TETRA數字集群系統圖像攝取傳輸功能的研究與實現

宣秀彬，魏 奇，闞庭明，夏德春

（中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081）

TETRA數字集群系統圖像攝取傳輸功能的研究與實現

宣秀彬，魏 奇，闞庭明，夏德春

（中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081）

本文提出了一種基于TETRA數字集群通信系統實現圖像攝取傳輸的實現方案，分析了圖像傳輸功能中的傳輸協議，大文件傳輸，丟包，亂序以及圖像傳輸的完備性檢測等關鍵技術，并給出了具體解決方法。通過對移動電臺終端、移動設備和調度終端等設備的分組數據連接配置，編程實現了利用數字集群系統進行圖像攝取傳輸的功能，擴充了集群系統的業務范圍。

數字集群系統；TETRA；傳輸協議；圖像傳輸

目前，基于陸地無線集群（TETRA）的數字集群系統實現的功能主要是個呼、組呼和短消息等調度功能，系統用戶迫切希望能夠在移動終端上實現圖像信息的攝取傳輸功能。數字集群分組數據業務的圖像傳輸能夠及時將現場情況和圖像信息傳送到指揮中心，提高調度決策的準確性和及時性。因此，開發基于TETRA的數字集群系統圖像攝取傳輸功能具有重要意義。

1 數字集群系統圖像傳輸原理

基于TETRA的數字集群系統圖像攝取傳輸結構如圖1所示，由TETRA移動終端、平板電腦、TETRA基站、TETRA核心交換機及調度終端組成。

圖1 數字集群系統圖像攝取傳輸結構圖

調度終端通過以太網與TETRA系統交換機相連并自行設定一個IP地址。圖像攝取終端設備平板電腦通過TETRA外部接口與成功接入TETRA網絡的TETRA移動終端設備相連，在平板電腦中創建標準調制解調器網絡連接，通過撥號上網的方式，平板電腦將會經由TETRA終端調制解調器（Modem）向TETRA系統發送入網請求,TETRA核心交換機的分組數據支持單元接口將為平板電腦動態分配一個IP地址。至此，平板電腦將成功接近TETRA網絡。建立分組數據連接后，平板電腦可向調度服務器建立圖像傳輸連接。

2 圖像攝取傳輸功能關鍵技術

2.1 傳輸協議選擇

圖像在網絡傳輸時，不可避免地牽涉到傳輸協議的問題。在TCP/IP協議體系結構中，用來完成數據傳輸的傳輸層協議有傳輸控制協議（TCP，Transmission Control Protocol）和用戶數據報文協議（UDP，User Datagram Protocol）[1]。TCP協議是一種面向連接的，在進行傳輸工作前需要通過“三次握手”建立連接。建立連接時間和系統資源開銷較多。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行通信。相對傳輸速度較快、系統開銷少，但不能保證報文到達接收端時的先后順序與發送時一致[2]。本文待開發的圖像傳輸系統數據傳輸是建立在TETRA分組數據傳輸業務之上的，存在網絡帶寬問題而且通過移動設備進行傳輸，系統資源有限。根據系統要求，待開發的傳輸系統需要提供相對可靠的服務，而使用TCP協議傳輸明顯會出現系統資源占用過高的情況。因此，采用UDP協議進行傳輸比較合適。在UDP協議的基礎上，增加一些控制機制如丟包重發，有序保證機制等，只需應用層上設計必要的可靠性機制，就可以在不太影響UDP傳輸速率和不占用過多系統資源的情況下，實現圖像的穩定傳輸，完成系統要求。

2.2 通信協議設計

本文采用UDP協議進行圖像文件傳輸，包含報頭在內的UDP數據報理論值最大為65 535 byte[3]，但考慮到系統網絡環境，首先將要發送的圖像文件進行分塊切割。對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，本系統采用1 024 byte。同時為了克服UDP協議的不足，保證傳輸文件的準確性和可靠性，在通信協議的設計中采用了問答方式，即發送方先發送一段信息，等待接收方的應答信息，只有得到接收方的應答信號后才繼續發送下一段信息。把相關信息組成一個個數據包，在發送方和接收方之間傳遞，通過丟包重發和有序保證機制保證整個文件的準確、可靠。將通信協議數據包封裝到（SendCell）類中，通過序列化和反序列化機制實現對象與字節流的轉換傳輸。通信協議數據包的格式如下：

數據包格式說明：

（1）消息標識符。表示該數據包的類型共有4種，分別為請求發送文件消息、響應發送文件消息、請求發送文件塊消息和響應發送文件塊消息。

（2）傳輸數據內容。在發送端傳輸內容被分為兩種情況：文件傳輸前的文件頭，將其封裝成（TraFransfersFileStart）類；傳輸文件的具體內容，包括包含一個索引號（原子操作）即這是第幾塊和文件塊。將其封裝成（TraFransfersFile）類。在接收端傳輸內容為響應協議內容，將其封裝成（ResponeTraFransfersFile）類。具體協議格式如下：

文件頭協議格式：

2.3 丟包檢查算法

為了解決丟包問題，本文設計了如下算法。

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

（2）在接收端中加入一個定時器Timer，用來檢測收到一個包后，等待的時間是否超過了設置的值，超過就給發送方發送數據包，請求繼續發送文件，需要發送的文件塊序號為從Dictionary中查詢出來的沒有接收的文件塊序號。

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

3 通信流程

（1）發送方發出請求發送文件數據包，其中消息標識符為請求發送文件消息，傳輸內容為TraFransfersFileStart對象。

（2）接收方收到請求發送文件數據包，完成如下操作：按照指定路徑建立文件。從文件頭數據包中讀取出要發送文件的塊數量，建立接收狀態列表，并初始化為false。啟動定時器用于計時，待超時重發。回發響應發送文件數據包，其中，消息標識符設為響應發送文件消息。傳輸內容設為ResponeTraFransfersFile類實例對象，其中，需要接收的索引號賦值為0，通知發送方開始發送0號索引文件塊。

（3）發送方收到響應發送文件數據包，完成如下操作：異步讀取指定索引號的塊文件。讀取完成后發送請求發送文件塊數據包，其中，消息標識符為請求發送文件塊消息，傳輸內容為TraFransfersFile類實例對象。

（4）接收方收到請求發送文件塊數據包，完成如下操作：將數據塊按索引號寫入文件。把相應的接收狀態列表元素設為true，表示已接收。重新設置接收時間為當前時間，將已接收的塊數變量加1。檢測是否已全部接收完成，若全部接收完成，則發送索引字段為-2的響應消息數據包。若沒有接收完成，則遍歷接收狀態列表，找到下一個需要接收的索引，發送響應消息數據包。

（5）重復（3）～（4），直到全部接收完成。

4 圖像攝取傳輸測試

通過編程實現了本文提出的圖像攝取傳輸解決方案，并在實際的TETRA數字集群系統中進行了圖像攝取和傳輸測試。測試著重檢查終端能否加入TETRA網建立連接，能否將拍攝的現場圖片傳輸到調度服務器中。測試效果圖如圖2所示。經過測試，本文提出的圖像攝取傳輸方案成功地將圖片傳到調度服務其中，保證了傳輸的準確性。

圖2 測試效果圖

5 結束語

本文詳細論述了基于TETRA的數字集群系統圖像攝取傳輸功能的開發過程，提出了圖像攝取傳輸的實現方案。針對UDP協議傳輸可靠性不高的問題進行了改進，對UDP傳輸協議引入了消息確認、丟包超時補發等機制來保證協議傳輸的可靠性。圖像攝取傳輸功能的實現能夠進一步提高預防和處置突發公共事件的能力，提高指揮人員決策的準確性和及時性。

[1]萊 特（美），史蒂文斯（美）.TCP/IP詳解 （卷2:實現）[M].陸雪瑩.北京：機械工業出版社，2008.

[2]李光明，姚 斌.一個基于UDP協議的文件傳輸應用程序的實現[J] .自動化技術與應用，2005 ，24（9）：36-38 .

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

責任編輯 陳 蓉

圖5 中央控制單元軟件結構圖

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MVB任務管理線程和邏輯運算線程。

（2）啟動MVB初始化線程，初始化線程完成對MVB板卡復位、初始化、端口配置、總線管理和總線主權獲取操作。MVB初始化線程只在讀寫MVB數據前執行一次。

（3）啟動MVB數據讀寫線程，完成對列車信號網絡和牽引網絡所有數據獲取。

（4）啟動MVB數據更新線程，完成MVB數據與列車邏輯運算數據的更新。

4 結束語

本文在對CRH3A型動車組中央控制單元功能需求分析的基礎上，針對QNX多任務、多線程、實時性強的軟件體系特點，提出了將軟件按功能劃分為多個線程，通過信號量機制實現線程間的數據傳輸和管理的軟件設計結構，該軟件設計結構在CRH3A型動車組CCU的應用與調試階段得到了試驗驗證，效果良好。

參考文獻：

[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。