)。在CMD/6A系統(tǒng)中，存儲著列車在運行過程中的各種信息數(shù)據(jù)，其中包括列車視頻監(jiān)控文件及列車上的其他數(shù)據(jù)信息文件。在本文中，主要面向的對象是數(shù)據(jù)量較大、傳輸?shù)降孛嬖O(shè)備耗時較長的視頻監(jiān)控文件。由于列車線路的長度決定了列車可能需要的運行時間，在整個運行過程中產(chǎn)生的視頻文件大小與其在鐵路上運行的時間成正比，數(shù)據(jù)量可達數(shù)十千兆字節(jié)。

（2）車載設(shè)備

車載設(shè)備在整個系統(tǒng)中所起的作用是與數(shù)據(jù)源連接，并且能夠?qū)?shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)提取到車載設(shè)備當中，再通過與系統(tǒng)中的無線網(wǎng)絡(luò)建立多鏈路的連接，將數(shù)據(jù)回傳到地面設(shè)備上。

（3）無線組網(wǎng)

無線組網(wǎng)由車載客戶終端設(shè)備（customer premise equipment，CPE）和路邊基站組成，其采用非授權(quán)頻段的LTE技術(shù)，系統(tǒng)容量能滿足高速傳輸?shù)膸捫枨蟆?/p>

（4）地面設(shè)備

地面設(shè)備在整個系統(tǒng)中所起的作用是與無線基站連接，并且將車載設(shè)備發(fā)送過來的數(shù)據(jù)緩存，然后將車載設(shè)備處理過的數(shù)據(jù)文件還原成原始文件。

（5）應(yīng)用服務(wù)器

在系統(tǒng)中，應(yīng)用服務(wù)器對數(shù)據(jù)進行長時間、穩(wěn)定地存儲，并提供后期的數(shù)據(jù)分析和處理功能。

在整個系統(tǒng)中，實時交互功能和并行傳輸功能是核心，下面將分別進行介紹。

3.2 文件信息實時交互功能

實時交互功能主要運行于車載設(shè)備和地面設(shè)備上，進行設(shè)備間文件信息的實時交互（圖3）。

圖3 文件信息實時交互流程Fig.3 Real-time interaction fl ow for files

首先，需要將車載設(shè)備上的視頻文件通過無線多鏈路傳輸?shù)降孛嬖O(shè)備，地面設(shè)備需要在開始傳輸之前獲取文件的屬性信息，包括文件名、文件大小等。車載設(shè)備和地面服務(wù)器還需了解對方的IP地址，以便建立多路徑傳輸。

其次，在多鏈路數(shù)據(jù)傳輸過程中，一旦某個文件成功完成傳輸，地面設(shè)備需要及時通知車載設(shè)備該文件已經(jīng)完成傳輸，車載設(shè)備需將對應(yīng)文件的數(shù)據(jù)庫標志位更新。在無線環(huán)境下，通知信息可能會因為無線鏈路的不穩(wěn)定而丟失，因此所設(shè)計的通知信息需采用短連接的方式，即每次通知信息發(fā)送成功后，該連接占用的通信資源將被釋放。當有新的通知消息需要發(fā)送時，在一條穩(wěn)定的無線鏈路上重新建立新的短連接進行發(fā)送。車載設(shè)備收到通知消息后，在數(shù)據(jù)庫中更新對應(yīng)的文件傳輸標志位。

車載設(shè)備中的新文件可能隨時生成，需要實時查詢新文件信息，并將新文件信息及時通告給地面設(shè)備，以便進行文件傳輸。

3.3 并行傳輸功能

并行傳輸功能主要是基于多無線鏈路進行并行傳輸（圖4）。

圖4 并行傳輸處理流程Fig.4 Process for parallel transmission

首先，車載設(shè)備和地面設(shè)備在獲取雙方的IP地址集合后，通過多線程技術(shù)來建立多個數(shù)據(jù)傳輸連接，并在多個無線鏈路上并行執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，以保障數(shù)據(jù)的高帶寬、高可靠性傳輸。

其次，在并行傳輸過程中，還需要同時完成對大文件的分拆和重組，以提高多無線鏈路的利用效率。車載設(shè)備根據(jù)文件大小和鏈路狀態(tài)動態(tài)拆分文件并將數(shù)據(jù)塊分配到每條路徑。當?shù)孛嬖O(shè)備監(jiān)測到同一文件的數(shù)據(jù)塊均已傳輸成功后，立刻進行完整文件的重新生成。采用視頻文件拆分傳輸并實時重新生成的傳輸方式，有效降低了系統(tǒng)處理時間，提升了系統(tǒng)效率。

3.4 部署和應(yīng)用效果

在實際測試場景中，數(shù)據(jù)首先從車載設(shè)備通過6條無線鏈路傳送到地面基站，然后再轉(zhuǎn)發(fā)到地面設(shè)備。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，列車處于檢修狀態(tài)，有可能靜止或行駛，無線鏈路環(huán)境不穩(wěn)定。

在現(xiàn)場進行了多鏈路并行傳輸與單鏈路傳輸對比，如圖5所示。在機車移動過程中，單條無線鏈路的傳輸帶寬在10～40 Mbit/s之間波動，而多鏈路并行傳輸可以有效地利用所有無線鏈路的帶寬資源，使得整體傳輸速率穩(wěn)定在170～210 Mbit/s之間。單條無線鏈路的理論傳輸帶寬40 Mbit/s，在多次測試中，6條無線鏈路并行傳輸?shù)钠骄鶐掃_183.8 Mbit/s，并行傳輸?shù)膸捓寐蔬_到了理論值的80.5%，并行傳輸性能提升到了單條鏈路的4.83倍。

圖5 多鏈路并行傳輸與單鏈路傳輸對比Fig.5 Comparison between multi-link parallel transmission and single-link transmission

如圖6～圖7所示，在機務(wù)段實際場景中，對系統(tǒng)功能進行了全面的測試分析，包括數(shù)據(jù)采集、文件信息實時交互、多鏈路并行傳輸及系統(tǒng)容錯性處理等。結(jié)果表明，按照各系統(tǒng)功能所需在車載設(shè)備上所采集的數(shù)據(jù)準確，在應(yīng)用服務(wù)器中存儲無誤，滿足了文件高效、自適應(yīng)轉(zhuǎn)儲的需求。本系統(tǒng)相對于現(xiàn)有的機車數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲機制具有比較明顯的優(yōu)勢。

圖6 系統(tǒng)部署和應(yīng)用場景一（傳輸設(shè)備）Fig.6 System deployment and application scenario 1(transmission equipment)

圖7 系統(tǒng)部署和應(yīng)用場景二（無線基站）Fig.7 System deployment and application scenario 2(wireless base station)

4 結(jié)語

針對機車大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲的迫切需求，本文設(shè)計了一種基于無線多鏈路并行傳輸?shù)姆桨?，并實施了系統(tǒng)安裝部署及實際測試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)滿足了機車大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲的需求，實現(xiàn)了高效、自適應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲功能，解決了現(xiàn)有人工數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲效率低下、易出現(xiàn)設(shè)備故障等難題，具有很好的應(yīng)用和推廣價值。未來，隨著5G技術(shù)的逐步應(yīng)用，如何解決5G微蜂窩的高頻切換問題，以實現(xiàn)利用5G技術(shù)實現(xiàn)鐵路系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的高可靠性、高安全性的并行傳輸，是值得進一步深入研究的課題。