TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)圖像攝取傳輸功能的研究與實(shí)現(xiàn)

宣秀彬，魏 奇，闞庭明，夏德春

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

TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)圖像攝取傳輸功能的研究與實(shí)現(xiàn)

宣秀彬，魏 奇，闞庭明，夏德春

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

本文提出了一種基于TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖像攝取傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方案，分析了圖像傳輸功能中的傳輸協(xié)議，大文件傳輸，丟包，亂序以及圖像傳輸?shù)耐陚湫詸z測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)，并給出了具體解決方法。通過對(duì)移動(dòng)電臺(tái)終端、移動(dòng)設(shè)備和調(diào)度終端等設(shè)備的分組數(shù)據(jù)連接配置，編程實(shí)現(xiàn)了利用數(shù)字集群系統(tǒng)進(jìn)行圖像攝取傳輸?shù)墓δ埽瑪U(kuò)充了集群系統(tǒng)的業(yè)務(wù)范圍。

數(shù)字集群系統(tǒng)；TETRA；傳輸協(xié)議；圖像傳輸

目前，基于陸地?zé)o線集群（TETRA）的數(shù)字集群系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能主要是個(gè)呼、組呼和短消息等調(diào)度功能，系統(tǒng)用戶迫切希望能夠在移動(dòng)終端上實(shí)現(xiàn)圖像信息的攝取傳輸功能。數(shù)字集群分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的圖像傳輸能夠及時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)情況和圖像信息傳送到指揮中心，提高調(diào)度決策的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。因此，開發(fā)基于TETRA的數(shù)字集群系統(tǒng)圖像攝取傳輸功能具有重要意義。

1 數(shù)字集群系統(tǒng)圖像傳輸原理

基于TETRA的數(shù)字集群系統(tǒng)圖像攝取傳輸結(jié)構(gòu)如圖1所示，由TETRA移動(dòng)終端、平板電腦、TETRA基站、TETRA核心交換機(jī)及調(diào)度終端組成。

圖1 數(shù)字集群系統(tǒng)圖像攝取傳輸結(jié)構(gòu)圖

調(diào)度終端通過以太網(wǎng)與TETRA系統(tǒng)交換機(jī)相連并自行設(shè)定一個(gè)IP地址。圖像攝取終端設(shè)備平板電腦通過TETRA外部接口與成功接入TETRA網(wǎng)絡(luò)的TETRA移動(dòng)終端設(shè)備相連，在平板電腦中創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制解調(diào)器網(wǎng)絡(luò)連接，通過撥號(hào)上網(wǎng)的方式，平板電腦將會(huì)經(jīng)由TETRA終端調(diào)制解調(diào)器（Modem）向TETRA系統(tǒng)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求,TETRA核心交換機(jī)的分組數(shù)據(jù)支持單元接口將為平板電腦動(dòng)態(tài)分配一個(gè)IP地址。至此，平板電腦將成功接近TETRA網(wǎng)絡(luò)。建立分組數(shù)據(jù)連接后，平板電腦可向調(diào)度服務(wù)器建立圖像傳輸連接。

2 圖像攝取傳輸功能關(guān)鍵技術(shù)

2.1 傳輸協(xié)議選擇

圖像在網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，不可避免地牽涉到傳輸協(xié)議的問題。在TCP/IP協(xié)議體系結(jié)構(gòu)中，用來完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鬏攲訁f(xié)議有傳輸控制協(xié)議（TCP，Transmission Control Protocol）和用戶數(shù)據(jù)報(bào)文協(xié)議（UDP，User Datagram Protocol）[1]。TCP協(xié)議是一種面向連接的，在進(jìn)行傳輸工作前需要通過“三次握手”建立連接。建立連接時(shí)間和系統(tǒng)資源開銷較多。UDP是一種面向無連接的，即雙方不需要再建立連接的情況下才能進(jìn)行通信。相對(duì)傳輸速度較快、系統(tǒng)開銷少，但不能保證報(bào)文到達(dá)接收端時(shí)的先后順序與發(fā)送時(shí)一致[2]。本文待開發(fā)的圖像傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸是建立在TETRA分組數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)之上的，存在網(wǎng)絡(luò)帶寬問題而且通過移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行傳輸，系統(tǒng)資源有限。根據(jù)系統(tǒng)要求，待開發(fā)的傳輸系統(tǒng)需要提供相對(duì)可靠的服務(wù)，而使用TCP協(xié)議傳輸明顯會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)資源占用過高的情況。因此，采用UDP協(xié)議進(jìn)行傳輸比較合適。在UDP協(xié)議的基礎(chǔ)上，增加一些控制機(jī)制如丟包重發(fā)，有序保證機(jī)制等，只需應(yīng)用層上設(shè)計(jì)必要的可靠性機(jī)制，就可以在不太影響UDP傳輸速率和不占用過多系統(tǒng)資源的情況下，實(shí)現(xiàn)圖像的穩(wěn)定傳輸，完成系統(tǒng)要求。

2.2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

本文采用UDP協(xié)議進(jìn)行圖像文件傳輸，包含報(bào)頭在內(nèi)的UDP數(shù)據(jù)報(bào)理論值最大為65 535 byte[3]，但考慮到系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，首先將要發(fā)送的圖像文件進(jìn)行分塊切割。對(duì)于每一塊文件的大小，要考慮所采用的傳輸方式的誤碼率和傳輸效率，在UDP方式下，本系統(tǒng)采用1 024 byte。同時(shí)為了克服UDP協(xié)議的不足，保證傳輸文件的準(zhǔn)確性和可靠性，在通信協(xié)議的設(shè)計(jì)中采用了問答方式，即發(fā)送方先發(fā)送一段信息，等待接收方的應(yīng)答信息，只有得到接收方的應(yīng)答信號(hào)后才繼續(xù)發(fā)送下一段信息。把相關(guān)信息組成一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)包，在發(fā)送方和接收方之間傳遞，通過丟包重發(fā)和有序保證機(jī)制保證整個(gè)文件的準(zhǔn)確、可靠。將通信協(xié)議數(shù)據(jù)包封裝到（SendCell）類中，通過序列化和反序列化機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)象與字節(jié)流的轉(zhuǎn)換傳輸。通信協(xié)議數(shù)據(jù)包的格式如下：

數(shù)據(jù)包格式說明：

（1）消息標(biāo)識(shí)符。表示該數(shù)據(jù)包的類型共有4種，分別為請(qǐng)求發(fā)送文件消息、響應(yīng)發(fā)送文件消息、請(qǐng)求發(fā)送文件塊消息和響應(yīng)發(fā)送文件塊消息。

（2）傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容。在發(fā)送端傳輸內(nèi)容被分為兩種情況：文件傳輸前的文件頭，將其封裝成（TraFransfersFileStart）類；傳輸文件的具體內(nèi)容，包括包含一個(gè)索引號(hào)（原子操作）即這是第幾塊和文件塊。將其封裝成（TraFransfersFile）類。在接收端傳輸內(nèi)容為響應(yīng)協(xié)議內(nèi)容，將其封裝成（ResponeTraFransfersFile）類。具體協(xié)議格式如下：

文件頭協(xié)議格式：

2.3 丟包檢查算法

為了解決丟包問題，本文設(shè)計(jì)了如下算法。

（1）在接收端加入一個(gè)記錄文件分塊接收狀態(tài)的列表Dictionary，int表示文件分塊的序號(hào)，bool表示是否已經(jīng)接收，初始化為全部沒有接受（false）。

（2）在接收端中加入一個(gè)定時(shí)器Timer，用來檢測(cè)收到一個(gè)包后，等待的時(shí)間是否超過了設(shè)置的值，超過就給發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)包，請(qǐng)求繼續(xù)發(fā)送文件，需要發(fā)送的文件塊序號(hào)為從Dictionary中查詢出來的沒有接收的文件塊序號(hào)。

（3）如果Dictionary中的所有文件塊已經(jīng)收到（全部為true），文件就接收完成了。

3 通信流程

（1）發(fā)送方發(fā)出請(qǐng)求發(fā)送文件數(shù)據(jù)包，其中消息標(biāo)識(shí)符為請(qǐng)求發(fā)送文件消息，傳輸內(nèi)容為TraFransfersFileStart對(duì)象。

（2）接收方收到請(qǐng)求發(fā)送文件數(shù)據(jù)包，完成如下操作：按照指定路徑建立文件。從文件頭數(shù)據(jù)包中讀取出要發(fā)送文件的塊數(shù)量，建立接收狀態(tài)列表，并初始化為false。啟動(dòng)定時(shí)器用于計(jì)時(shí)，待超時(shí)重發(fā)?；匕l(fā)響應(yīng)發(fā)送文件數(shù)據(jù)包，其中，消息標(biāo)識(shí)符設(shè)為響應(yīng)發(fā)送文件消息。傳輸內(nèi)容設(shè)為ResponeTraFransfersFile類實(shí)例對(duì)象，其中，需要接收的索引號(hào)賦值為0，通知發(fā)送方開始發(fā)送0號(hào)索引文件塊。

（3）發(fā)送方收到響應(yīng)發(fā)送文件數(shù)據(jù)包，完成如下操作：異步讀取指定索引號(hào)的塊文件。讀取完成后發(fā)送請(qǐng)求發(fā)送文件塊數(shù)據(jù)包，其中，消息標(biāo)識(shí)符為請(qǐng)求發(fā)送文件塊消息，傳輸內(nèi)容為TraFransfersFile類實(shí)例對(duì)象。

（4）接收方收到請(qǐng)求發(fā)送文件塊數(shù)據(jù)包，完成如下操作：將數(shù)據(jù)塊按索引號(hào)寫入文件。把相應(yīng)的接收狀態(tài)列表元素設(shè)為true，表示已接收。重新設(shè)置接收時(shí)間為當(dāng)前時(shí)間，將已接收的塊數(shù)變量加1。檢測(cè)是否已全部接收完成，若全部接收完成，則發(fā)送索引字段為-2的響應(yīng)消息數(shù)據(jù)包。若沒有接收完成，則遍歷接收狀態(tài)列表，找到下一個(gè)需要接收的索引，發(fā)送響應(yīng)消息數(shù)據(jù)包。

（5）重復(fù)（3）～（4），直到全部接收完成。

4 圖像攝取傳輸測(cè)試

通過編程實(shí)現(xiàn)了本文提出的圖像攝取傳輸解決方案，并在實(shí)際的TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)中進(jìn)行了圖像攝取和傳輸測(cè)試。測(cè)試著重檢查終端能否加入TETRA網(wǎng)建立連接，能否將拍攝的現(xiàn)場(chǎng)圖片傳輸?shù)秸{(diào)度服務(wù)器中。測(cè)試效果圖如圖2所示。經(jīng)過測(cè)試，本文提出的圖像攝取傳輸方案成功地將圖片傳到調(diào)度服務(wù)其中，保證了傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

圖2 測(cè)試效果圖

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)論述了基于TETRA的數(shù)字集群系統(tǒng)圖像攝取傳輸功能的開發(fā)過程，提出了圖像攝取傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方案。針對(duì)UDP協(xié)議傳輸可靠性不高的問題進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)UDP傳輸協(xié)議引入了消息確認(rèn)、丟包超時(shí)補(bǔ)發(fā)等機(jī)制來保證協(xié)議傳輸?shù)目煽啃?。圖像攝取傳輸功能的實(shí)現(xiàn)能夠進(jìn)一步提高預(yù)防和處置突發(fā)公共事件的能力，提高指揮人員決策的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

[1]萊 特（美），史蒂文斯（美）.TCP/IP詳解 （卷2:實(shí)現(xiàn)）[M].陸雪瑩.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]李光明，姚 斌.一個(gè)基于UDP協(xié)議的文件傳輸應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)[J] .自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2005 ，24（9）：36-38 .

[3]劉喜作，周 晶，梁德清.基于UDP的大數(shù)據(jù)包可靠傳輸[J].電訊技術(shù)，2012，52（4）：96-100．

責(zé)任編輯 陳 蓉

圖5 中央控制單元軟件結(jié)構(gòu)圖

3.4 線程間的通信

圖6 線程間通信圖

線程間通信如圖6所示，主要步驟如下：

（1）啟動(dòng)MVB任務(wù)管理線程和邏輯運(yùn)算線程。

（2）啟動(dòng)MVB初始化線程，初始化線程完成對(duì)MVB板卡復(fù)位、初始化、端口配置、總線管理和總線主權(quán)獲取操作。MVB初始化線程只在讀寫MVB數(shù)據(jù)前執(zhí)行一次。

（3）啟動(dòng)MVB數(shù)據(jù)讀寫線程，完成對(duì)列車信號(hào)網(wǎng)絡(luò)和牽引網(wǎng)絡(luò)所有數(shù)據(jù)獲取。

（4）啟動(dòng)MVB數(shù)據(jù)更新線程，完成MVB數(shù)據(jù)與列車邏輯運(yùn)算數(shù)據(jù)的更新。

4 結(jié)束語

本文在對(duì)CRH3A型動(dòng)車組中央控制單元功能需求分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)QNX多任務(wù)、多線程、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的軟件體系特點(diǎn)，提出了將軟件按功能劃分為多個(gè)線程，通過信號(hào)量機(jī)制實(shí)現(xiàn)線程間的數(shù)據(jù)傳輸和管理的軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，該軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在CRH3A型動(dòng)車組CCU的應(yīng)用與調(diào)試階段得到了試驗(yàn)驗(yàn)證，效果良好。

參考文獻(xiàn)：

[1] Krten R.Getting Start with QNX Neution 2[M].Ontario:PARSE Software Devices,2001:58-400.

[2] QNX Software Systerm Ltd.Systerm Architecture[DB/OL].CDRIOM,2002.

[3] QNX Software Systerm Ltd.Library Reference[DB/OL].CDRIOM,2002.

[4] QNX Software Systerm Ltd.Programmer’s Guide[DB/OL].CDRIOM,2002.

責(zé)任編輯 陳 蓉

Image achieving and transmission based on TETRA Digital Trunked System

XUAN Xiubin,WEI Qi,KAN Tingming,XIA Dechun
( Institute of Computing Technologies,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China)

This article presented an implementation proposal,which could achieve and transfer the image fles between mobile devices and PC based on Terrestrial Trunked Radio (TETRA) Digital Trunked Communication System.The key technologies and solutions of the image transmission,such as transmission protocol,large files transmission,packet loss,disorder packets’ sequence and the completeness testing,were proposed.By packing the data connection confguration for mobile radio terminals,mobile equipment,as well as dispatching terminals,the image transmission feature based on digital trunked system was implemented,which expanded the business scope of the trunked system.

Digital Trunked System;Terrestrial Trunked Radio (TETRA);transmission protocols;image transmission

U285.2∶TP39

A

1005-8451（2016）01-0048-04

2015-04-27

宣秀彬，工程師；魏 奇，副研究員。