《軌道交通通信》word版

1、城市軌道交通通信切換與路由技術(shù)研究與驗(yàn)證繆毅，周志剛，卜智勇（中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 上海 200050） 摘要：本文對(duì)地鐵列車的切換和路由技術(shù)進(jìn)行了研究，針對(duì)快速切換過程中的丟包問題和路由的準(zhǔn)確性問題進(jìn)行了分析，提出了雙信道異步切換和基于帶寬的OSLR路由方案，并為了驗(yàn)證方案的可行性，進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)地測(cè)試，結(jié)果表明，基于上述方案的的地鐵無線通信系統(tǒng)在帶寬，丟包率等方面有著很好的性能，為下一步的工程實(shí)施提供了借鑒。關(guān)鍵詞：地鐵 無線局域網(wǎng) 切換 OLSR路由協(xié)議 測(cè)試Research and test of handover and routing in urban mass t

2、ransit communicationMiao Yi，Zhou Zhigang，Bu Zhiyong( Shanghai Institute of Microsystem And Information Technology Shanghai 200050 )Abstract：This article does a research in the technology of handover and routing, it analyses the problems that losing packets in rapid handover and inaccurate routing，it

3、 also proposes dual-channel asynchronous switching scheme and OSLR routing scheme based on bandwidth，besides，we do some field test for the feasibility of our proposal .the results show that the wireless communication system using above-mentioned scheme has a very good performance in some aspect such

4、 as bandwidth and packet loss rate, and it set a good example for the next project implementation.Key words：Subway WLAN Handover OSLR routing protocol Test1 引言目前，多媒體技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用越來越多，地鐵車載電視與廣告的播放早已屢見不鮮。然而隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)城市軌道交通通信系統(tǒng)也提出了更高的要求，比如，運(yùn)行中的列車能否實(shí)時(shí)地將車廂內(nèi)的監(jiān)控?cái)z像設(shè)備的錄像傳輸?shù)降孛?，以及運(yùn)行中的列車能否準(zhǔn)確地從地面控制系統(tǒng)接收多媒體數(shù)據(jù)，從而監(jiān)控人

5、員可以更加及時(shí)地掌握列車的運(yùn)行狀態(tài)和為乘客提供實(shí)時(shí)的視頻和音頻服務(wù)等等。上述應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)都依賴于列車與地面間高帶寬無線通信系統(tǒng)的支持，目前的軌道交通通信系統(tǒng)主要采取基于802.11的技術(shù)方案，其有著帶寬不穩(wěn)定，丟包率較高等方面的缺點(diǎn)，作者簡(jiǎn)介：繆毅，1987年生，男，碩士，主要研究方向?qū)拵o線通信；周志剛，男，副研究員，2005年于東南大學(xué)獲通信專業(yè)博士學(xué)位；卜智勇，男，研究員，1999年于東南大學(xué)獲通信專業(yè)博士學(xué)位。難以滿足高帶寬應(yīng)用的需求，需要優(yōu)化切換手段與路由策略以保證列車在不同的無線接入點(diǎn)之間的無縫切換與數(shù)據(jù)流的準(zhǔn)確路由。本文針對(duì)以上兩個(gè)問題進(jìn)行研究，提出了相應(yīng)的改進(jìn)策略，并對(duì)所提方案進(jìn)

6、行了實(shí)地測(cè)試，結(jié)果表明基于改進(jìn)方案的系統(tǒng)性能有了明顯的改善。文章整體結(jié)構(gòu)如下，第2節(jié)對(duì)地鐵無線通信系統(tǒng)進(jìn)行了概述，第3節(jié)從切換和路由兩方面分析了現(xiàn)有策略的不足，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案，第4節(jié)通過實(shí)地測(cè)試驗(yàn)證了方案的可行性，第5節(jié)對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)。2 系統(tǒng)概述城市軌道交通通信系統(tǒng)主要由車站系統(tǒng)與車載系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。車站系統(tǒng)采用雙星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，軌旁AP通過百兆光纖接入車站交換機(jī)，同時(shí)車站交換機(jī)通過雙千兆鏈路與核心交換機(jī)進(jìn)行連接。圖 1 車站網(wǎng)絡(luò)示意圖車載系統(tǒng)采用車載局域網(wǎng)方案，利用兩對(duì)屏蔽對(duì)絞線貫穿地鐵列車的兩個(gè)車頭和各車廂，并于車頭駕駛室內(nèi)設(shè)置以太網(wǎng)交換機(jī)，車廂內(nèi)部設(shè)置集線器，從而構(gòu)成一個(gè)車載1

7、00Mb/s以太網(wǎng)。圖 2 車載網(wǎng)絡(luò)示意圖3 關(guān)鍵技術(shù)研究3.1 系統(tǒng)分析與異步切換策略地鐵無線傳輸系統(tǒng)同一般的無線局域網(wǎng)系統(tǒng)相比，有著很大的區(qū)別：首先，列車的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)是簡(jiǎn)單的和固定的，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)不同AP的信號(hào)強(qiáng)度的變化自動(dòng)做出越區(qū)切換的決定。其次，地鐵無線傳輸系統(tǒng)中，列車的運(yùn)動(dòng)方向一般不會(huì)改變，從舊AP的服務(wù)區(qū)域向新AP的服務(wù)區(qū)域移動(dòng)，因此如果當(dāng)前聯(lián)結(jié)AP的信號(hào)強(qiáng)度開始減弱，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以判斷出正在離開該AP的服務(wù)區(qū)域，需要開始尋找下一個(gè)服務(wù)區(qū)域的AP。同時(shí)，在地鐵無線傳輸系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)方向的固定性和系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的單一性使在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上事先配置所有AP的信息稱為可能，可以在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的初始化

8、階段將系統(tǒng)中所有AP的相關(guān)信息保存在非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)中，當(dāng)列車在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)需要進(jìn)行越區(qū)切換時(shí)，從新AP的網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀中提取該AP的ID，在從AP配置表中讀取切換到該AP所需的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以完成與新AP的重聯(lián)結(jié)操作1。鑒于地鐵無線傳輸通信子系統(tǒng)的上述特點(diǎn)，本文提出雙信道異步的越區(qū)切換方案，以解決列車在快速移動(dòng)過程中的數(shù)據(jù)包丟失問題。圖 3 雙信道異步切換 方案具體如下：同一輛列車上安裝兩套各自獨(dú)立的802.11無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)設(shè)備，分別位于列車的頭部和尾部。兩個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)接口使用不同的MAC層地址，并行工作。在不需要進(jìn)行越區(qū)切換時(shí)，列車可以同時(shí)利用兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口收發(fā)數(shù)據(jù)，獲得兩倍于單個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口的帶寬；在越區(qū)切

9、換的過程中，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口在不同的時(shí)間完成于舊AP解除聯(lián)結(jié)、與新AP重新聯(lián)結(jié)的操作，從而保證列車上至少有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口處與可用的狀態(tài)，使有列車發(fā)往地面控制系統(tǒng)的UDP數(shù)據(jù)流可以不間斷的通過舊AP或新AP轉(zhuǎn)發(fā)。 兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口使用相同的越區(qū)切換算法，其流程如下所示：圖 4 切換流程具體來說，可以設(shè)置位于列車頭部的網(wǎng)絡(luò)接口的切換因滿足，取列車尾部的網(wǎng)絡(luò)接口的切換因數(shù)滿足。此時(shí)，車頭接口屬于“提前切換”狀態(tài)，車尾接口屬于“滯后切換”狀態(tài)。當(dāng)列車開始遠(yuǎn)離當(dāng)前AP，接近目的AP，尚處在當(dāng)前AP的服務(wù)區(qū)時(shí)，車頭接口就開始了切換過程，此時(shí)車尾還處于與當(dāng)前AP聯(lián)結(jié)的狀態(tài)，列車可以通過車尾接口與地面控制系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)。

10、當(dāng)列車駛離當(dāng)前AP的服務(wù)區(qū)，進(jìn)入目標(biāo)AP的服務(wù)區(qū)后，車頭接口已經(jīng)完成與目的AP的聯(lián)結(jié)過程，可以開始使用目的AP轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。此時(shí)車尾接口開始切換，列車?yán)密囶^接口與地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)。當(dāng)車尾接口完成與目的AP的聯(lián)結(jié)操作后，整個(gè)越區(qū)切換過程結(jié)束，列車可以獲得雙倍于單個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口的帶寬2。3.2 現(xiàn)有路由方案與改進(jìn)目前在軌道交通系統(tǒng)中多采用基于OLSR協(xié)議的路由方案，協(xié)議的主要思想就是是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都在自己的鄰居節(jié)點(diǎn)中選擇一部分來作為自己的MPR（Multi Point Relay）節(jié)點(diǎn)，只有被選舉成為MPR的節(jié)點(diǎn)才會(huì)對(duì)洪泛TC（Topology Control）分組到全網(wǎng)負(fù)責(zé)，從而減少了網(wǎng)絡(luò)中廣播分組的數(shù)量。本

11、文對(duì)已有的MPR選擇算法與路由計(jì)算算法進(jìn)行分析，加以帶寬參數(shù)的約束，提出了改進(jìn)的OLSR路由方案3。3.2.1 MPR選擇算法的改進(jìn)自組網(wǎng)使用無線通信相鄰節(jié)點(diǎn)共享無線帶寬節(jié)點(diǎn)與它周圍一定范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)共享頻率資源，因此鏈路上的可用帶寬不僅與該鏈路上當(dāng)前負(fù)載所占用的帶寬相關(guān)，而且還與鏈路周圍節(jié)點(diǎn)的占用帶寬相關(guān)。設(shè)表示自組網(wǎng)中最大帶寬，記節(jié)點(diǎn)N占用的接收帶寬為，節(jié)點(diǎn)N占用的發(fā)送帶寬為，那么節(jié)點(diǎn)A的可用接收帶寬等于減去A的直接通信范圍內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)N(包括A本身)占用的發(fā)送帶寬，節(jié)點(diǎn)A的可用發(fā)送帶寬等于減去A的直接通信范圍內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)N(包括A本身)占用的接收帶寬。用表示以節(jié)點(diǎn)A為中心以傳輸距離為半徑的圓內(nèi)

12、所有節(jié)點(diǎn)組成的集合，那么：于是，節(jié)點(diǎn)A向其一跳鄰居B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)鏈路AB的可用帶寬是 改進(jìn)的MPR選擇算法如下： 1.如果A的一跳鄰居集合N中節(jié)點(diǎn)y提供到達(dá)A的兩跳鄰居集合N2中某個(gè)節(jié)點(diǎn)的唯一路徑，那么把y選擇為A的一個(gè)MPR；2. 當(dāng)N2中還有節(jié)點(diǎn)沒有被A的MPR集所覆蓋，把還沒有被選作MPR的節(jié)點(diǎn)BN且最大的那個(gè)鄰居B選作MPR。即選擇N中滿足B還沒有被選為MPR且最大的那個(gè)一跳鄰居節(jié)點(diǎn)B作為MPR。如果N中有多個(gè)一跳鄰居滿足上述條件，選其中到達(dá)N2中最多未覆蓋節(jié)點(diǎn)的那個(gè)一跳鄰居節(jié)點(diǎn)B作為MPR。3.2.2 路由計(jì)算算法的改進(jìn) 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的Qos性能如路徑帶寬、時(shí)延以及分組遞交率等，

13、一方面它們之間相互依存并相互制約，另一方面它們與按跳數(shù)計(jì)算的路徑長(zhǎng)度相關(guān)。帶寬過低造成沖突增加、時(shí)延增加及分組遞交率下降；路徑跳數(shù)增加導(dǎo)致時(shí)延增加及分組遞交率下降。 節(jié)點(diǎn)A利用帶寬量度擴(kuò)展的最短路徑算法計(jì)算路由時(shí)，對(duì)所有可能的跳數(shù)H，如果存在到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)D的H跳路由，那么在所有可能的H跳路由中，將瓶頸帶寬最大的那條路由記錄到路山表中。換言之，路由表中記錄了本節(jié)點(diǎn)到達(dá)網(wǎng)絡(luò)中所有可達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的所有跳數(shù)的可用帶寬最大路徑，對(duì)于一個(gè)可達(dá)目的節(jié)點(diǎn)來說，可以經(jīng)不同跳數(shù)的路徑到達(dá)，但是在相同跳數(shù)的路徑中，只保留了可用帶寬最大的那一條，而且，跳數(shù)多的路由一定比跳數(shù)少的路由的瓶頸帶寬大。為了找到本節(jié)點(diǎn)發(fā)往目的節(jié)

14、點(diǎn)的一個(gè)數(shù)據(jù)流的具體路徑，針對(duì)不同業(yè)務(wù)需求，必須從帶寬量度最短路徑擴(kuò)展算法找到的本節(jié)點(diǎn)到達(dá)該目的節(jié)點(diǎn)的所有跳數(shù)的可用帶寬最大路徑中，按照一定規(guī)則確定一條路徑。改進(jìn)的路由計(jì)算算法為：。式中的、是從源節(jié)點(diǎn)S到目的節(jié)點(diǎn)D的路徑跳數(shù)及瓶頸帶寬，要求是為了適應(yīng)諸如實(shí)時(shí)應(yīng)用時(shí)必須滿足的最低帶寬需求門限值，是帶寬與跳數(shù)之間的折衷因子，其為根據(jù)實(shí)際應(yīng)用而確定的常數(shù)。計(jì)算源節(jié)點(diǎn)S到目的節(jié)點(diǎn)D的路由時(shí)，將跳數(shù)與瓶頸帶寬帶入取滿足約束條件的最小值，這種量度體現(xiàn)了路徑跳數(shù)與路徑帶寬之間的折衷，既保持了路徑跳數(shù)的盡量少，又保證了路徑帶寬盡量大4。4 實(shí)地測(cè)試為了驗(yàn)證雙信道異步切換和基于帶寬的OLSR路由方案的可行性，我

15、們與法國(guó)Luceor公司合作，在上海軌道交通四號(hào)線進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試。測(cè)試選擇在虹橋路站與上海體育館站之間進(jìn)行，其中，隧道兩旁約200米放置一個(gè)無線路由器，地鐵車廂頭尾司機(jī)室放置裝有17dBi波導(dǎo)天線車載路由器和其他車載實(shí)驗(yàn)設(shè)備。車載路由器采用上述切換與路由方案設(shè)計(jì)，測(cè)試內(nèi)容為列車正常運(yùn)行時(shí)每秒鐘的帶寬和丟包率情況。測(cè)試結(jié)果如下：圖 5 帶寬測(cè)試結(jié)果帶寬結(jié)果顯示，沒有經(jīng)過切換點(diǎn)時(shí)，帶寬約為40Mb/s，經(jīng)過切換點(diǎn)時(shí)，帶寬損失至20Mb/s，總體來說，帶寬穩(wěn)定無波動(dòng)，性能良好。圖 6 丟包率測(cè)試結(jié)果丟包率結(jié)果顯示，沒有經(jīng)過切換點(diǎn)時(shí)，丟包率約為1%，經(jīng)過切換點(diǎn)時(shí)，丟包率為10%-20%，雖然切換時(shí)丟包

16、率有所上升，但平均丟包率始終維持在較低水平上。通過實(shí)地測(cè)試可以看出，方案對(duì)系統(tǒng)的整體性能有了明顯的改善，帶寬穩(wěn)定，丟包率較低，考慮到實(shí)際應(yīng)用中，單車的業(yè)務(wù)總流量維持在20Mbps至40Mbps之間，所以其能夠有效滿足車載業(yè)務(wù)的需要，為工程實(shí)施提供了有力的理論支持。5 小結(jié) 本文就城市軌道交通中的無線局域網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行研究，著重討論了切換和路由兩方面的問題，在已有的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，提出了雙信道異步切換與基于帶寬的OLSR路由方案，同時(shí)，為驗(yàn)證所提方案的可行性而進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，改進(jìn)方案在帶寬，丟包率等方面有著很好的性能改善。下一步的工作就是考慮通過流量均衡技術(shù)對(duì)切換過程時(shí)車載路由器的數(shù)據(jù)流進(jìn)行合并，以期達(dá)到更好的性能。參考文獻(xiàn)1鄧紅元.初探信號(hào)CBTC系統(tǒng)與乘客信息系統(tǒng)共建WLAN的可行性.鐵道通信信號(hào)工程技術(shù)，2007年，第4卷第1期：38-40頁.2徐偉，楊怡，陶軍.基于移動(dòng)終端的WLAN快速切換方案.計(jì)算機(jī)工程，2009年，第35卷第14期：135-137頁.3Jacquet P,Muhlethaler P,Clausen T etc.Optimized Link State Routing Protocol for Ad Hoc Networks.Lahore,Pakistan:IEE INMIC&#