城市軌道交通CBTC車地?zé)o線通信快速切換算法研究

李高科，吳 卉，蔡曉蕾

（中國鐵道科學(xué)研究院電子計算技術(shù)研究所，北京100081）

隨著基于通信的列車控制 （CBTC）移動閉塞系統(tǒng)的應(yīng)用，信號系統(tǒng)的持續(xù)改進(jìn)是推動列車提速、保障行駛安全的關(guān)鍵技術(shù)。與傳統(tǒng)固定閉塞、準(zhǔn)移動閉塞相比，基于無線通信的移動閉塞系統(tǒng)通過部署在列車上以及軌道旁的無線設(shè)備，實現(xiàn)了車、地間不中斷的雙向通信，控制中心可以根據(jù)列車實時的速度和位置動態(tài)計算和調(diào)整列車的最大制動距離，兩個相鄰列車能以很小的間隔同時前進(jìn)，從而提高運營效率。

1 傳統(tǒng)WLAN的越區(qū)切換方式

1.1 AP的物理組成與邏輯結(jié)構(gòu)

無線接入點（AP）是一個具有WLAN接口和以太網(wǎng)接口的嵌入式系統(tǒng)，其作為連接CBTC系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（DCS）有線骨干網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)的橋梁，一方面要通過WLAN的無線接口與車載WBG（Work Group Bridge）通信，同時還必須通過交換機(jī)與DCS骨干網(wǎng)上的其他接入點傳遞信息。操作系統(tǒng)選用Vxworks或Linux，CPU一般采用X86系列或PXA250，處理器具備與用于存儲AP核心固件的FLASH存儲器接口和用于存儲緩存AP在通信和管理中處理各種數(shù)據(jù)的SDRAM存儲器，兩者通過共享數(shù)據(jù)總線和地址總線與CPU進(jìn)行通信，無線AP的物理組成如圖1。

圖1 無線AP物理組成

AP 提供的2種接口，允許接入內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行配置和監(jiān)控：HTTP、SNMP或JTAG。

AP的邏輯組成模塊及功能如圖2。

圖2 無線AP邏輯組成框圖

（1）時鐘同步模塊，以主被動掃描的方式收發(fā)信標(biāo)幀和探詢幀，完成本地時鐘同步；（2）管理模塊，包括聯(lián)結(jié)、認(rèn)證、越區(qū)切換和節(jié)能的管理；（3）幀格式轉(zhuǎn)換模塊，完成IEEE802.3有線幀和IEEE802.11無線幀的格式轉(zhuǎn)換；（4）橋接模塊，完成數(shù)據(jù)幀到BSS橋接過程。

1.2 傳統(tǒng)WLAN越區(qū)切換方式

在傳統(tǒng)的802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)中，當(dāng)車載WGB從一個AP覆蓋區(qū)移動到另一個AP覆蓋區(qū)域時，需要發(fā)生越區(qū)切換的操作過程。整個過程主要分為掃描、認(rèn)證和重新關(guān)聯(lián)。傳統(tǒng)越區(qū)切換模型如圖3。

圖3 傳統(tǒng)越區(qū)切換模型

（1） 移動臺MN根據(jù)當(dāng)前的無線網(wǎng)絡(luò)狀況判斷是否需要進(jìn)行越區(qū)切換，如需切換則要確定切換的目標(biāo)無線接入點。

（2）MN向目標(biāo)AP發(fā)出認(rèn)證請求，目標(biāo)AP根據(jù)其配置情況對MN的合法身份進(jìn)行驗證。如果MN能夠認(rèn)證回應(yīng)幀，表示認(rèn)證成功，經(jīng)過認(rèn)證的移動終端具有接入目標(biāo)AP的資格。

（3）MN向目標(biāo)AP發(fā)出聯(lián)結(jié)請求，目標(biāo)AP置MN狀態(tài)為已連接并構(gòu)造聯(lián)結(jié)回應(yīng)幀。

（4）在收到目標(biāo)AP的成功狀態(tài)的聯(lián)結(jié)回應(yīng)后，MN向當(dāng)前AP發(fā)出中止聯(lián)結(jié)通知。在接收到MN的中止聯(lián)結(jié)通知后，當(dāng)前AP將MN從其管理的移動站列表中刪除，并停止為MN轉(zhuǎn)發(fā)和緩存網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，目標(biāo)AP使用某種機(jī)制通知系統(tǒng)中的其它主機(jī)MN現(xiàn)在通過目標(biāo)AP轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)流量。至此，MN從AP1向AP2的越區(qū)切換過程結(jié)束。

在上述越區(qū)切換過程中，越區(qū)切換的操作決定權(quán)在于移動臺MN，同時需要2個AP之間配合，及時將MN所在的服務(wù)區(qū)域的變化通告路由設(shè)備，MN越區(qū)切換算法、AP之間及AP與有線骨干網(wǎng)絡(luò)之間的通告機(jī)制對切換的性能有很大影響。

1.3 傳統(tǒng)越區(qū)切換算法

從以上切換流程可以看出，AP的認(rèn)證變量（未認(rèn)證：0；已認(rèn)證：1）和聯(lián)結(jié)變量（未聯(lián)結(jié)：0；已聯(lián)結(jié)：1）決定了AP的3種狀態(tài)（00,10,11）。

（1）AP以固定的時間間隔廣播信標(biāo)消息，MN周期性的通過這些信標(biāo)監(jiān)測它所聯(lián)結(jié)AP接收信號強(qiáng)度（RSS），并將這些參數(shù)存儲為一個數(shù)組，由數(shù)組計算出當(dāng)前AP1的信號電平RSS的平均值μ和方差σ。（2）如果u＞Pmin+2σ（Pmin為滿足MN接受要求的最低信號電平值）則不進(jìn)行越區(qū)切換操作，回到S1（狀態(tài)：11）；反之，則開始準(zhǔn)備切換啟動（狀態(tài)：00）。（3）MN將在相鄰頻道上搜索到的其他AP信標(biāo)消息同樣建立數(shù)組，其中RSS值最大者記為RSSmax，if:RSSmax>(u+λσ)則執(zhí)行越區(qū)切換，MN擬重新聯(lián)結(jié)RSSmax對應(yīng)的AP2（MN狀態(tài)：00）。（4）MN利用接入控制服務(wù)在AP2上進(jìn)行身份驗證，在認(rèn)證請求幀中需注明為共享密鑰型認(rèn)證，在收到認(rèn)證成功信息后通過發(fā)送聯(lián)結(jié)請求幀隨時聯(lián)結(jié)到無線網(wǎng)絡(luò)中。

1.4 CBTC越區(qū)切換中斷時間分析

將上述越區(qū)切換分為：切換啟動、啟動掃描、認(rèn)證、關(guān)聯(lián)、路徑更新和無線鏈路優(yōu)化6個階段，即當(dāng)MN與AP1的通信電平值RSS＜RSSqh一直到MN與AP2的通信電平值RSS＞RSSmin聯(lián)結(jié)成功的過程，則總切換時間為：

式中，τ1、τ2、τ3、τ4、τ5、τ6分別為切換啟動時間、掃描時間、認(rèn)證時間、關(guān)聯(lián)時間、路徑更新時間與無線鏈路優(yōu)化時間。

由以上步驟可以看出從AP掃描開始，MN將斷開網(wǎng)絡(luò)連接，直到與AP2聯(lián)結(jié)成功后將路徑更新，使地面列控中心發(fā)送至列車的信息正確傳達(dá)，網(wǎng)絡(luò)才能正常聯(lián)結(jié)。列車從AP1切換至AP2的過程中網(wǎng)絡(luò)中斷的時間為：

CBTC系統(tǒng)要求車地通信的連續(xù)性，在列車越區(qū)切換時中斷時間必須小到可以忽略，而且需要在切換過程中準(zhǔn)確判決和迅速恢復(fù)，從目前國內(nèi)外CBTC的實際應(yīng)用來看，數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)中數(shù)據(jù)丟包問題和延時瓶頸主要集中在車地?zé)o線通信，目前市場商用WLAN產(chǎn)品越區(qū)切換時間在500 ms~2 s之間，包括重新鑒權(quán)和其它以安全為目的的額外開銷，如果按列車120 km/h速度計算，AP越區(qū)切換將導(dǎo)致列車在65 m的運行范圍失去與控制系統(tǒng)的聯(lián)系，所以解決WLAN快速切換問題是DCS系統(tǒng)的一個關(guān)鍵技術(shù)。

1.5 傳統(tǒng)WLAN越區(qū)切換的不足

（1）無線信道通信質(zhì)量較差時，無法保障由MN經(jīng)過此信道發(fā)送到AP1的消息能被成功接收，這樣會使AP1和AP2同時在MN和有線網(wǎng)絡(luò)之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，從而造成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的混亂和系統(tǒng)資源的浪費。

（2）由于MN和目標(biāo)AP間通過驗證和聯(lián)結(jié)之后，MN才能與目標(biāo)AP進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，在MN切換啟動到與目標(biāo)AP成功聯(lián)結(jié)期間有一段時延，如果MN與當(dāng)前AP之間的通信質(zhì)量迅速惡化，在MN完成與目標(biāo)AP重聯(lián)之前無法通過當(dāng)前AP進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，則MN就在這段時間內(nèi)失去和控制中心通信的能力，顯然這不符合CBTC的連續(xù)列車與軌旁信息交互的能力。

2 多無線模塊協(xié)同切換模型研究

在CBTC系統(tǒng)中，列車沿著固有線路運行，而AP是按順序沿線布置的，在同一AP覆蓋范圍內(nèi)允許有多個移動節(jié)點存在，移動節(jié)點之間的干擾可以忽略不計。綜合考慮基于802.11的CBTC通信子系統(tǒng)對無線傳輸?shù)男枨螅疚姆治龆酂o線模塊協(xié)調(diào)切換方案，即采用在一個WiFi設(shè)備集成多個無線模塊進(jìn)行協(xié)同切換的方法，來解決列車在快速運行過程中因切換引起的列控數(shù)據(jù)報文丟失問題。從而更好地實現(xiàn)了列車無縫切換。

獨立的無線模塊WBG1和WBG2分別安裝在列車頭尾兩端，各模塊網(wǎng)絡(luò)接口使用相同的越區(qū)切換算法，為了避免這2個無線模塊相互干擾，WBG1與WBG2可以工作在彼此正交的信道上，即使兩者工作在同一信道上，802.11的PHY層和MAC層均可保證它們與軌旁AP之間的通信不會相互影響，并可獲得協(xié)議規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)帶寬。

2.1 建立沿線分布的AP位置數(shù)據(jù)庫

在一般的WLAN應(yīng)用中，移動節(jié)點的運行方向具有任意性，無法事先告知MN與該AP聯(lián)結(jié)需要的具體信息。只有在MN與新AP建立聯(lián)結(jié)時通過請求/公告機(jī)制動態(tài)獲得，從而增加了重聯(lián)結(jié)時的時延和網(wǎng)絡(luò)流量。在CBTC系統(tǒng)中，由于城軌列車是沿著軌道上下行線路按固定方向移動的, 并且沿軌道分布的AP 接入順序是已知的，從而，車載網(wǎng)關(guān)可以確定其下一個要接入的AP。固定的運動軌跡和單一的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以在車載網(wǎng)關(guān)上事先配置沿途AP的信息，即在WBG進(jìn)行初始化時將網(wǎng)絡(luò)所有AP的相關(guān)信息存儲。介質(zhì)存儲的信息是該AP的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，列車在運行中通過判決需要進(jìn)行越區(qū)切換時，車載網(wǎng)關(guān)便從即將接入AP的網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀中獲取該AP的ID，并通過AP配置表讀取接入該AP所需的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，進(jìn)而完成與新AP的重聯(lián)結(jié)操作，這不但保證了車地通信的連續(xù)性還降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

2.2 多無線模塊協(xié)同的WLAN切換算法

多無線模塊協(xié)同切換原理如圖4。設(shè)AP1和AP2的網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑均為R，2個AP之間的部署距離為D，重疊覆蓋寬度為O。負(fù)責(zé)前臺數(shù)據(jù)通信的無線模塊為WBG1，負(fù)責(zé)后臺AP掃描的為WBG2。無線多模塊協(xié)同切換模型的切換算法以及過程為：

（1）MN從系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)庫中讀取所有AP的相關(guān)信息，并保存在一張以AP的ID編號為鍵值的哈希表中。MN開始運行后，每隔一定的時間間隔，MN將掃描當(dāng)前信道，接收出現(xiàn)的所有AP的信標(biāo)幀并記錄信號功率RSSinst。假設(shè)列車周期性瞬時接收信號強(qiáng)度為RSSinst，則加權(quán)平均值為：

（2）根據(jù)AP的接收信號強(qiáng)度變化判斷其相對運動方向，當(dāng)車載計算機(jī)計算的AP1的 RSSavg下降到切換啟動閾值RSSqh后, 從AP信息表中根據(jù)目的AP的ID讀取其相關(guān)信息，MN從t1時刻開始啟動切換。與WBG1響應(yīng)速度不同,WBG2在t2前啟動AP掃描進(jìn)程。

圖4 多無線模塊協(xié)同切換原理

（3）t2時刻MN開始進(jìn)入AP2的覆蓋范圍,WBG2結(jié)合AP位置數(shù)據(jù)庫逐步探測目的AP，并根據(jù)評價算法從掃描到的AP集合中結(jié)合沿線AP位置數(shù)據(jù)庫選擇一個作為目的AP，同時WBG1與AP1維持正常的鏈接。

（4）到t3時刻掃描結(jié)束,WBG2分別從AP2的網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀和配置表中分別讀取該AP的ID和切換參數(shù)，由WBG2向目標(biāo)AP2發(fā)送認(rèn)證請求。

（5）WBG2收到認(rèn)證回應(yīng)幀后，從t4時刻開始由車載WBG2發(fā)送關(guān)聯(lián)請求。

（6）t5時刻收到聯(lián)接成功回應(yīng)幀后WBG2便成功接入AP2，并與AP2根據(jù)通信質(zhì)量逐步調(diào)整發(fā)送速率(此時可應(yīng)用電源管理)。

（7）到t6時刻,WBG1與AP1的通信質(zhì)量下降到保持連接的最低電平RSSmin，與此同時，WBG2與WBG1的通信電平相差不小于△RSS，命令切換啟動。此時列車在AP間的切換只需令WBG1和WBG2調(diào)換彼此的通信職能,即開始由WBG2負(fù)責(zé)前臺數(shù)據(jù)通信,WBG1負(fù)責(zé)后臺AP掃描,接著，車載無線網(wǎng)關(guān)通知分發(fā)網(wǎng)絡(luò)更新數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)路徑，保證數(shù)據(jù)的正確路由。

（8）到t7時刻，列車通信狀態(tài)已恢復(fù)正常。

（9）到t8時刻，列車超出AP1的覆蓋范圍，WBG1與AP1的斷開聯(lián)接，WBG1進(jìn)入下一輪循環(huán)掃描階段，切換流程見圖5。

圖5 多無線模塊移動列車切換流程

3 多無線模塊協(xié)同切換流程分析

WBG2在接入AP2的過程中，前臺WBG1繼續(xù)與接入點AP1保持正常通信鏈接，使得列車沿線運行時在AP間的頻繁切換導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)中斷時間產(chǎn)生一系列問題，得到了減小甚至實現(xiàn)了無縫切換，而且列車與地面和控制中心在切換前后的通信質(zhì)量也具備可靠性。

（1）切換性能，由整個切換過程可以明顯看出：網(wǎng)絡(luò)中斷時間為t=t5+t6，即僅為路徑更新時間和無線鏈路優(yōu)化時間，這兩者時間共不過幾毫秒；由圖4可知在整個切換過程中車地通信的通信質(zhì)量都滿足：RSSavg>RSSmin；切換耗時T=t1+t5+t6，其中t1為啟動耗時，其大小可以忽略不計。

（2）切換的可靠性，由圖5可以看出整個切換的完成設(shè)置了2個門限：當(dāng)前臺信號強(qiáng)度RSSavg△RSS時進(jìn)行越區(qū)切換，成為后置門限。通過前置門限的設(shè)置有效的避免了不必要的切換，而通過后置門限的設(shè)置則有效的避免了乒乓切換的發(fā)生，從而提高了系統(tǒng)切換的有效性和可靠性。

（3）切換算法中，設(shè)置的切換觸發(fā)條件如圖6。

a.連續(xù)丟8個信標(biāo)幀；

b.達(dá)到最大重傳計數(shù)；

c.接收信號功率低于門限值（設(shè)經(jīng)驗值為－60 dBm）。

圖6 啟動切換流程圖

4 結(jié)束語

本文提出的多模塊協(xié)同切換算法，可以將2個使用不同IP地址和MAC層地址網(wǎng)絡(luò)接口分別置于“提前切換”狀態(tài)和“滯后切換”狀態(tài)，使得當(dāng)一個接口處于切換狀態(tài)時，另一個接口尚未開始切換或已經(jīng)完成了切換，而對整個系統(tǒng)而言總是存在一個網(wǎng)絡(luò)接口可以用來與地面控制系統(tǒng)通信。為了節(jié)省無線網(wǎng)絡(luò)資源，2個網(wǎng)絡(luò)接口工作在同一個頻率上，在不需要進(jìn)行越區(qū)切換時，MN可以同時利用2個網(wǎng)絡(luò)接口收發(fā)數(shù)據(jù)，因而列車可以獲得雙倍于單個網(wǎng)絡(luò)接口的帶寬。

[1] 艾渤，王勁濤，鐘章隊. 寬帶無線通信OFDM系統(tǒng)同步技術(shù)[M] . 北京：人民郵電出版社，2011.

[2] V.Hector, K.Gunnar.Techniques to reduce IEEE802.1lg MAC layer handover time[S] .Royal Institute of Technology,April 2010:2-6.

[3] 王桐森. 一種基于雙無線網(wǎng)卡的廣義AP間切換算法[J] . 鐵道學(xué)報，2011，33（3）.

[4] 張宏斌.基于802.11協(xié)議的CBTC系統(tǒng)中流量整形與越區(qū)切換的研究[D] . 上海：上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

[5] 鄒復(fù)民，蔣新華，王桐森. 一種支持車地寬帶互聯(lián)的廣義AP間切換模型[J] . 鐵道學(xué)報，2011，33（2）.