車地?zé)o線局域網(wǎng)可靠通信的研究＊

趙麟杰 王志麟 鄭國(guó)莘

（1.中國(guó)鐵路通信信號(hào)上海工程集團(tuán)有限公司，200436，上海；2.上海大學(xué)，200436，上?！蔚谝蛔髡?，高級(jí)工程師）

車地?zé)o線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)因其可為車地間提供寬帶數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕鉀Q方案而在城市軌道交通中越來(lái)越多地被應(yīng)用。其中以基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）、旅客信息系統(tǒng)（PIS）、列車安防監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用最為廣泛。802.11a/b/g/n技術(shù)制式的車地?zé)o線局域網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于北京、上海、廣州、深圳等國(guó)內(nèi)大中城市的軌道交通中。

車地?zé)o線局域網(wǎng)可覆蓋城市軌道交通的車站、隧道、高架、地面線路和停車場(chǎng)等區(qū)域，可使列車在行駛區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)列車與車站、停車場(chǎng)、控制中心之間的雙向數(shù)據(jù)通道，具有通信帶寬大、延時(shí)小、支持的業(yè)務(wù)類型靈活等特點(diǎn)。例如，可以實(shí)時(shí)視頻流的上下行傳輸，緊急情況下旅客疏導(dǎo)信息、與列車運(yùn)行安全相關(guān)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息等可直接傳至相關(guān)車站和運(yùn)行控制中心（OCC），便于運(yùn)營(yíng)管理部門第一時(shí)間內(nèi)處置緊急狀況。尤其在CBTC系統(tǒng)中，在列車具備自動(dòng)駕駛（ATO）之后，車地 WLAN對(duì)信息有效、可靠的傳輸作用，顯現(xiàn)得更加明顯［1］。

在實(shí)際工程建設(shè)過(guò)程中，如何保障車地WLAN數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、可靠傳輸?shù)确矫孢€存在一些問(wèn)題。本文將從保證系統(tǒng)可靠性通信的角度展開(kāi)分析。

1 車地間數(shù)據(jù)通信特點(diǎn)分析

目前，城市軌道交通車地 WLAN應(yīng)用最為廣泛的是CBTC、PIS以及列車安防系統(tǒng)。信息數(shù)據(jù)經(jīng)應(yīng)用系統(tǒng)處理后，以IP的數(shù)據(jù)報(bào)文的方式通過(guò)車地?zé)o線局域網(wǎng)傳送，不同的應(yīng)用系統(tǒng)中數(shù)據(jù)報(bào)文的傳送各具特點(diǎn)。圖1為城市軌道交通中的WLAN通信系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)安全性

從運(yùn)營(yíng)安全的角度出發(fā)，CBTC、PIS、列車安防系統(tǒng)在城市軌道交通運(yùn)營(yíng)上扮演了不同等級(jí)的角色。CBTC系統(tǒng)為信號(hào)控制系統(tǒng)，關(guān)系著整個(gè)旅客運(yùn)輸?shù)陌踩珕?wèn)題，為最高安全等級(jí)。列車安防系統(tǒng)主要功能為采集車內(nèi)視頻圖像和列車關(guān)鍵數(shù)據(jù)狀態(tài)，疏導(dǎo)旅客和應(yīng)急信息數(shù)據(jù)發(fā)布，相對(duì)CBTC系統(tǒng)安全性次之。PIS系統(tǒng)為車廂內(nèi)乘客提供視頻圖像信息服務(wù)，安全級(jí)別最低。

從安全的角度來(lái)說(shuō)，車地 WLAN中數(shù)據(jù)包的丟失率，將直接關(guān)系到CBTC系統(tǒng)安全性。數(shù)據(jù)包若丟失嚴(yán)重，即便有對(duì)應(yīng)的重傳機(jī)制，信息處理將可能產(chǎn)生不確定性和處置的滯后性，從而造成列車控制命令傳遞的延誤和丟失，嚴(yán)重時(shí)可能將導(dǎo)致列車急停甚至停駛。

圖1 城市軌道交通中的WLAN通信系統(tǒng)

1.2 傳輸實(shí)時(shí)性

CBTC、PIS、列車安防系統(tǒng)這三種應(yīng)用對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性要求均較高，以TCP或UDP通信方式靈活應(yīng)用。PIS系統(tǒng)中通過(guò)UDP數(shù)據(jù)包來(lái)傳輸流媒體數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)時(shí)性有一定要求，時(shí)延一般要求在5s左右，可視為準(zhǔn)實(shí)時(shí)；而對(duì)時(shí)延抖動(dòng)的要求更高，抖動(dòng)嚴(yán)重將造成應(yīng)用系統(tǒng)流媒體緩存的溢出或者清空，而出現(xiàn)視頻中斷或馬賽克現(xiàn)象。列車安防系統(tǒng)中對(duì)數(shù)據(jù)通信需要保持實(shí)時(shí)的TCP虛連接狀態(tài)，以偵聽(tīng)來(lái)自此列車（客戶端）的報(bào)警數(shù)據(jù)傳輸，其實(shí)時(shí)性要求一般在0～2s之間。CBTC系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)性要求更高，以TCP和UDP混合應(yīng)用的方式傳輸數(shù)據(jù)包，處理數(shù)據(jù)時(shí)延要求需控制在1s以內(nèi)，甚至是毫秒級(jí)。各類應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)傳輸實(shí)時(shí)性的要求見(jiàn)表1。

表1 各類應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)傳輸實(shí)時(shí)性的要求

1.3 數(shù)據(jù)包格式

車地?zé)o線局域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)包格式多樣，不同應(yīng)用的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度特點(diǎn)明顯（見(jiàn)表2）。CBTC系統(tǒng)和列車安防系統(tǒng)中關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸，主要以TCP、UDP短包為主。其主要原因是由于所承載信息量不大、發(fā)送間隔較長(zhǎng)，一般一條信息僅使用一個(gè)數(shù)據(jù)包。短數(shù)據(jù)包具有占用帶寬低、數(shù)據(jù)發(fā)送接收端無(wú)須分拆重組的特點(diǎn)，信息丟損率低的優(yōu)勢(shì)，以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延相對(duì)較短的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)帶寬要求低。而在PIS等流媒體應(yīng)用中，數(shù)據(jù)包主要以UDP的長(zhǎng)包為主，甚至是巨大（Jumbo）包，由于視頻幀所攜帶的信息量較大，對(duì)帶寬的要求也越高。MPEG2流一般占用5～8Mbit/s帶寬，MPEG4/H.264流占用2～4Mbit/s帶寬。數(shù)據(jù)包可能大于車地WLAN設(shè)備的最大傳輸單元MTU值，而造成在數(shù)據(jù)包在發(fā)送和接收端進(jìn)行數(shù)據(jù)包分拆和重組，從而進(jìn)一步占用更多的設(shè)備處理資源，造成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)整體性能的下降。

表2 各類應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的要求

2 車地WLAN承載能力關(guān)鍵指標(biāo)分析

車地WLAN承載能力，是保障各種車地間應(yīng)用系統(tǒng)效果的基礎(chǔ)。本節(jié)將借鑒IP數(shù)據(jù)通信中網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)RFC 2544，分析體現(xiàn)車地網(wǎng)絡(luò)承載能力的關(guān)鍵指標(biāo)，包括吞吐量、轉(zhuǎn)發(fā)延遲、丟包率、背靠背等。車地WLAN性能指標(biāo)主要參考前3項(xiàng)指標(biāo)，背靠背主要考察設(shè)備的數(shù)據(jù)接口緩存能力而與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測(cè)試指標(biāo)無(wú)關(guān)［2］。

2.1 數(shù)據(jù)傳輸吞吐量

吞吐量在網(wǎng)絡(luò)中主要體現(xiàn)了某一節(jié)點(diǎn)到另一節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸能力。即每秒能夠傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量，一般也稱為網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬，用 Mbit/s表示。在檢測(cè)車地?zé)o線網(wǎng)時(shí)，可利用專用測(cè)試儀器分別在地面和車載系統(tǒng)之間收發(fā)數(shù)據(jù)包來(lái)驗(yàn)證其最大吞吐量。以某城市軌道交通1號(hào)線隧道內(nèi)802.11g車地WLAN吞吐量測(cè)試結(jié)果為例，如圖2所示。

圖2 PIS數(shù)據(jù)吞吐量實(shí)測(cè)

從圖2中可看到，列車在無(wú)線信號(hào)覆蓋較佳的區(qū)域，數(shù)據(jù)傳輸能力一般均穩(wěn)定在18Mbit/s左右，覆蓋不佳區(qū)域帶寬陷落在13Mbit/s左右。傳輸帶寬突然陷落將使得PIS系統(tǒng)視頻播放出現(xiàn)馬賽克現(xiàn)象。而對(duì)于CBTC系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳遞包的帶寬占用率較低，車地WLAN若能夠提供更大寬度的數(shù)據(jù)傳輸通道，實(shí)現(xiàn)較大的傳輸占空比，即傳輸通道帶寬遠(yuǎn)大于系統(tǒng)正常工作帶寬，有利于保障此類信息系統(tǒng)的傳輸可靠性。因此，在考慮車地WLAN可承載對(duì)象時(shí)，應(yīng)給各種應(yīng)用系統(tǒng)提供足夠的富余量，以保證數(shù)據(jù)能夠游刃有余地傳輸，避免出現(xiàn)嚴(yán)重阻塞情況。

2.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延和抖動(dòng)

數(shù)據(jù)從發(fā)送至接收所需要的時(shí)間，一般可理解為時(shí)延，單位用s來(lái)表示。抖動(dòng)則表現(xiàn)為每次時(shí)延之間的偏差。偏差越大表明抖動(dòng)較大。受測(cè)試條件所限，一般車地 WLAN用響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)來(lái)體現(xiàn)。該指標(biāo)略大于2倍的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，是數(shù)據(jù)雙向時(shí)延＋響應(yīng)端數(shù)據(jù)處理時(shí)間（可忽略）。以某城市軌道交通1號(hào)線隧道內(nèi)802.11g車地WLAN響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果為例，如圖3所示。

圖3 響應(yīng)時(shí)間

從圖3中可以看出，車地 WLAN的響應(yīng)時(shí)間一般＜1ms，正常情況下網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲相對(duì)而言較短，抖動(dòng)也不明顯。較短的時(shí)延也保障應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

但是，實(shí)際情況并非如此簡(jiǎn)單。圖3中所出現(xiàn)的突兀的峰值指標(biāo)，在測(cè)試過(guò)程中基本發(fā)生在車地WLAN AP漫游切換時(shí)，響應(yīng)時(shí)間一般為200～300 ms之間，個(gè)別的響應(yīng)時(shí)間達(dá)到1s甚至2s以上，主要是在AP切換中由于信號(hào)的不穩(wěn)定而形成了反復(fù)切換和信號(hào)中斷。這就意味著應(yīng)用系統(tǒng)在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)是無(wú)法正常轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的。這對(duì)于一個(gè)實(shí)時(shí)性要求非常高的CBTC系統(tǒng)而言有嚴(yán)重的影響，使得控車命令在此過(guò)程中被阻塞，嚴(yán)重影響實(shí)時(shí)性，甚至導(dǎo)致ATO系統(tǒng)作出錯(cuò)誤判別，出現(xiàn)列車間斷急?？靻F(xiàn)象。

通過(guò)對(duì)多條城市軌道交通車地WLAN的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在不斷優(yōu)化和完善車地WLAN的前提下，發(fā)現(xiàn)在漫游切換過(guò)程中，出現(xiàn)這種較大延遲的事件概率較大，大部分時(shí)延是在1s之內(nèi)，個(gè)別數(shù)據(jù)超出1 s。如何讓這些較長(zhǎng)時(shí)間的中斷所造成的影響減少至最小是關(guān)鍵。一是通過(guò)優(yōu)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)部署，減少漫游切換過(guò)程中的反復(fù)切換和信號(hào)丟失現(xiàn)象的發(fā)生，盡量將數(shù)據(jù)包中斷時(shí)間控制在500ms以內(nèi)；二是通過(guò)應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)緩存技術(shù)、開(kāi)發(fā)上考慮TCP連接的優(yōu)化等措施，來(lái)減少時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)的影響。

2.3 丟包率

丟包率，體現(xiàn)了數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中的丟失情況，為丟失包與發(fā)送數(shù)據(jù)包之間的比值，用百分比表示。從圖3中可以看到，響應(yīng)時(shí)間一般在200～300ms之間時(shí)，車地WLAN設(shè)備自身的緩存能力足夠應(yīng)付，可能不一定會(huì)發(fā)生丟包現(xiàn)象；也有可能會(huì)由于緩存區(qū)的溢出而發(fā)生丟包現(xiàn)象；在響應(yīng)時(shí)間更大的情況下（如2s以上），數(shù)據(jù)包丟失的情況是必然會(huì)發(fā)生的。

丟包即意味著信息傳遞的不完整性。數(shù)據(jù)殘缺將極大地影響到應(yīng)用系統(tǒng)的效果。在車地WLAN中不可能避免丟包現(xiàn)象不發(fā)生，因此，必須要在應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)施時(shí)以一種有效的處理手段來(lái)彌補(bǔ)。CBTC系統(tǒng)中在TCP連接的三次握手的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，增強(qiáng)數(shù)據(jù)包校驗(yàn)、快速重連接機(jī)制、減少TCP窗口輪詢周期等一系列措施，彌補(bǔ)丟包所造成影響。

3 建議

通過(guò)分析車地WLAN所承載不同應(yīng)用系統(tǒng)的特點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)承載能力關(guān)鍵指標(biāo)，可從兩個(gè)方面來(lái)提升整體效果：其一，優(yōu)化車地 WLAN的部署，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫覆蓋，避免干擾，盡量以最佳網(wǎng)絡(luò)性能來(lái)承載；其二，優(yōu)化應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送接收方式，以可靠連接、數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)重傳機(jī)制等方式來(lái)進(jìn)一步確保。

3.1 優(yōu)化車地WLAN部署

車地WLAN的部署效果將直接關(guān)系到應(yīng)用系統(tǒng)的使用效果。為使網(wǎng)絡(luò)帶寬、時(shí)延及抖動(dòng)、丟包率這三項(xiàng)指標(biāo)能夠符合應(yīng)用系統(tǒng)的最低要求，需要綜合優(yōu)化無(wú)線信號(hào)部署技術(shù)。建議可以采取以下措施：

1）對(duì)隧道、高架、停車場(chǎng)等開(kāi)闊區(qū)域，以及不同的車站環(huán)境條件，制定不同的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案。隧道環(huán)境中的多徑效應(yīng)和多普勒頻移體現(xiàn)得較為明顯，高架區(qū)域車輛對(duì)信號(hào)的阻擋和同頻干擾問(wèn)題需要克服，停車場(chǎng)區(qū)域信號(hào)覆蓋范圍和接入容量限制之間需平衡處置，車站環(huán)境復(fù)雜需要做到無(wú)中斷覆蓋。對(duì)于802.11制式的視距無(wú)線傳輸技術(shù)，應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域的環(huán)境特點(diǎn)有針對(duì)性地部署，在實(shí)施前做好現(xiàn)場(chǎng)的模擬測(cè)試。

2）提升AP漫游切換效率，降低乒乓效應(yīng)的發(fā)生概率。數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)丟包、時(shí)延增長(zhǎng)、抖動(dòng)加劇，乒乓效應(yīng)將時(shí)刻影響到網(wǎng)絡(luò)的安全性和實(shí)時(shí)性。建議在兩個(gè)相鄰AP信號(hào)扇區(qū)邊緣信號(hào)強(qiáng)度的落差明顯，有助于提升AP端切換判斷執(zhí)行效果。

3）避免系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間的干擾。載頻信號(hào)的頻率需安全隔離。在建設(shè)CBTC和PIS系統(tǒng)時(shí)，鑒于各自系統(tǒng)安全性等級(jí)差別較大，必須選擇不同頻點(diǎn)為兩個(gè)系統(tǒng)分別配置，做到無(wú)線信號(hào)頻率的完全隔離。若存在較為明顯的同頻干擾，將誘發(fā)系統(tǒng)傳輸帶寬下降、漫游切換效率下降、客戶端無(wú)法注冊(cè)等問(wèn)題的出現(xiàn)。

4）車地WLAN的設(shè)備配置。需根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的要求選擇合適的網(wǎng)絡(luò)管理結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)信號(hào)必須安全隱藏并有加密措施。燈塔信號(hào)發(fā)送頻率和探針請(qǐng)求數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔設(shè)置也將影響到網(wǎng)絡(luò)性能，需在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中進(jìn)一步優(yōu)化。

5）其他輔助措施，如室外設(shè)備的防雷、防塵、防水措施，以及隧道內(nèi)AP的架設(shè)、信號(hào)天線的俯仰角位置等一系列工程措施，將幫助提升網(wǎng)絡(luò)部署效果。

3.2 應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理優(yōu)化建議

1）面向TCP連接的數(shù)據(jù)通信機(jī)制應(yīng)用優(yōu)化。UDP是一種無(wú)連接的傳輸層協(xié)議，提供面向事務(wù)的簡(jiǎn)單不可靠信息傳送服務(wù)。一旦網(wǎng)絡(luò)的丟包、延遲現(xiàn)象較為嚴(yán)重，則必然使得應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)生數(shù)據(jù)殘缺。因此，對(duì)于實(shí)時(shí)可靠性傳輸?shù)能嚨貞?yīng)用系統(tǒng)，不建議采用UDP通信方式實(shí)現(xiàn)安全級(jí)別較高的系統(tǒng)。

TCP通信的三次握手機(jī)制和報(bào)文確認(rèn)機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)文的重發(fā)，當(dāng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)生瞬斷，如AP漫游切換過(guò)程階段所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包丟失，可以有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)能力。TCP通信技術(shù)可以勝任少量丟包情況發(fā)生，具有可靠通信能力。在點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，在TCP多連接通信機(jī)制下，多客戶端終端連接至同一個(gè)服務(wù)器端，會(huì)出現(xiàn)服務(wù)器TCP偵聽(tīng)輪訓(xùn)周期加長(zhǎng)、緩存溢出等問(wèn)題，因此在應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)上，尤其是CBTC系統(tǒng)軟件中，應(yīng)盡量分散TCP連接分布。

2）強(qiáng)化流媒體緩存技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)化。目前基于UDP傳輸?shù)牧髅襟w技術(shù)，在互聯(lián)網(wǎng)上應(yīng)用較為廣泛，但是在車地WLAN這種可靠性較低的網(wǎng)絡(luò)中，傳輸質(zhì)量效果并不佳。在應(yīng)用系統(tǒng)的收發(fā)端設(shè)定合適的可接受緩沖，可在一定程度內(nèi)減弱時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)所造成的影響［3］；在流媒體數(shù)據(jù)包中插入序列編號(hào)，利用數(shù)據(jù)包校驗(yàn)技術(shù)和重傳機(jī)制，可以彌補(bǔ)丟包所造成視頻幀丟失的問(wèn)題。為了更好地提升流媒體效果，可以采用基于TCP的流媒體技術(shù)的應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

車地WLAN所能提供的網(wǎng)絡(luò)能力，有力推動(dòng)了車地間各種寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的應(yīng)用能力，但是由于其自身技術(shù)制式所固有的問(wèn)題，會(huì)影響到信息傳輸?shù)馁|(zhì)量和可靠性。在分析研究需求和系統(tǒng)性能的前提下，因地制宜地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化和應(yīng)用系統(tǒng)的適應(yīng)性調(diào)整，可以確保數(shù)據(jù)信息的安全及實(shí)時(shí)可靠性傳輸，提升系統(tǒng)整體性能 。

［1］劉濰清.城市軌道交通列車視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究［D］.北京：鐵道科學(xué)研究院，2007.

［2］桑歡，顏金堯.面向TCP的流媒體緩存技術(shù)的研究［J］.中國(guó)傳媒大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，16（1）：41.

［3］王志麟，鄭國(guó)莘，趙麟杰，等.5.8GHz無(wú)線頻段車－地視頻傳輸應(yīng)用研究［J］.城市軌道交通研究，2009，12（3）：51.