基于無線通信的無縫漫游模型

鄭萬昀

（北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073）

1 基于通信的列車控制系統(tǒng)是軌道交通的發(fā)展趨勢

軌道交通是目前最具可持續(xù)發(fā)展的地面交通運輸方式之一，具有運輸效率高、排放低、能源利用率高、氣候影響小、安全性能好等特點。未來20年是我國軌道交通高速發(fā)展的時期，北京、上海、廣州等大城市及許多二、三線城市都有多條地鐵、輕軌相繼開工建設(shè)。為健康有序地發(fā)展我國的軌道交通，迫切需要具有自主知識產(chǎn)權(quán)的軌道交通技術(shù)裝備，實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的國產(chǎn)化，其中列車控制系統(tǒng)作為保證列車安全運行、提高運輸效率的關(guān)鍵技術(shù)，其國產(chǎn)化的進程勢在必行。

基于通信的列車控制系統(tǒng)是目前技術(shù)領(lǐng)先的控制方式，通過列車和地面間的雙向通信可以在確保列車運行安全的前提下，最大限度地縮短列車運行間隔，提高線路通過能力。這就為當(dāng)今前沿的城軌交通信號技術(shù)在我國的應(yīng)用提出了現(xiàn)實要求。

2 系統(tǒng)簡介

基于通信的列車控制系統(tǒng)按照功能不同可劃分為4部分：列車自動監(jiān)督子系統(tǒng)、區(qū)域控制中心子系統(tǒng)、車載設(shè)備子系統(tǒng)和車地雙向通信子系統(tǒng)。列車自動監(jiān)督子系統(tǒng)位于中央，實現(xiàn)對列車自動監(jiān)督和調(diào)度管理。區(qū)域控制中心子系統(tǒng)位于軌旁，它來自車載設(shè)備的列車位置、速度、運行方向等信息和軌旁設(shè)備（如道岔）的狀態(tài)信息，計算每一列車的移動授權(quán)并發(fā)送給列車，實現(xiàn)列車在移動閉塞方式下安全運行。車載設(shè)備子系統(tǒng)給區(qū)域控制中心反饋列車的狀態(tài)信息，并根據(jù)接收到的移動授權(quán)和自身的運行狀態(tài)計算出列車運行的速度曲線，車載ATP保證列車在該速度曲線下安全運行。車載ATO在ATP的防護下，實現(xiàn)列車的速度調(diào)整和經(jīng)濟運行等功能。車地雙向通信子系統(tǒng)分為無線通信系統(tǒng)和有線通信系統(tǒng)。無線通信系統(tǒng)負責(zé)向區(qū)域控制中心和車載設(shè)備提供透明的連續(xù)雙向通信通道，有線通信系統(tǒng)負責(zé)向中央和軌旁設(shè)備提供大容量、安全的數(shù)據(jù)通信通道。

車地雙向通信子系統(tǒng)主要由骨干網(wǎng)交換機、接入網(wǎng)交換機、無線接入點、車載無線通信單元、無線網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、有線網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)構(gòu)成。其中，車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)成為車載無線通信單元和地面無線接入點之間的通信橋梁，無線通信采用無線局域網(wǎng)IEEE802.11g標準，并在此標準的基礎(chǔ)上進行了改進，系統(tǒng)工作在2.4 GHz的開放頻段。

3 當(dāng)前技術(shù)缺陷分析

列車在高速行駛過程中，需要在不同的軌旁接入點之間進行快速切換，即列車物理位置在不斷變化，其在網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中的位置也發(fā)生變化。列車與軌旁接入點間的每次切換都需要二者間重新建立通信，這會導(dǎo)致地面控制中心與車載單元的數(shù)據(jù)通路發(fā)生中斷，如果中斷時間超過系統(tǒng)允許范圍，將會嚴重影響行車安全。

目前，主流的切換技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)IETF（工程任務(wù)組）所制訂的移動互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議MIPv6。MIPv6協(xié)議給出了移動檢測、轉(zhuǎn)交地址獲取、綁定更新管理等基本切換過程。但是，MIPv6協(xié)議雖然對移動節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中漫游提供了移動性支持，但移動節(jié)點在切換過程中的一些操作會造成切換時延，嚴重影響上層應(yīng)用的通信質(zhì)量。為了降低切換延時和減少通信中斷的時間，IETF提出了兩個MIPv6協(xié)議的擴展技術(shù)：快速切換互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議FMIPv6和層次型移動互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議HMIPv6。下面，就MIPv6協(xié)議切換延遲的原理以及FMIPv6協(xié)議和HMIPv6協(xié)議對MIPv6協(xié)議的改進情況作一介紹。

3.1 MIPv6協(xié)議切換延遲分析

對于IP網(wǎng)絡(luò)，切換可以分為兩個部分：二層切換和三層切換。在不同的MIPv6子網(wǎng)間進行切換時，首先進行的是二層L2切換，即鏈路層切換，然后才開始標準的MIPv6切換，即三層L3切換。標準MIPv6切換可以分為3個階段：1）移動檢測；2）轉(zhuǎn)交地址配置；3）網(wǎng)絡(luò)層注冊。因此，造成切換時延的原因有4點，內(nèi)容如下。

①Layer2切換時延；②移動檢測MD時延；

③重復(fù)地址檢測DAD時延；

④MIPv6注冊時延。

其中，L2切換時延DL2是不可避免的，時延約為53.3～420.8 ms，平均約為237 ms。在移動IPv6中，L3的切換時延包括開始時的移動檢測時延、中間的重復(fù)地址檢測時延和最后移動IPv6注冊時延。其中，移動檢測時延與重復(fù)地址檢測時延合稱為IP連接時延DIPc。移動節(jié)點在檢測到已經(jīng)離開先前接入網(wǎng)絡(luò)，并且收到接入網(wǎng)絡(luò)中路由器所發(fā)通告的過程稱為移動檢測，而移動檢測所造成的時延大小取決于路由通告發(fā)送的間隔DRA，在MIPv6的標準中建議為30～70 ms，平均為50 ms；重復(fù)地址檢測時延DDAD應(yīng)該是移動IPv6切換中份量最重的，IPv6基于多次發(fā)送鄰居請求來檢測此網(wǎng)絡(luò)是否有地址相同的節(jié)點，然而為了避免沖突，根據(jù)IPv6的鄰居發(fā)現(xiàn)標準，必須先要隨機地延遲一段時間DNS1（0～1 000 ms，平均為500 ms）再發(fā)送鄰居請求，然后重復(fù)發(fā)送鄰居請求，預(yù)設(shè)發(fā)送1次，最多重發(fā)3次，每次間隔DNSr為1 000 ms。所以在還未開始移動IPv6注冊前最少要延遲DIPc，平均為1 787 ms，對家鄉(xiāng)代理時延DBUHA與通信對端時延DBUCN的注冊合稱為MIPv6注冊時延DBU，而與通信對端進行注冊時，若是路由優(yōu)化模式，還需要加入返回路由可達所造成的時延DRR，上述MIPv6的切換時延為DHO。

3.2 FMIPv6概述

鑒于MIPv6在切換時有較長的延遲時間，IETF工作組提出FMIPv6是對MIPv6協(xié)議的改進，可以加快IPv6移動節(jié)點的切換過程，減少已有通信連接的中斷時間，保證通信流的實時傳輸。FMIPv6使用鏈路層機制檢測到新的接入路由器，將部分MD與DAD的操作提前到L2切換之前完成，并通過預(yù)先注冊來降低切換時延，實現(xiàn)快速切換。

3.3 HMIPv6概述

上面介紹的FMIPv6沒有對MIPv6的移動進行分類處理，忽略了MIPv6的層次性。對此，IETF工作組又提出HMIPv6管理模型，引入了一個新的實體，稱為移動錨接點，從微觀移動性方面來解決這些問題，其核心是層次移動性管理，減少冗余信息，并將家鄉(xiāng)代理的移動性管理能力下放一部分到區(qū)域代理中。這就是分層的MIPv6，即HMIPv6。分層MIPv6可以通過使用本地層次結(jié)構(gòu)，允許在不同的接入網(wǎng)之間和內(nèi)部實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)，減少與外部網(wǎng)絡(luò)的注冊時間，減少切換中斷的時間。

3.4 其他技術(shù)

HMIPv6網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法提高宏觀移動下的切換性能，移動錨點是全網(wǎng)的瓶頸。FMIPv6對切換性能（如切換延遲、丟包率等）的改進比較明顯，但它的信令交互過程復(fù)雜，對沿途的各個路由器都有額外的要求，且它的實現(xiàn)依賴于鏈路層觸發(fā)信息的及時獲得，因此它不是最優(yōu)的選擇。所以又出現(xiàn)了一些改進方案。比較著名的有HMIPv6與FMIPv6的融合、進一步改善HMlPv6切換性能的HiMIPv6+的微移動管理方案等。

開放實驗室是高校實驗室發(fā)展和改革的大趨勢，其目的是提高實驗室設(shè)備的使用率和發(fā)揮實驗室資源[13]。自動化實驗實訓(xùn)與創(chuàng)新中心的實驗室開放性體現(xiàn)在各類實驗室資源面向自動化學(xué)院教師和各專業(yè)學(xué)生的開放性。2014年以來自動化實驗實訓(xùn)與創(chuàng)新中心實行開放實驗室管理，并建立實驗室開放管理登記制度。利用課內(nèi)實驗、課外實驗、設(shè)計性實驗、綜合性實驗、創(chuàng)新型性實驗等形式實現(xiàn)了實驗內(nèi)容的開放；另外學(xué)生根據(jù)自己的實際情況，可以自由地選擇實驗場所設(shè)備、實驗內(nèi)容、實驗時間，獨立制定實驗方案并進行實驗，得出實驗結(jié)果，并對實驗技術(shù)方法、知識點進行分析研判[14-15]。網(wǎng)上實驗預(yù)約系統(tǒng)如圖1所示。

但是，MIPv6以及在此基礎(chǔ)上的改進方案，都只是在網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議上的范疇，無法縮短L2切換的延遲時間。因此并不能實現(xiàn)真正意義的無縫切換。

4 無縫漫游的模型設(shè)計

為了實現(xiàn)移動節(jié)點的無縫切換，僅僅通過改進網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議無法達到要求。必須找到一種方法，徹底解決L2切換和L3切換的時延。雖然現(xiàn)有技術(shù)具有局限性，不能滿足列車在快速移動下的無縫漫游，但是可以通過在利用現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，重新建模，最終達到無縫漫游的要求。

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，高速運行的列車具有較長的長度、運動軌跡明確、運動速度相對穩(wěn)定且容易獲得、運動方向和途徑的無線接入點（AP）順序確定等特點，充分利用這些特點，用備份的硬件設(shè)備提前做預(yù)測切換，就可以從根本上解決切換延遲的問題。

為了實現(xiàn)列車的無縫漫游，可以利用列車的長度，在列車頭部和尾部各放置兩套車載無線接收設(shè)備，通過光纜把兩路信號接入到網(wǎng)絡(luò)接口模塊的以太網(wǎng)接口模塊，利用雙鏈路將列車在不同子網(wǎng)間的切換轉(zhuǎn)變?yōu)橐苿庸?jié)點內(nèi)部接口的切換，把新鏈路的網(wǎng)絡(luò)連接延遲時間壓縮為0，最終達到無縫漫游的要求。

模型利用以下圖示說明，AP1、AP2、AP3分別表示依次相鄰的3個軌旁接入點，3個AP使用的頻率不同，分別是f1、f2、f3，為了加以區(qū)分，用不同的顏色表示3個AP以及它們分別覆蓋的范圍。為了防止因其中1個AP（如AP2）損壞，系統(tǒng)不能正常運行，在布設(shè)AP的時候，AP1和AP3的覆蓋范圍有交疊，這在后面的系統(tǒng)可靠性中會有更加詳細的描述，這里不再贅述。

具體的切換過程如下。

1）列車行進過程中，首先頭部車載單元與AP1建立連接，稱之為鏈路1；列車繼續(xù)前進，尾部車載單元檢測到足夠強的AP1信號，也與AP1建立連接，稱之為鏈路2，但此鏈路暫時不啟用，實際使用的是鏈路1，如圖1所示。

2）當(dāng)列車繼續(xù)前行，頭部檢測到AP2的信號時，即進入網(wǎng)絡(luò)重疊區(qū)后，當(dāng)鏈路1的信號強度小于斷開門限閾值，則斷開鏈路1。啟用鏈路2進行通信（此時的尾部比頭部更加靠近AP1，因此鏈路2較鏈路1更加穩(wěn)定）；斷開鏈路1后，頭部開始與AP2進行連接，按照標準MlPv6協(xié)議，進行移動檢測、轉(zhuǎn)交地址配置、綁定更新等一系列流程，建立鏈路3。此時，系統(tǒng)使用鏈路2進行通信，如圖2所示。

3）列車繼續(xù)前行，AP2的信號達到頭部的連接門限值，鏈路3已穩(wěn)定連接后，啟用鏈路3進行通信，斷開鏈路2，如圖3所示。

4）列車繼續(xù)前行，當(dāng)尾部進入AP2占主導(dǎo)的信號范圍時，即AP2的信號達到尾部的連接門限值時，尾部也與AP2進行連接，此處稱為鏈路4。但是，此時仍使用鏈路3進行通信，如圖4所示。

5）列車繼續(xù)前行，頭部檢測到AP3的信號時，即再次進入網(wǎng)絡(luò)重疊區(qū)后，此時，啟用鏈路4進行通信；斷開鏈路3，頭部開始與AP3進行連接，建立鏈路5。此時，系統(tǒng)使用鏈路4進行通信，如圖5所示。

如此循環(huán)往復(fù)，實現(xiàn)無縫漫游的過程。

5 模型的漫游延時

列車在行駛過程中的漫游延時是指，列車在不同的軌旁接入點間切換，導(dǎo)致地面與列車通信中斷的時間。由于此系統(tǒng)應(yīng)用于城市軌道交通，線路設(shè)計的最高速度為150 km/h，兩個軌旁接入點在最不利情況下的布設(shè)距離最近為200 m。這會導(dǎo)致高速行駛的列車不停的在不同的軌旁接入點間進行切換，這是計算列車漫游時延的最不利情況。

由于軌旁接入點在沿線布設(shè)為不同頻率信號交叉覆蓋的形式，因此列車在本軌旁接入點處就可以收到下一軌旁接入點的信號，與下一軌旁接入點進行連接。此外，每列列車車頭和車尾均需要與同一個軌旁接入點進行連接，只是連接的時機不同。為了滿足列車的一端與軌旁接入點進行連接時，車地間仍能可靠通信，必須保證列車的另一端數(shù)據(jù)通道穩(wěn)定，即列車的兩端與軌旁接入點的連接時間不能有交集。也就是車頭與車尾和同一個軌旁接入點連接時走行距離的總和必須大于兩個軌旁接入點間的最短距離。

列車在速度150 km/h的情況下，每秒鐘的運行距離為小于42 m，與軌旁接入點建立穩(wěn)定通信的時延為小于2 s，即列車的一端最多需要84 m的距離建立與軌旁接入點的通信。車頭與車尾需要與同一軌旁接入點建立通信的走行距離總和最大為168 m，顯然小于兩個軌旁接入點間的最小距離200 m。證明過程如下所示。

SAP=200 m

2×S連接=2×（Vmax×Tmax）

=2×（150 km/h×2 s）=168 m

SAP＞2×S連接

這種通信的連接為預(yù)連接，由于此時列車與地面建立通信的通道數(shù)目為兩個，實際的數(shù)據(jù)流并不是發(fā)生在預(yù)連接的通道，而是之前已經(jīng)建立連接并穩(wěn)定傳輸?shù)耐ㄐ?。因此預(yù)連接的時延實際并不影響列車的漫游延時。

在網(wǎng)絡(luò)接口模塊的軟件程序中，一旦判斷進行通道的切換時機成熟，即在本周期選用另一緩存數(shù)據(jù)，即完成了列車在不同軌旁接入點間的切換。網(wǎng)絡(luò)接口模塊的單周期指令執(zhí)行時間為15 ns，因此，列車在不同軌旁接入點間進行切換導(dǎo)致的地面與列車通信的中斷時間幾乎為0，可以忽略不計。

6 結(jié)束語

為了實現(xiàn)列車控制上真正意義的無縫切換，可以通過低廉的硬件冗余來換取高質(zhì)量的移動網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，使切換的延遲時間盡可能的降低，在此模型中，切換的延遲時間幾乎為0（指令執(zhí)行切換為納秒級，可以忽略不計），做到了真正意義上的無縫漫游。這是一種新的嘗試，具有很高的實用價值。但是，由于硬件的增加，在網(wǎng)絡(luò)接口模塊的程序設(shè)計實現(xiàn)上增加了難度，同時也增加了硬件設(shè)備的預(yù)算。