地鐵車廂內(nèi)無線組網(wǎng)可靠性研究

王 佳 陳 瑞 曹雪虹

地鐵車廂內(nèi)無線組網(wǎng)可靠性研究

王 佳 陳 瑞 曹雪虹

摘 要：介紹地鐵車廂內(nèi)信號傳輸損耗的模型，提出3種組網(wǎng)方案并分析不同方案的優(yōu)劣，最后利用OMNET++仿真軟件對組網(wǎng)方案的可靠性進行了對比，并利用無線收發(fā)模塊在實際運行的地鐵車廂內(nèi)進行了點對點的測試，驗證了組網(wǎng)方案的設(shè)計是可行的也是有意義的。

關(guān)鍵詞：地鐵車門;網(wǎng)絡(luò)方案;鏈式;分簇;可靠性

地鐵安全運行系統(tǒng)中，車門的正常開啟尤為重要，需要對車門的工作狀態(tài)進行監(jiān)控并掌握其故障信息。南京地鐵1號線采用A型車標(biāo)準，車體由6節(jié)車廂組成，每節(jié)車廂有10扇車門。每個車門都帶有門控器，執(zhí)行來自列車控制系統(tǒng)的指令，并將門系統(tǒng)的工況信息通過車輛通信總線報告給列車控制系統(tǒng)。但這種方式無法做到實時監(jiān)測。故為地鐵車門裝上門監(jiān)測器，采用“鏈式+分簇”的拓撲結(jié)構(gòu)組成一個Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，通過TDMA機制，按時隙分配信道資源，保證各節(jié)點數(shù)據(jù)信息在其專有時隙及時、可靠地發(fā)送，最后將數(shù)據(jù)匯集到帶有CDMA模塊的門監(jiān)測器上傳至服務(wù)器。維護人員根據(jù)上傳的信息分析故障原因，指揮現(xiàn)場人員解決問題，保證列車的可靠運行。

1 傳輸損耗模型及優(yōu)化

無線信號在建筑物內(nèi)傳播會受到如建筑物的布置、材料結(jié)構(gòu)和建筑物類型等因素的影響。而地鐵車廂內(nèi)部環(huán)境比較特殊，在人擁堵的情況以及人稀少的情況下，無線模塊的通信質(zhì)量相差很大，這是因為信號經(jīng)過人體會有一個穿透損耗。這里僅針對一節(jié)車廂的情況進行分析，將地鐵運行過程中車廂內(nèi)部的環(huán)境分為空閑、正常和擁堵3種情況。一節(jié)車廂最大載客量為300人，當(dāng)一節(jié)車廂人數(shù)小于100人時為空閑情況，200人及以上為人流比較密集的情況。因此，針對地鐵車廂環(huán)境，傳播損耗Lp模型為：

Lp= －27.56+20lgf+10γlgd+Lx(n) (1)

其中，f為頻率 (MHz)，d為發(fā)射端至接收端的距離 (m)，γ為路徑損耗指數(shù)。Lx(n)為根據(jù)地鐵車廂環(huán)境不同所引起的損耗值，n為車廂內(nèi)乘客數(shù)。An，Bn，Cn分別對應(yīng)地鐵空閑、正常、擁擠3種

環(huán)境下的基礎(chǔ)損耗值，λ1，λ2，λ3分別對應(yīng)3種環(huán)境的損耗系數(shù)。

考慮到地鐵車廂內(nèi)的無線傳播情況，可以設(shè)An=5，λ1=0.7，Bn=12，λ2=0.6，Cn=18 ，λ3=0.5，乘客人數(shù)以10人為參考量。仿真中，設(shè)乘客人數(shù)n服從正態(tài)分布(E，σ2)：

圖1 不同環(huán)境下無線電波的傳輸損耗 (f=2.4GHz)

衰減因子取γ=2.5，頻率f=2.4 GHz。

仿真結(jié)果如圖1所示，頻率為2.4 GHz的無線電波，在相同的傳播距離下，隨著車廂乘客的增多，傳輸損耗也會隨之增大。

2 組網(wǎng)方案的設(shè)計

為了獲得有關(guān)車門的信息，在門控制器旁邊設(shè)計、安裝一個體積很小的門監(jiān)測器，收集和傳輸每個車門的狀態(tài)信息。為了有效、可靠地將這些信息發(fā)送到遠端的后臺服務(wù)器，采用“鏈式+分簇”的拓撲結(jié)構(gòu)，將門監(jiān)測器組成無線局域網(wǎng)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集到一個或幾個門監(jiān)測器上，再通過公網(wǎng)傳輸，降低成本。

可將門監(jiān)測器看作是網(wǎng)絡(luò)中的無線節(jié)點，根據(jù)其在網(wǎng)絡(luò)中所起的作用可分為3種節(jié)點：①網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，數(shù)據(jù)采集和發(fā)送;②匯集節(jié)點，數(shù)據(jù)采集、匯集、檢錯和發(fā)送;③網(wǎng)關(guān)節(jié)點，接入移動互聯(lián)網(wǎng)，以及數(shù)據(jù)采集、檢錯和發(fā)送。有以下3種組網(wǎng)方案。

方案一，如圖2，將整個網(wǎng)絡(luò)分成2個自治網(wǎng)，車廂1，2，3為網(wǎng)絡(luò)1，車廂4，5，6為網(wǎng)絡(luò)2;分別選其中的一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點兼作網(wǎng)關(guān)節(jié)點，收集本網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點的數(shù)據(jù)，然后上傳至遠端服務(wù)器。這種方案的優(yōu)點在于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點無需通過轉(zhuǎn)發(fā)，而是直接將采集到的數(shù)據(jù)傳給網(wǎng)關(guān)節(jié)點，整個網(wǎng)絡(luò)簡單;網(wǎng)絡(luò)節(jié)點只負責(zé)在分配的時隙內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集和發(fā)送，不用考慮數(shù)據(jù)的匯集和轉(zhuǎn)發(fā)，這樣網(wǎng)絡(luò)控制開銷比較低。缺點在于距網(wǎng)關(guān)節(jié)點遠的節(jié)點，在人流密集時這些節(jié)點的傳輸可靠性會降低。

方案二，如圖3所示，每節(jié)車廂分別設(shè)置匯集節(jié)點，采用鏈式收集本車廂數(shù)據(jù)并分析丟包情況。在整列車輛設(shè)置2個自治網(wǎng)，車廂1，2，3組成網(wǎng)絡(luò)1，車廂4，5，6組成網(wǎng)絡(luò)2;每個網(wǎng)絡(luò)中選擇1個匯集節(jié)點兼作網(wǎng)關(guān)節(jié)點，用來收集本網(wǎng)絡(luò)中匯集節(jié)點的數(shù)據(jù)，然后上傳至服務(wù)器。通過鏈式加分簇的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)傳輸至最近的節(jié)點，這樣縮短了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的通信距離，減少了傳輸損耗，降低了相鄰節(jié)點傳輸?shù)膩G包率，在地鐵擁堵的情況下也能很好的控制傳輸質(zhì)量，提高可靠性。另外，2個網(wǎng)關(guān)節(jié)點可以均衡負荷，減少網(wǎng)關(guān)節(jié)點故障。但是網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)生故障時，相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)將無法上傳至服務(wù)器，為避免這種情況，需要為網(wǎng)絡(luò)1和網(wǎng)絡(luò)2分別再增設(shè)一個備用網(wǎng)關(guān)節(jié)點，這樣，整個網(wǎng)絡(luò)需要4個網(wǎng)關(guān)節(jié)點，增加了設(shè)計的成本。

方案三，如圖4所示，地鐵車廂兩側(cè)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分別組成2條鏈式加分簇的網(wǎng)絡(luò)，每節(jié)車廂內(nèi)部一側(cè)5個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點構(gòu)成1個匯集子網(wǎng)，由匯集節(jié)點收集本子網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點的數(shù)據(jù)、保證本子網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)的正確性;數(shù)據(jù)的傳送方向如圖4所示，車廂1～3的匯集節(jié)點位于車廂最右側(cè);車廂4～6的匯集節(jié)點位于車廂的最左側(cè);在車廂3和4分別設(shè)置1個網(wǎng)關(guān)節(jié)點，使得設(shè)備型監(jiān)測器網(wǎng)絡(luò)能夠接入移動互聯(lián)網(wǎng)，并將數(shù)據(jù)傳送至公司總部。這種網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點在于2條鏈式網(wǎng)絡(luò)獨立工作，在終端的網(wǎng)關(guān)節(jié)點靠的比較近，當(dāng)一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點失效時，另一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點可以充當(dāng)備用網(wǎng)關(guān)節(jié)點的作用，提高可靠性。缺點在于車廂1和車廂6內(nèi)匯集節(jié)點距離網(wǎng)關(guān)節(jié)點有2節(jié)車廂的距離，相應(yīng)的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過2跳才能傳至網(wǎng)關(guān)節(jié)點處，當(dāng)?shù)罔F擁擠運行時，車廂1和車廂6內(nèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳輸?shù)目煽啃詴鄳?yīng)下降。

圖2 組網(wǎng)方案一

圖3 組網(wǎng)方案二

圖4 組網(wǎng)方案三

3 方案的實施和實驗結(jié)果分析

3.1 仿真環(huán)境及結(jié)果分析

首先進行兩點仿真測試?；趥鬏斔俾市枨?，選擇2.4 GHz頻段，節(jié)點發(fā)送功率為0 dBm，接收靈敏度為－85 dBm，收發(fā)端天線增益各5dB，數(shù)據(jù)包大小設(shè)置為32字節(jié)，車門間距為5 m，相鄰車廂過道間距為3 m，在車空閑、正常運行、人擁堵3種情況下，分別測試傳輸距離 5 m，10 m，15 m，20 m，23 m的丟包率情況，仿真結(jié)果如圖5所示。

可以看出，通過一節(jié)車廂距離，空閑運行的丟包率維持在1%以內(nèi)，正常運行的丟包率大概在1.5%，擁擠運行時丟包率則在4.5%左右。在地鐵擁擠運行的情況下，丟包率會比正常運行和空閑運行要高3%～3.5%，并且隨著傳播距離的增加，擁擠運行的丟包情況會更加嚴重，此時傳輸可靠性下降。

采用OMNET++仿真軟件，就3種組網(wǎng)方案及3種地鐵運行環(huán)境(空閑、正常及擁擠)，對6節(jié)車廂的門監(jiān)測器數(shù)據(jù)傳輸情況分別進行統(tǒng)計。每節(jié)車廂共有10個節(jié)點，每個節(jié)點設(shè)置1000個數(shù)據(jù)包待發(fā)送，6節(jié)車廂待發(fā)送數(shù)據(jù)包是60000個，最后在網(wǎng)關(guān)節(jié)點處統(tǒng)計收到的數(shù)據(jù)包總數(shù)，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，繪制了不同情況下3種方案的丟包率統(tǒng)計圖，如圖6所示。

圖5 兩點丟包測試圖

圖6仿真結(jié)果表明，在地鐵空閑運行時，由于人比較少對信號傳播的影響比較小，信號能傳輸?shù)木嚯x比較遠，3種方案的可靠性都比較高，丟包率分別為0.54%、1.37%、1.45%;在地鐵正常運行時，3種方案的總體可靠性差不多，丟包率分別為2.13%、1.46%、1.84%，在可接受范圍之內(nèi);在地鐵擁擠的情況下，丟包率分別為25.75%，2.89%，8.19%，說明方案二可以明顯降低網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的丟包率，提高了信號傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

圖6 不同運行環(huán)境下3種方案的對比

3.2 實測

在實際運行的地鐵車廂內(nèi)，分別采用NRF905以及NRF24L01無線模塊進行測試。NRF905是單片射頻收發(fā)芯片，工作于433 MHz ISM頻段，適用于多種無線通信的場合，如報警及安全系統(tǒng)、家庭自動化、無線門禁系統(tǒng)等。NRF24L01是一款工作在2.4～2.5 GHz ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片，輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進行設(shè)置。

在實測過程中，按圖7所示為車廂內(nèi)的節(jié)點進行編號，測試內(nèi)容包括地鐵列車空閑、正常及擁擠3種運行環(huán)境下，節(jié)點1-2，1-3，1-4，1-5，3-8，3-13之間的傳輸速率以及丟包情況。NRF905模塊由于頻率比較低，傳輸損耗比較低，傳播距離比較遠，但是相應(yīng)的傳輸速度也低，達不到需求。NRF24L01模塊傳輸損耗較大，傳播距離較短，但是傳輸速率較高，通過組網(wǎng)縮短節(jié)點通信距離可以解決這一問題。發(fā)送功率0 dBm，數(shù)據(jù)包大小32B，調(diào)制方式FSK，NRF24L01模塊的丟包測試結(jié)果如表1、表2和表3所示。

圖7 車廂節(jié)點編號示意圖

表1，表2，表3反映了NRF24L01無線模塊在地鐵實測的結(jié)果，在空閑運行的情況下，1節(jié)車廂的傳輸可靠性比較高，丟包率比較低;在正常運行的情況下，車廂內(nèi)信號傳輸可靠性有所下降，在1節(jié)車廂內(nèi)信號傳輸?shù)目煽啃栽诳山邮芊秶鷥?nèi)，但信號通過2節(jié)車廂后，丟包率達到了30.82%;在擁擠運行的情況下，節(jié)點1-4，1-5之間的丟包率上升的比較多，并且隨著傳播距離的增加，丟包情況會更加嚴重，節(jié)點3-13的傳輸丟包率達到了79.72%，超過2節(jié)車廂的距離已經(jīng)基本接收不到信號了，此時傳輸可靠性下降。構(gòu)建鏈式網(wǎng)絡(luò)以后，相鄰2個車門的間距是5 m，丟包率在3種情況下都比較低，這樣可以保證離網(wǎng)關(guān)節(jié)點較遠處的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點也能通過鏈式網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點，從而提升網(wǎng)絡(luò)整體傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

表1 地鐵空閑運行NRF24L01測試數(shù)據(jù)情況表

表2 地鐵正常運行NRF24L01測試數(shù)據(jù)情況表

表3 地鐵擁擠運行NRF24L01測試數(shù)據(jù)情況表

4 總結(jié)與研究展望

通過組網(wǎng)方案的設(shè)計，旨在提高地鐵車廂內(nèi)信息傳輸?shù)目煽啃?，在進行了軟件仿真后，對無線模塊在實際運行的地鐵車廂內(nèi)進行了2點收發(fā)實測，驗證了列車運行環(huán)境對系統(tǒng)傳輸?shù)挠绊?。之后需考慮個別監(jiān)測器失效后，正常工作的監(jiān)測器依然能夠通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，還應(yīng)考慮列車重新編組，門控器、門監(jiān)測器的維修更換，以及2列列車行駛交匯過程中的復(fù)雜情況等。通過進一步完善組網(wǎng)方案，保證門監(jiān)測器數(shù)據(jù)的有效上傳以確保地鐵安全運行。

［1］肖玉榮．“人文地鐵”在新起點上創(chuàng)造新輝煌——寫在南京地鐵安全運營七周年之際［J］．江蘇地方志，2012(5)．

［2］鄭少仁，王海濤，趙志峰，米志超，黎寧．Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［M］．北京：人民郵電出版社．

［3］S．Kumar，V．S．Raghavan and J．Deng．Medium Access Control Protocols for Ad－Hoc Wireless Networks：A Survey．Elsevier Ad － Hoc Networks Journal［J］，Vol．4(3)：326 －358，May 2006．

［4］Bezawada Bruhadeshwar，Kishore Kothapalli．A Fully Dynamic and Self－Stabilizing TDMA Scheme for Wireless Ad－h(huán)oc Networks［C］．IEEE International Conference on Advanced Information Networking and Applications，2010：511 －518．

［5］陳一天，余愛民．2.4GHz無線局域網(wǎng)在室內(nèi)外傳播的路徑損耗分析［J］．電訊技術(shù)，2005．1：35 －39．

［6］MOHAMMED Y．E，ABDALLAH A．S，L IU Y．A．Measurements of In － Building Penetration Loss at 2．4 GHz［J］．Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications，2004，27(2)：98 －102．

［7］任智，李晴陽，陳前斌．無線網(wǎng)絡(luò)衰落和損耗的建模與仿真研究［J］．系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2009，31(12)：2813－2819．

［8］趙永利，張杰．OMNET++與網(wǎng)絡(luò)仿真［M］．北京：人民郵電出版社，2012．

［9］王衛(wèi)疆，李臘元，鄭鋒．基于OMNET++的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)跨層協(xié)議棧仿真［J］．計算機工程，2009，35(9)：4－7．

Abstract:The model of transmission loss of signals inside subway vehicle is introduced and three networking scenarios are proposed and their advantages and disadvantages are analyzed．In the end，the reliability of those networking scenarios is compared using the simulation software OMNET++．Point－point tests were conducted using wireless sending and receiving module in subway car in operation，which verified that the designs of those networking scenarios are feasible and significant．

Key words:Door of subway car;Network scheme;Chain;Clustering;Reliability

王 佳：南京郵電大學(xué) 碩士研究生 210003 南京

陳 瑞：南京工程學(xué)院 副教授 211167 南京

曹雪虹：南京工程學(xué)院 教授 211167 南京

南京工程學(xué)院創(chuàng)新項目 (CKJ2011006)

2013-06-18

(責(zé)任編輯：諸 紅)