轨道交通通信.doc

《轨道交通通信.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《轨道交通通信.doc（6页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流轨道交通通信.精品文档.城市轨道交通通信切换与路由技术研究与验证缪毅，周志刚，卜智勇（中国科学院上海微系统与信息技术研究所 上海 200050） 摘要：本文对地铁列车的切换和路由技术进行了研究，针对快速切换过程中的丢包问题和路由的准确性问题进行了分析，提出了双信道异步切换和基于带宽的OSLR路由方案，并为了验证方案的可行性，进行了相关的实地测试，结果表明，基于上述方案的的地铁无线通信系统在带宽，丢包率等方面有着很好的性能，为下一步的工程实施提供了借鉴。关键词：地铁 无线局域网 切换 OLSR路由协议 测试Research and test o

2、f handover and routing in urban mass transit 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 ra

3、pid handover and inaccurate routing，it 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 ver

4、y good performance in some aspect such 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，多媒体技术在轨道交通中的应用越来越多，地铁车载电视与广告的播放早已屡见不鲜。然而随着社会的进步，人们对城市轨道交通通信系统也提出了更高的要求，比如，运行中的列车能否实时地将车厢内的监控摄像设备的录像传

5、输到地面，以及运行中的列车能否准确地从地面控制系统接收多媒体数据，从而监控人员可以更加及时地掌握列车的运行状态和为乘客提供实时的视频和音频服务等等。上述应用的实现都依赖于列车与地面间高带宽无线通信系统的支持，目前的轨道交通通信系统主要采取基于802.11的技术方案，其有着带宽不稳定，丢包率较高等方面的缺点，作者简介：缪毅，1987年生，男，硕士，主要研究方向宽带无线通信；周志刚，男，副研究员，2005年于东南大学获通信专业博士学位；卜智勇，男，研究员，1999年于东南大学获通信专业博士学位。难以满足高带宽应用的需求，需要优化切换手段与路由策略以保证列车在不同的无线接入点之间的无缝切换与数据流的

6、准确路由。本文针对以上两个问题进行研究，提出了相应的改进策略，并对所提方案进行了实地测试，结果表明基于改进方案的系统性能有了明显的改善。文章整体结构如下，第2节对地铁无线通信系统进行了概述，第3节从切换和路由两方面分析了现有策略的不足，并提出了相应的改进方案，第4节通过实地测试验证了方案的可行性，第5节对全文进行了总结。2 系统概述城市轨道交通通信系统主要由车站系统与车载系统两部分构成。车站系统采用双星型拓扑结构，轨旁AP通过百兆光纤接入车站交换机，同时车站交换机通过双千兆链路与核心交换机进行连接。图 1 车站网络示意图车载系统采用车载局域网方案，利用两对屏蔽对绞线贯穿地铁列车的两个车头和各车

7、厢，并于车头驾驶室内设置以太网交换机，车厢内部设置集线器，从而构成一个车载100Mb/s以太网。图 2 车载网络示意图3 关键技术研究3.1 系统分析与异步切换策略地铁无线传输系统同一般的无线局域网系统相比，有着很大的区别：首先，列车的运动趋势是简单的和固定的，移动节点可以根据不同AP的信号强度的变化自动做出越区切换的决定。其次，地铁无线传输系统中，列车的运动方向一般不会改变，从旧AP的服务区域向新AP的服务区域移动，因此如果当前联结AP的信号强度开始减弱，移动节点可以判断出正在离开该AP的服务区域，需要开始寻找下一个服务区域的AP。同时，在地铁无线传输系统中，运动方向的固定性和系统中网络设备

8、的单一性使在移动节点上事先配置所有AP的信息称为可能，可以在移动节点的初始化阶段将系统中所有AP的相关信息保存在非易失性存储介质中，当列车在运行中发现需要进行越区切换时，从新AP的网络信标帧中提取该AP的ID，在从AP配置表中读取切换到该AP所需的网络参数以完成与新AP的重联结操作1。鉴于地铁无线传输通信子系统的上述特点，本文提出双信道异步的越区切换方案，以解决列车在快速移动过程中的数据包丢失问题。图 3 双信道异步切换 方案具体如下：同一辆列车上安装两套各自独立的802.11无线网络收发设备，分别位于列车的头部和尾部。两个无线网络接口使用不同的MAC层地址，并行工作。在不需要进行越区切换时，

9、列车可以同时利用两个网络接口收发数据，获得两倍于单个网络接口的带宽；在越区切换的过程中，两个网络接口在不同的时间完成于旧AP解除联结、与新AP重新联结的操作，从而保证列车上至少有一个网络接口处与可用的状态，使有列车发往地面控制系统的UDP数据流可以不间断的通过旧AP或新AP转发。 两个网络接口使用相同的越区切换算法，其流程如下所示：图 4 切换流程具体来说，可以设置位于列车头部的网络接口的切换因满足，取列车尾部的网络接口的切换因数满足。此时，车头接口属于“提前切换”状态，车尾接口属于“滞后切换”状态。当列车开始远离当前AP，接近目的AP，尚处在当前AP的服务区时，车头接口就开始了切换过程，此时

10、车尾还处于与当前AP联结的状态，列车可以通过车尾接口与地面控制系统传输数据。当列车驶离当前AP的服务区，进入目标AP的服务区后，车头接口已经完成与目的AP的联结过程，可以开始使用目的AP转发数据。此时车尾接口开始切换，列车利用车头接口与地面传输数据。当车尾接口完成与目的AP的联结操作后，整个越区切换过程结束，列车可以获得双倍于单个网络接口的带宽2。3.2 现有路由方案与改进目前在轨道交通系统中多采用基于OLSR协议的路由方案，协议的主要思想就是是每个节点都在自己的邻居节点中选择一部分来作为自己的MPR（Multi Point Relay）节点，只有被选举成为MPR的节点才会对洪泛TC（Topo

11、logy Control）分组到全网负责，从而减少了网络中广播分组的数量。本文对已有的MPR选择算法与路由计算算法进行分析，加以带宽参数的约束，提出了改进的OLSR路由方案3。3.2.1 MPR选择算法的改进自组网使用无线通信相邻节点共享无线带宽节点与它周围一定范围内的节点共享频率资源，因此链路上的可用带宽不仅与该链路上当前负载所占用的带宽相关，而且还与链路周围节点的占用带宽相关。设表示自组网中最大带宽，记节点N占用的接收带宽为，节点N占用的发送带宽为，那么节点A的可用接收带宽等于减去A的直接通信范围内所有节点N(包括A本身)占用的发送带宽，节点A的可用发送带宽等于减去A的直接通信范围内所有节

12、点N(包括A本身)占用的接收带宽。用表示以节点A为中心以传输距离为半径的圆内所有节点组成的集合，那么：于是，节点A向其一跳邻居B发送数据时链路AB的可用带宽是 改进的MPR选择算法如下： 1.如果A的一跳邻居集合N中节点y提供到达A的两跳邻居集合N2中某个节点的唯一路径，那么把y选择为A的一个MPR；2. 当N2中还有节点没有被A的MPR集所覆盖，把还没有被选作MPR的节点BN且最大的那个邻居B选作MPR。即选择N中满足B还没有被选为MPR且最大的那个一跳邻居节点B作为MPR。如果N中有多个一跳邻居满足上述条件，选其中到达N2中最多未覆盖节点的那个一跳邻居节点B作为MPR。3.2.2 路由计算

13、算法的改进 数据业务和实时业务的Qos性能如路径带宽、时延以及分组递交率等，一方面它们之间相互依存并相互制约，另一方面它们与按跳数计算的路径长度相关。带宽过低造成冲突增加、时延增加及分组递交率下降；路径跳数增加导致时延增加及分组递交率下降。 节点A利用带宽量度扩展的最短路径算法计算路由时，对所有可能的跳数H，如果存在到达目的节点D的H跳路由，那么在所有可能的H跳路由中，将瓶颈带宽最大的那条路由记录到路山表中。换言之，路由表中记录了本节点到达网络中所有可达目的节点的所有跳数的可用带宽最大路径，对于一个可达目的节点来说，可以经不同跳数的路径到达，但是在相同跳数的路径中，只保留了可用带宽最大的那一条

14、，而且，跳数多的路由一定比跳数少的路由的瓶颈带宽大。为了找到本节点发往目的节点的一个数据流的具体路径，针对不同业务需求，必须从带宽量度最短路径扩展算法找到的本节点到达该目的节点的所有跳数的可用带宽最大路径中，按照一定规则确定一条路径。改进的路由计算算法为：。式中的、是从源节点S到目的节点D的路径跳数及瓶颈带宽，要求是为了适应诸如实时应用时必须满足的最低带宽需求门限值，是带宽与跳数之间的折衷因子，其为根据实际应用而确定的常数。计算源节点S到目的节点D的路由时，将跳数与瓶颈带宽带入取满足约束条件的最小值，这种量度体现了路径跳数与路径带宽之间的折衷，既保持了路径跳数的尽量少，又保证了路径带宽尽量大4

15、。4 实地测试为了验证双信道异步切换和基于带宽的OLSR路由方案的可行性，我们与法国Luceor公司合作，在上海轨道交通四号线进行了实地测试。测试选择在虹桥路站与上海体育馆站之间进行，其中，隧道两旁约200米放置一个无线路由器，地铁车厢头尾司机室放置装有17dBi波导天线车载路由器和其他车载实验设备。车载路由器采用上述切换与路由方案设计，测试内容为列车正常运行时每秒钟的带宽和丢包率情况。测试结果如下：图 5 带宽测试结果带宽结果显示，没有经过切换点时，带宽约为40Mb/s，经过切换点时，带宽损失至20Mb/s，总体来说，带宽稳定无波动，性能良好。图 6 丢包率测试结果丢包率结果显示，没有经过切

16、换点时，丢包率约为1%，经过切换点时，丢包率为10%-20%，虽然切换时丢包率有所上升，但平均丢包率始终维持在较低水平上。通过实地测试可以看出，方案对系统的整体性能有了明显的改善，带宽稳定，丢包率较低，考虑到实际应用中，单车的业务总流量维持在20Mbps至40Mbps之间，所以其能够有效满足车载业务的需要，为工程实施提供了有力的理论支持。5 小结 本文就城市轨道交通中的无线局域网技术进行研究，着重讨论了切换和路由两方面的问题，在已有的基础上加以改进，提出了双信道异步切换与基于带宽的OLSR路由方案，同时，为验证所提方案的可行性而进行了实地测试，测试结果表明，改进方案在带宽，丢包率等方面有着很好

17、的性能改善。下一步的工作就是考虑通过流量均衡技术对切换过程时车载路由器的数据流进行合并，以期达到更好的性能。参考文献1邓红元.初探信号CBTC系统与乘客信息系统共建WLAN的可行性.铁道通信信号工程技术，2007年，第4卷第1期：38-40页.2徐伟，杨怡，陶军.基于移动终端的WLAN快速切换方案.计算机工程，2009年，第35卷第14期：135-137页.3Jacquet P,Muhlethaler P,Clausen T etc.Optimized Link State Routing Protocol for Ad Hoc Networks.Lahore,Pakistan:IEE INMIC01,2001,Vol 12:Page 62-68.4F Kuipers,T Korkmaz,M Krunz etc.An Overview of Constraint-Based Path Selection Algorithms for QoS Routing. IEEE Comunication Magazine.2002,Vol 40:Page 33-35.注：本课题受到下面基金和项目支持：863高技术研究发展计划项目（2009AA012002）；中科院重大项目（KGCX1-YW-19）本人自愿承担增收的版面费。