基于MAC层的数据丢包重传方法及收发通信装置与流程

基于mac层的数据丢包重传方法及收发通信装置
技术领域
1.本发明涉及无线通信领域，尤其涉及基于mac层的数据丢包重传方法及收发通信装置。


背景技术：

2.随着无线通信技术的发展，wlan技术应用越来越广泛，应用到了各行各业，其中一个典型的应用场景是轨道交通业务列车与地面的无线通信，由于轨道交通子系统多且环境复杂，无线通信的传输质量也一直困扰着业务的发展。
3.列车的移动性容易产生频率的漂移，频率漂移使得信号传输质量变差，也就是常说的多普勒频移效应。其次，数据通信时产生的无线信号在隧道内部折射、反射等，使得信号存在多个路径到达接收端，这些不同的路径所传输的距离不同，到达接收端的时间也不同，同时，这些信号的衰减与相位都不一样，也就是说接收端会接收到一系列的不同信号，这些不同的信号相互叠加，若这些信号波峰与波峰相互叠加波谷与波谷相互叠加，这种叠加可能对通信影响不大，但由于是移动环境，也很可能会出现波峰波谷相叠加情况，这种叠加会产生信号失真，这种失真的信号接收端可能无法识别，也有可能直接被当作噪声处理，在数据表现上接收端收到的全是无效数据(乱码或crc校验错等)。另外公网或其他无线系统，也会产生一些带外的干扰，也容易使接收端接收到无效数据。
4.传统wlan的ack重传方式，是接收端收到多个数据包后，用专门的协议(该协议不带任何有效数据)返回一次丢包情况，这种模式的弊端是一次传输的ack包本身有可能在通信中丢失，ack丢失一方面会产生大量重传，另一方面发送端设备会逐步调小无线速率，在ack持续丢失情况下，无线速率会调到最小，数据带宽从几百兆降低到几兆，定会出现丢包情况，数据的大量丢包必然会造成数据时延增大，视频等实时性要求较高的业务就会出现画面停滞、卡顿现象。
5.在轨道交通这种苛刻无线移动通信环境下，接收端生成的ack大概率不能及时回传或不能回传，这种情况下，发送端就不能知道丢包情况，从而造成数据延迟与丢包。而轨道交通业务存在视频等对无线通信质量(对实时性、可靠性)要求比较高的业务，如果不能及时反馈丢包情况就无法及时重传，会降低无线通信质量差，导致客户体验感较差。
6.目前轨道交通行业针对无线丢包重传大多数是基于业务系统做的，即在业务系统实现重传功能。随着科技的发展，轨道交通信息系统发展也是日新月异，业务系统需求也在不断的变化，对系统性能和用户的体验要求也越来越高，这种业务系统实现的重传方案，使得每更新一个业务系统就要重新修改重传方案软件，显然这种方案不灵活，且通信时延大，满足不了现代业务系统的需求。


技术实现要素：

7.本发明主要目的在于，在轨道交通列车与地面无线通信领域，有效降低无线通信丢包率，改善无线传输性能，提高无线通信质量的基于mac层数据丢包重传方法及收发通信
装置。
8.本发明所采用的技术方案是：
9.提供一种基于mac层的数据丢包重传方法，包括以下步骤：
10.第一收发装置从某一业务数据系统通过有线网络获取业务数据包，将该业务数据包转换成带标签信息的无线数据帧，并将该无线数据帧通过无线网络发送给第二收发装置；该标签信息包含数据包的序列号；
11.第二收发装置根据无线数据帧中的标签信息统计丢包数量，若存在丢包情况，则生成丢包标签信息，再将丢包标签信息和待发送的其他业务数据生成数据包并发送给第一收发装置；若不存在丢包情况，则将正确接收到的无线数据帧进行转换，并通过有线网络转发给其他业务系统；
12.第一收发装置根据第二收发装置发送的数据包中的丢包标签信息，将具体的丢包数据重新发送给第二收发装置。
13.接上述技术方案，第一收发装置重传丢包数据时，具体将需要重传的丢包数据与新的业务数据一起转换成带新的标签信息的数据包；新的标签信息包括重传数据的序列号以及该包第一次传输的原序列号。
14.接上述技术方案，丢包标签信息包括标签信息标志和标签信息位，标签信息标志记录数据是否有效，标签信息位记录是否发生丢包。
15.接上述技术方案，第一收发装置和第二收发装置之间互发无线数据之前，均会根据无线速率大小计算数据带宽大小，并根据带宽大小转换待发送的业务数据包。
16.接上述技术方案，第一收发装置和第二收发装置之间互发的无线数据包格式为：对于不需要分片的业务数据格式为标准的80211头+标签信息+1个或多个业务数据；对于需要分片的业务数据，第一个分片包格式为标准的80211头+标签信息+1个或多个业务数据，后续的分片包格式为标签信息+1个或多个业务数据。
17.接上述技术方案，第一收发装置、第二收发装置与业务系统之间收发的数据包格式符合ieee 802.3规范，支持tcp/ip协议。
18.本发明还提供一种基于mac层的数据丢包重传系统，包括：
19.第一收发装置，用于从某一业务数据系统通过有线网络获取业务数据包，将该业务数据包转换成带标签信息的无线数据帧，并将该无线数据帧通过无线网络发送给第二收发装置；该标签信息包含数据包的序列号；
20.第二收发装置，用于根据无线数据帧中的标签信息统计丢包数量，若存在丢包情况，则生成丢包标签信息，再将丢包标签信息和待发送的其他业务数据生成数据包并发送给第一收发装置；若不存在丢包情况，则将正确接收到的无线数据帧进行转换，并通过有线网络转发给其他业务系统；
21.其中，第一收发装置还用于根据第二收发装置发送的数据包中的丢包标签信息，将具体的丢包数据重新发送给第二收发装置。
22.接上述技术方案，第一收发装置和第二收发装置之间互发无线数据之前，均会根据无线速率大小计算数据带宽大小，并根据带宽大小转换待发送的业务数据包。
23.本发明还提供一种轨道交通中基于mac层的数据丢包重传系统，包括：
24.第一业务系统，安装在列车上；
25.第一收发装置，安装在列车上，用于从第一业务数据系统通过有线网络获取业务数据包，将该业务数据包转换成带标签信息的无线数据帧，并将该无线数据帧通过无线网络发送给第二收发装置；该标签信息包含数据包的序列号；
26.第二收发装置，每隔一段距离安装在轨道旁，用于根据无线数据帧中的标签信息统计丢包数量，若存在丢包情况，则生成丢包标签信息，再将丢包标签信息和待发送的其他业务数据生成数据包并发送给第一收发装置；若不存在丢包情况，则将正确接收到的无线数据帧进行转换，并通过有线网络转发给第二业务系统；
27.第二业务系统，每隔一段距离安装在轨道旁；
28.其中，第一收发装置还用于根据第二收发装置发送的数据包中的丢包标签信息，将具体的丢包数据重新发送给第二收发装置。
29.本发明产生的有益效果是：本发明提出的基于mac层数据丢包重传方法通过设置两个收发装置专门实现丢包重传的任务，其中一个收发装置将业务数据通过无线网络发送给另一个收发装置，另一个收发装置收到业务数据后统计丢包信息，然后再和其他的业务数据发送第一个收发装置，第一个收发装置在接收业务数据的同时还获知了丢包信息，根据丢包信息重新发送相应的业务数据，从而实时探测丢包情况，实现在mac层与业务层无关的丢包重传，可为轨道交通业务系统提供高质量的通信服务。
附图说明
30.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
31.图1是本发明实施例基于mac层的数据丢包重传方法流程图；
32.图2是本发明实施例的无线数据包格式，其中(a)为不分片包的数据格式，(b)为分片包的数据格式；
33.图3是本发明实施例的有线数据包格式；
34.图4是本发明实施例业务数据流传输流程示意图一；
35.图5是本发明实施例业务数据流传输流程示意图二；
36.图6是本发明实施例业务数据流传输流程示意图三。
具体实施方式
37.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
38.如图1所示，本发明实施例基于mac层的数据丢包重传方法包括以下步骤：
39.第一收发装置从某一业务数据系统通过有线网络获取业务数据包，将该业务数据包转换成带标签信息的无线数据帧，并将该无线数据帧通过无线网络发送给第二收发装置；该标签信息包含数据包的序列号；
40.第二收发装置根据无线数据帧中的标签信息统计丢包数量，若存在丢包情况，则生成丢包标签信息，再将丢包标签信息和待发送的其他业务数据生成数据包并发送给第一收发装置；若不存在丢包情况，则将正确接收到的无线数据帧进行转换，并通过有线网络转发给其他业务系统；
41.第一收发装置根据第二收发装置发送的数据包中的丢包标签信息，将具体的丢包数据重新发送给第二收发装置。
42.因此，本发明可以实现只对没有正确接收的数据帧进行重传，正确接收的数据帧不再重传。且本发明实施例中，业务数据与标签信息可以一起发送，发送端可以很快知道数据发送丢包情况，实现快速重传。若接收端某次发送的携带标签信息的数据包被干扰破坏，没有成功回送给发送端，则本次未成功发送的标签信息可与接收端下次需要发送的业务数据一起发送。因此，本发明可以解决轨道交通领域中传统的ack方式丢包问题处理不佳问题，保证了轨道交通业务系统的无线通信质量。
43.具体地，第一收发装置重传丢包数据时，具体将需要重传的丢包数据与新的业务数据一起转换成带新的标签信息的数据包；新的标签信息包括重传数据的序列号以及新的业务数据的序列号。
44.进一步地，丢包标签信息包括标签信息标志和标签信息位，标签信息标志记录数据是否有效，标签信息位记录是否发生丢包。
45.第一收发装置和第二收发装置之间互发无线数据之前，均会根据无线速率大小计算数据带宽大小，并根据带宽大小转换待发送的业务数据包。
46.如图2所示，第一收发装置和第二收发装置之间互发的无线数据包格式为：不分片包的格式为标准的80211头+标签信息+1个或多个业务数据；分片包的格式为标签信息+1个或多个业务数据。
47.如图3所示，第一收发装置、第二收发装置与业务系统之间收发的有线数据包格式为标准以太网头+tcp/ip协议数据。
48.以轨道交通行业业务数据为例，可将第一收发装置或者第二收发装置配置成只发送轨道交通行业业务数据，不接收轨道交通行业业务数据；或者配置成只接收轨道交通行业业务数据，不发送轨道交通行业业务数据；或者配置成既可接收也可发送轨道交通行业业务数据。
49.如图4-6所示，本发明实施例基于mac层的数据丢包重传系统主要包括第一装置200和第二装置207，均作为可收发的装置。该系统主要用于实现上述方法实施例。其中：
50.第一装置200用于从某一业务数据系统通过有线网络获取业务数据包，将该业务数据包转换成带标签信息的无线数据帧，并将该无线数据帧通过无线网络发送给第二装置；该标签信息包含数据包的序列号；
51.第二装置207用于根据无线数据帧中的标签信息统计丢包数量，若存在丢包情况，则生成丢包标签信息，再将丢包标签信息和待发送的其他业务数据生成数据包并发送给第一装置200；若不存在丢包情况，则将正确接收到的无线数据帧进行转换，并通过有线网络转发给其他业务系统；
52.其中，第一装置200还用于根据第二装置207发送的数据包中的丢包标签信息，将具体的丢包数据重新发送给第二装置207。
53.如图4所示，该实施例将第一装置200配置成只发送业务数据给第二装置207。主要通过第一装置207发送数据包给第二装置207。具体的业务数据发送数据流步骤说明如下：
54.1、业务系统将第二数据包通过有线网络传递给第一装置200的第一模块
55.201；其中第二数据包的数据格式如图3所示；
56.2、第一装置200的第一模块201将业务数据包转发给第二模块202，第二模块202生成带标签信息的第一数据包，第一数据包的数据格式如图2所示；
57.3、步骤2生成的第一数据包数据通过第一模块201发送给第二装置207，第二装置207中的第三模块206负责接收该第一数据包，并将该包传递给第二模块205；
58.4、第二模块205根据第一数据包中的序列号，统计丢包数量，对于正确接收到的数据包，生成第二数据包传递给第一模块205，通过有线网络发给相应的业务系统，并根据统计结果生成带标签信息的第一数据包。
59.5、第一装置200中的第三模块203接收来自步骤4中第二装置207生成的第一数据包，并将该包传递给第二模块202分析；
60.6、步骤5中第二模块202根据来自第二装置207返回的数据包中标签信息分析出第一装置发送丢包情况，根据这些分析，决定重传哪些数据包，将确认丢弃的数据重新发送，未丢弃的数据包不重复发送。
61.7、重复1-6步骤，完成业务数据包发送。
62.如图5所示，本发明的另一实施例将第一装置200配置成只接收第二装置207发送的业务数据，具体的业务数据发送数据流步骤说明如下：
63.1、业务系统将第一数据包数据通过有线网络传递给第二装置207的第一模块201；
64.2、第二装置207的第一模块204将业务数据包转发给第二模块205，第二模块205生成带标签信息的第一数据数据包；
65.3、步骤2生成的第一数据包数据通过第一模块204发送给第一装置200，第一装置200中的第三模块203负责接收该第一数据包，并将该包传递给第一模块202；
66.4、第二模块202根据第一数据包中的序列号，统计丢包数量，对于正确接收到的数据包，生成数据包传递给第一模块201，通过有线网络发给业务系统，并根据统计结果生成带标签信息的第一数据包。
67.5、第二接收装置207中的第三模块206接收来自步骤4中第一装置200生成的第一数据包，并将该包传递给第二模块205分析；
68.6、步骤5中第二模块205根据来自第一装置回应数据包中标签信息分析出第二装置发送丢包情况，根据这些分析，决定重传哪些数据包，将确认丢弃的数据重新发送，未丢弃的数据包不重复发送；
69.7、重复1-6步骤，第一收发装置业务数据包发送。
70.如图6所示，本发明的第三实施例中，将第一装置200设置为同时收发业务数据，具体的发送接收数据流步骤说明如下：
71.1、业务系统将第二数据包数据通过有线网络传递给第一装置200的第一模块201；
72.2、第一装置200的第一模块201将业务数据包转发给第二模块202，第二模块202生成带标签信息的第一数据数据包；
73.3、第一模块201将步骤2生成的第一数据包发送给第二装置207，第二装置207中的第三模块206负责接收该第一数据包，并将该包传递给第二模块205；
74.4、第二装置207中的第二模块205判断标签信息的标签有效位是否有效，若无效，则第二装置207中的第二模块205直接构建一个标签信息，该标签信息指示接收数据包错误，并生成带此标签信息第一数据包，通过第一模块204将该第一数据包回应给第一装置
200；若有效，则根据接收到的数据包序列号分析数据的丢包情况，并根据丢包分析结果生成新的标签信息，再由第一模块204将该第一数据包回应给第一装置200；
75.5、第一接收装置200中的第三模块203接收来自步骤4中第二装置207生成的第一数据包，并将该包传递给第二模块202分析；
76.6、步骤5中第二模块202根据来自第二装置回应数据包中标签信息分析出第一装置200发送丢包情况，根据这些分析，决定重传哪些数据包，将确认丢弃的数据与从有线收到新的业务数据一起组成新的第一数据包一起发送，未丢弃的数据包不再重复发送；同时还要根据已确认接收到第二装置发送的第一数据包序列号，分析第二装置的丢包情况，并根据丢包分析结果生成新的标签信息，这新的标签信息将与业务数据或重传数据构成第一数据包，并通过第一模块201发送给第二装置207。
77.7、步骤6中生成的第一数据包经过第一装置200中的第一模块201发送到第二装置207，第二装置207中的第三模块206负责接收该第一数据包，并将该包传递给第二模块205分析第二装置207发送丢包情况，根据这些分析，决定重传哪些数据包，将确认丢弃的数据与从有线收到新的业务数据一起组成新的第一数据包一起发送，未丢弃的数据包不再重复发送；同时还要根据已确认接收到第一装置发送的第一数据包序列号，分析第一装置的丢包情况，并根据丢包分析结果生成新的标签信息，这新的标签信息将与业务数据或重传数据构成第一数据包，并通过第二装置207中的第一模块204发送给第一装置200。
78.8、重复1-7步骤，完成业务数据包传递。
79.需要说明的是，第一装置200的第一模块201与第二装置207的第一模块204功能相同，主要完成第二数据包的收发与完成第一数据包发送。
80.第一数据包主要指携带标签信息的无线数据帧。
81.第二数据包主要指有线数据帧。
82.还需要说明的是，第一装置200的第二模块202与第二装置207的第二模块205功能相同，主要完成对对端数据进行分析，并且构建新的标签信息，将标签信息放入第一数据包中。
83.还需要说明的是，第一装置200的第三模块203与第二装置207的第三模块206主要用于接收来自对端的第一数据包。
84.第一模块、第二模块和第三模块提到的第一、第二、第三只是为了说明本发明实施的功能，并不代表本发明装置固定这样划分模块，包括所有第一模块、第二模块和第三模块功能可以相互组合。
85.第二装置207发送业务数据包流程与第一装置200发送数据流程几乎相同，在此不赘述。
86.本发明实施例的轨道交通中基于mac层的数据丢包重传系统，包括：
87.第一业务系统，安装在列车上；
88.第一收发装置，安装在列车上，用于从第一业务数据系统通过有线网络获取业务数据包，将该业务数据包转换成带标签信息的无线数据帧，并将该无线数据帧通过无线网络发送给第二收发装置；该标签信息包含数据包中每一帧数据的序列号；
89.第二收发装置，每隔一段距离安装在轨道旁，用于根据无线数据帧中的标签信息统计丢包数量，若存在丢包情况，则生成丢包标签信息，再将丢包标签信息和待发送的其他
业务数据生成数据包并发送给第一收发装置；若不存在丢包情况，则将正确接收到的无线数据帧进行转换，并通过有线网络转发给第二业务系统；
90.第二业务系统，每隔一段距离安装在轨道旁；
91.其中，第一收发装置还用于根据第二收发装置发送的数据包中的丢包标签信息，将具体的丢包数据重新发送给第二收发装置。
92.下面以控制中心要调取1号车车厢2的摄像机数据为例，来说明业务数据丢包如何利用本发明的收发装置实现mac层重传的。
93.控制中心要调取某列车车厢的摄像机数据，假设要调取1号车车厢2的摄像机数据，一般流程是这样的，控制中心下发一条指令首先通过有线传输到1号车所在的轨道旁收发装置，这条指令经轨道旁收发装置，发给1号车，1号车收发装置收到后交给1号车视频监控服务器(业务系统)解析指令，再由1号车视频监控服务器(业务系统)将视频数据通过1号车收发装置，回传到轨道旁收发装置，再通过有线传输到控制中心视频监控系统，实现在控制中心调取1号车车厢2摄像机视频数据。
94.假设第一收发装置装车载上，第二收发装置装在轨道沿线，轨道旁第二收发装置207中的第一模块204通过有线收到控制中心下发的指令数据包(第二数据包)后，传递给第二模块205中需填充主序列号，子序列号，原主系列号，原子序列号，分片数量，业务数据标志，标签信息标志以及标签信息位。指令数据包长度一般小于空口实际传输能力，没有包分片，分片数量填0；业务数据标志填1；每发送一个第一数据包后，主序列号是自动加1，主序列号从0开始，最大到65535，之后继续从0开始，若没有分包片，则子序列号始终为0，如果有分片，则子序列号从0开始递增，一般一个数据包不超过50个分片包。根据上次接收数据统计结果来确定本次要发送的标签信息位，第二模块205分析接收到的数据，首先判断主序列号与分片数量，若主序列号连续且无分片，此时要反馈的标签信息位填全1；若主序列号不连续，则统计丢失的序号，生成对应的标签信息位置0，对于接收端成功接收的包，生成对应的标签信息位置1；若主序列号连续且有分片，子序列号不连续，则统计分析丢失的序号(包括主序列号和子序列号)，根据丢失的序列号生成对应的标签信息位置0，对于接收端成功接收的分片包，生成对应的标签信息位置1。最后填写标签有效标志0x55aa。至此一条标签信息就生成了，存储于一个专门队列(以下称为标签队列)。
95.第二模块205将指令数据包，标签信息，按照第一数据包格式打包，生成新的第一包数据，传递给第一模块204，由第一模块204发送出去。1号车的第一收发装置200的第三模块203接收到数据包后传递给第二模块202处理，202模块还原成指令数据包(第二数据包)，传递给第一模块201，第一模块201再发送给1号车的视频监控服务器(业务系统)，1号车的视频监控服务器(业务系统)将指令所要求的视频数据传递给第一模块201，再传递给第二模块202分析，在第一模块将指令数据包发送给视频监控服务器的同时，第二模块202根据收到的无线数据包，分析其中的序列号与标签信息标志，发现没有丢包，标签信息位置1，主序列号在原来基础上加1(此处假设为100)，判断视频数据包长度与空口传输能力大小，上面已经描述了业务数据包小于空口传输能力的情况，这里假设视频数据包长度大于空口传输能力，第二模块202计算分片的数量，假设这里需要分成2个分片包(视频数据包假设被分为视频1_1数据和视频1_2数据)，分片数量填2，主系列号100，子序列号为0，业务数据标志为1，标签信息标志即标签有效位为0x55aa，这样第一分片包的标签信息就生成了。第二模
块202根据第一包数据格式将80211头，标签信息，视频1_1数组织好交第一模块201发送(此处发送数据包定义为分片1)，同时将主、次序列号，原主序列号，原子序列号与视频1_1数据发送位置，存储到数包发送位置信息表中；准备下次发送的标签信息，主序列号100不变，子序列号加1，分片数量与第一分片包的相同为2，业务数据标志为1，因为无丢包标签信息位置1，标签有效位为0x55aa，这样再次生成标签数据，存储到标签队列，第二模块202根据第一包数据格式将标签信息，视频1_2数组织好交第一模块201发送(此处发送数据包定义为分片2)，同时将主、次序列号，原主序列号，原子序列号与视频1_2数据发送位置，存储到数包发送位置信息表中；轨道旁第二收发装置第三模块206接收到数据包后交第二模块205分析处理，第二模块205先判断标签信息标志是否有效，若无效，则准备填充下次发送的标签信息位00，表示本次没有收到数据；若有效，则分析标签信息，这里假设无线通信过程中分片1没有丢失，分片2丢失，那么根据收到的数据分析统计丢失的数据包对应标签信息位为0，成功接收的信息位为1，第二模块205准备下次发送所用的标签信息位为10，此时接收到的分片1数据包并不直接传输给业务数据(数据此时不完整)，第二装置没有要发送的业务数据，那么轨道旁第二收发装置内部产生带标签的数据包，填写发送标签信息，主序列号加1，子序列号填0，原主序列号填0，原子序列号填0，分片数量填0，业务数据标志填0，标签有效位为0x55aa，标签信息位位10，这样发送给第一装置的标签信息就生成了，再通过第一模块204发送给第一装置第三模块203，203模块传递给第二模块202分析处理，第二模块202先判断标签信息标志是否有效，此处是有效的，再检查分片数量是否大于0，此处为0，没有分片，分析信息位10，发现分片1发送成功，分片2发送失败，将视频1_1数据记录在发送位置信息表删除，从发送位置信息表找到视频1_2数据的发送位置，并将该记录中主序列号存储到原主序列号，子序列号存储到原子序列号，再更新当前的主序列号101，与子序列号0。注意若有重传，发送位置信息表记录中的原系列号一直是该数据包最初发送时的主序列号，子序列号也一直是最初分片时的子序列号，并在标签队列中取出下次发送的标签信息，修改其中的业务数据标志为1，分片数量为2，再将修改后的标签信息与分片2数据按第一数据格式发送，第二装置接收分片2的重传包过程与接收分片1过程相同，不赘述，若轨道旁第二收发装置收到分片2，将分片2交第二模块205，合并分片1与分片2，形成完整的数据包并去除80211头，还原为第二包数据格式由第一模块204发送给控制中心视频监控系统，至此完成一次列车视频监控数据调取。
96.应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。