客运信息交互系统无线通信协议研究

祝红光，刘相坤，朱建军，王元媛

（中国铁道科学研究院 电子计算技术研究所， 北京 100081）

铁路客运资源一直是相对紧张的社会资源，需要合理管理和有效地利用。目前，铁路客票管理和销售基本依靠地面以车站为窗口的发售和预定系统，采用比较单一的固定窗口模式。运行列车上的旅客服务和席位管理与地面得不到及时联系，乘务工作基本处于孤立状态。车地沟通问题束缚了补票、乘降管理等席位管理及旅客服务工作的开展。因此，运行列车和地面系统需要建立有效的通信信道，基于该通道，建立席位管理和服务管理应用系统，以提高列车席位利用率及车上服务和管理水平。

列车和地面通信受到多方面因素的影响。首先列车和地面必须通过无线移动信道进行通信；并且列车具有地域跨度大的特点；车地应用系统传输数据量比较大，且交易流程复杂。基于这些特点，构建满足广阔区域跨度，又稳定可靠的通信信道是系统建设的首要任务。

基于现有无线移动物理信道水平和地址分配模式，在系统设计中，需要网络层控制和应用层控制。网络层控制策略，降低因为地址指向错误导致的丢包率；应用层控制以超时控制和应答协议保证数据信息的完整和交易流程的连贯性。

1 站车通信特点

1.1 复杂通信环境

一次列车可以跨越多个省市，如果沿途线路地理条件复杂，如山区、隧道等地理条件，将会影响无线通信的质量。新型高速列车运行速度超过300 km/h，停站时间非常短，很多中间站仅停靠1 min，致使利用停站时间传输数据不可行，大部分数据需要在列车运行中传递。另外，席位信息实时性要求高，超出限售区间，席位信息就成为失效信息。以上都要求通信协议层要在任何可以传递数据的时间区间内快速交流数据，以保证数据的及时有效。

1.2 对等交互模式

车载终端和地面系统之间的业务信息是对等交流，即不是简单的下载数据和浏览数据的通信方式。地面席位信息向列车发布的同时，列车信息也向地面汇总，这种对等模式区别于瘦终端系统的非对称数据流模式。

在对等交互模式中，车上终端的指令单元和数据单元混合并存。简短指令型和长篇幅的数据型通信单元需要不同的传递控制流程。在仅存在指令型通信单元的无线系统中，应用控制协议会相对简单。因此，在站车系统中，传输控制协议非常重要。

2 站车交互系统网络协议

2.1 UDP和TCP协议

无线数据通信有两种协议可以采用：面向连接的传输控制协议（TCP）和非面向连接的用户数据报协议（UDP）。

TCP（Transmission Control Protocol）需要先建立连接，后建立数据交流“通道”；数据是通过该“通道”进行传递；数据交流完毕，需要关闭“通道”。数据传输中，TCP连接是个可靠的数据通道，能够保证数据的完整性和顺序性。在通道关闭之前，网络不能中断。如果出现网络故障，TCP通道就会中断，需要再次建立连接。

UDP（User Datagram Protocol）不保持一个固定的“通道”。每一个报文都从源点独立地发向目的点。在传输过程中，不提供任何传输控制。UDP不保证报文到达目的点，也不能保证数据报文之间的顺序。

2.2 站车系统网络协议选择

站车交互系统不是简单的指令元系统（如短信系统），而是复杂的应用交易系统。交易中存在交互流程。TCP协议适合站车交易流程。因为建立了TCP连接，交易两端就可以顺序地进行应答对话，一切传输控制由TCP完成。

站车系统采用中国移动的GPRS（General Packet Radio Service）网络为底层传输通道。在网络通道不稳定且终端IP动态变化的情况下，TCP连接会出现频繁的重建，浪费大量的网络资源。严重时，应用数据无法传送。

UDP协议是站车交互系统所必须采用的传输层协议。UDP报文直接传输应用数据，没有复杂的连接建立过程。在网络不稳定的情况下，能够实现间断性数据传输。UDP每个报文都绑定目的地址，服务端可以通过地址查询，实现每个UDP报文的目的地址随终端IP变化而变化。UDP的缺点是没有传输控制能力。传输过程中，应用系统要负责控制补传报文和报文顺序。

3 站车通信控制协议

根据铁路客运站车交互系统无线通信的特点，采用UDP网络协议。由于UDP协议是不可靠通信方式，要实现站车交易流程顺畅和完整，系统应用层必须具有通信控制协议。站车系统的通信控制主要体现在“动态地址查询”、“指令应答”和“数据传送”方面。

3.1 动态地址查询

在无线网络两端，终端是动态地址，信息发布服务器是固定地址。终端的每次连接都由移动系统在地址段内动态分配一个IP地址。

移动终端的SIM卡号可以作为移动设备的唯一标示。移动网络每次都是面向SIM卡分配IP地址，所以SIM卡和IP地址存在固定的对应关系。采用终端占用IP查询的回应方式，可以降低信息发布服务器的丢包率。

图1 查询IP通信图

由图1可见，利用SIM卡和IP地址的对应关系，在回应信息之前，信息发布服务器先查询当前该SIM卡所占用IP地址，再发送回应报文，可以有效提高发送报文的命中率。

3.2 指令应答

指令报文区别于数据报文。指令报文由指令字和参量构成，所有参量的总字节长度小于一个站车系统报文长度限制（站车报文长度远小于UDP报文长度限制）。大于一个报文长度的数据需要分成多个报文发送，属于“数据传送”形式。

指令单元由来往两个报文完成。

指令应答中，交易任务的超时控制为“指令超时”，如果指令超时，会在有限次数重复发送。指令号是指令报文的唯一标示，接收端接收到相同指令号的指令，采用丢弃后来者方式，以避免重复操作。

指令应答是最简单，也是最频繁的报文控制形式。是交易流程实现的最小构成单元。

3.3 数据传送

UDP的报文受到网络MTU的限制，即1个UDP包大小最好小于MTU。报文可以包含一个完整的命令字，一般数据必须先分片，再由多个UDP报文进行传输。由于UDP无序且丢失概率高，所以保证数据传送的完整性是重要的应用层协议环节。该协议包括数据描述、数据发送和数据补充3个环节，见图2。

图2 数据完整控制

3.3.1 数据描述

数据描述是在数据发送前的握手指令，数据描述中携带数据描述信息，包括数据总大小、分片大小和数据发送标识号。数据描述信息是接收端对数据完整性的检测依据。接收端根据数据描述建立数据接收任务，并向发送端发送“确认报文”。确认报文中包括终端无线通道的容量信息，指导数据推送环节的策略实现。

发送端在数据描述指令得到确认后发送数据，确保数据描述报文安全到达，且接收端准备就绪。

3.3.2 数据推送

发送端接收到数据描述回应后，进行数据发送。首先，按照数据描述中的数据分片大小对数据分片包装，然后向接收端发送。包装中包括标识号和偏移量。接收端会根据偏移量重新组合还原数据。

为了提高效率，发送数据采用单向推送方式，而不是应答方式。即接收端无需确认每个数据报文。发送端把全部分片发送到接收端，在无线信号良好的环境中，数据会准确地到达接收端；在信号不稳定的情况下，会造成数据报文的丢失，需要数据补充环节来保证数据完整。

在服务端向列车终端进行数据推送过程中，由于终端接收能力的局限，瞬间大数据量会造成接收终端拥塞，致使数据报的丢失。服务端会根据握手时获取的终端设备信息实施发送流量控制，避免因超出终端设备接收能力而造成大量数据报文丢失。

3.3.3 数据完整检测和数据补充

在数据推送过程中，接收端每次接收到数据报文都检测数据是否完整。一旦完整，就把数据提交到应用层；如果不完整，继续等待，直到超出数据接收时限。

接收端的任务超出数据接收时限，数据仍然存在缺失，任务进入数据补充阶段。根据缺失情况，接收端请求数据补发，发送端根据请求补发数据报文，经过多次补充过程，最终达到数据的完整。

数据描述、数据推送和数据补充构成一个完整的数据传递协议，结合指令应答，构成基础的网络传输控制协议，为站车系统构建了通信信道。

4 结束语

本文针对“铁路站车无线交互系统”，着重讨论了列车与地面的通信条件，系统的网络协议比较和选择，UDP报文的指令和数据传输控制方式，流量控制和动态IP查询。利用以上讨论内容，为“铁路站车无线交互系统”构建了稳定的通信信道。