可持續(xù)服務(wù)的列車Wi-Fi智能終端設(shè)計(jì)

汪承研，胡曉岳，戴護(hù)民

（廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院（北校區(qū)），廣州 510550）

1 列車Wi-Fi需求現(xiàn)狀

隨著智能終端的普及，無線網(wǎng)絡(luò)正在成為信息基礎(chǔ)設(shè)施，在城市熱點(diǎn)區(qū)域，辦公室，家庭等場景通過無線網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)已成為人們獲得上網(wǎng)權(quán)限的常見方式?；疖嚮蚋哞F作為常年人口聚集、流動(dòng)的公共場所，長途旅行中的乘客對(duì)Wi-Fi服務(wù)有強(qiáng)勁的需求，同時(shí)列車上工作人員需要對(duì)列車進(jìn)行各種巡檢、服務(wù)、維護(hù)等工作，對(duì)其手持設(shè)備存在可靠的聯(lián)網(wǎng)需求。

2 列車車載Wi-Fi的技術(shù)難點(diǎn)

目前，列車車載Wi-Fi系統(tǒng)存在幾個(gè)方面的技術(shù)難點(diǎn)：一是由于列車運(yùn)行線路具有線長、點(diǎn)多、地勢險(xiǎn)等特點(diǎn)，通常是一些通信信號(hào)盲區(qū)、隧道、山嶺等偏遠(yuǎn)區(qū)域，因此運(yùn)營商的信號(hào)覆蓋通常都不佳。二是列車上相對(duì)人員比較集中，聯(lián)網(wǎng)化率比較高，同時(shí)對(duì)網(wǎng)速的需求也較高，在并發(fā)上網(wǎng)時(shí)對(duì)列車車載Wi-Fi設(shè)備有支持高帶寬能力的需求。三是要滿足“車載”要求，在列車高速行進(jìn)中能夠良好運(yùn)行，期中包括兩個(gè)方面的因素，在列車高速行進(jìn)中，信號(hào)衰減非常大，首先是運(yùn)營商的3G/4G信號(hào)衰減對(duì)車載Wi-Fi設(shè)備接入帶來挑戰(zhàn)，另外一個(gè)是Wi-Fi 本身的信號(hào)衰減導(dǎo)致最終旅客智能終端接收時(shí)存在信號(hào)過弱問題。

受上述技術(shù)難點(diǎn)的影響，運(yùn)營商所提供3G/4G 信號(hào)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量變得比較差，上網(wǎng)的體驗(yàn)基本上是時(shí)斷時(shí)續(xù)；目前列車車載Wi-Fi實(shí)際應(yīng)用更少。因此如何突破這些技術(shù)難點(diǎn)，使得列車車載Wi-Fi能進(jìn)入規(guī)模商用是一件既有社會(huì)效益又有經(jīng)濟(jì)效益的事情。

3 可持續(xù)服務(wù)的列車車載Wi-Fi的系統(tǒng)原理

可持續(xù)服務(wù)的列車車載Wi-Fi通過接入信號(hào)自動(dòng)切換功能來解決運(yùn)營商信號(hào)覆蓋不佳的問題，三家運(yùn)營商在鐵路沿線的信號(hào)覆蓋范圍較大，通過提升基站數(shù)量的方式進(jìn)行優(yōu)化覆蓋的投入非常大，且短期內(nèi)無法得到解決。但三家運(yùn)營商在鐵路沿線的信號(hào)覆蓋存在一定的互補(bǔ)性，通過設(shè)計(jì)快速的有效信號(hào)智能掃描技術(shù)甄別出當(dāng)前三個(gè)移動(dòng)信號(hào)中的最強(qiáng)信號(hào)選擇接入，運(yùn)行中如果當(dāng)前接入信號(hào)變?nèi)鯐r(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到另外一個(gè)新的最佳信號(hào)上去。

針對(duì)車載Wi-Fi設(shè)備支持高速上網(wǎng)的需求進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，采用智能緩存技術(shù)。智能緩存可以在列車乘客輸入相關(guān)訪問域名后，列車車載Wi-Fi會(huì)進(jìn)行一個(gè)集中統(tǒng)計(jì)，對(duì)本次列車上存在較多連接需求的網(wǎng)站，會(huì)將該網(wǎng)站內(nèi)容緩存至本地，這樣較大比例的網(wǎng)頁瀏覽將在本地進(jìn)行，并設(shè)置老化機(jī)制。在車載Wi-Fi設(shè)備中維護(hù)一個(gè)常見網(wǎng)站資源列表，列車駛?cè)胄盘?hào)較好區(qū)域時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)同步更新，減少車載Wi-Fi設(shè)備平均上行帶寬壓力。

4 可持續(xù)服務(wù)的列車車載Wi-Fi終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

可持續(xù)服務(wù)的列車Wi-Fi終端系統(tǒng)是通過接入移動(dòng)通信運(yùn)營商的3G/4G信號(hào)，將其中數(shù)據(jù)流量接入，并通過Wi-Fi形式提供用戶上網(wǎng)功能。系統(tǒng)共包括移動(dòng)信號(hào)接入模塊，Wi-Fi模塊，位置及感應(yīng)模塊，中央智能控制模塊，大容量內(nèi)存五大部分。

移動(dòng)信號(hào)接入模塊實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信運(yùn)營商的3G/4G信號(hào)接入，支持當(dāng)前3種主要制式WCDMA/TD-LTE/CDMA，數(shù)據(jù)卡可模塊化裝載進(jìn)列車車載Wi-Fi終端中，可根據(jù)需求應(yīng)用場景進(jìn)行增減；Wi-Fi模塊負(fù)責(zé)Wi-Fi信號(hào)的射頻發(fā)射與中央智能控制模塊的數(shù)據(jù)對(duì)接，在系統(tǒng)中提供兩個(gè)Wi-Fi模塊，一個(gè)2.4GHZ模塊和一個(gè)5.8GHZ模塊，用戶可以根據(jù)寬和覆蓋范圍需求來配置模塊的使用用途；位置及感應(yīng)模塊提供GPS信號(hào)接收及其他傳感器外掛接口功能；中央智能處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的處理核心，在數(shù)據(jù)面處理方面，中央智能處理模塊負(fù)責(zé)將3G/4G信號(hào)輸入的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Wi-Fi模塊，需要處理數(shù)據(jù)的路由，NAT，承擔(dān)防火墻等功能，在數(shù)據(jù)處理的控制面，該模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)的智能掃描技術(shù)，通過實(shí)時(shí)地對(duì)3家運(yùn)營商的輸入信號(hào)進(jìn)行掃面，篩選出當(dāng)前的最佳信號(hào)做為主接入信號(hào)，提供老化機(jī)制，在當(dāng)前信號(hào)質(zhì)量發(fā)生變化時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)接入信號(hào)的動(dòng)態(tài)更換。該模塊另外一個(gè)重要的功能，提供了智能的緩存技術(shù)，該技術(shù)會(huì)收集當(dāng)前活躍用戶所訪問的資源列表，并將資源下載至終端本地供列車乘客用戶訪問，從而提升乘客用戶訪問速度。大容量緩存供智能緩存模塊緩存頁面資源時(shí)使用。電源模塊為上述各模塊進(jìn)行供電，同時(shí)它也接受中央智能處理模塊的管理。

圖1 列車車載Wi-Fi終端邏輯框圖

智能掃描技術(shù)是解決列車車載Wi-Fi可提供持續(xù)服務(wù)的關(guān)鍵。智能掃描軟件模塊運(yùn)行在中央智能處理模塊，下面對(duì)其具體運(yùn)行流程進(jìn)行詳細(xì)的闡述。智能掃描模塊運(yùn)行兩個(gè)高度實(shí)時(shí)線程，同時(shí)運(yùn)行并相互通信，詳細(xì)步驟依次是：

（1）智能掃描軟件功能開啟后，首先檢測出本終端已經(jīng)運(yùn)行的3G/4G模塊包含哪些，并記錄相關(guān)信息，包括運(yùn)行模塊LIST，每個(gè)模塊的制式、廠家信息、SIM卡信息等隨同記錄入信號(hào)選型表中。

表1 信號(hào)選型表

（2）初始化工作完成后，該軟件模塊進(jìn)入實(shí)時(shí)掃描狀態(tài)，掃描分兩個(gè)層面進(jìn)行，首先是基站發(fā)射的射頻信號(hào)，軟件模塊實(shí)時(shí)輪詢已裝載運(yùn)行3G/4G模塊的接入信號(hào)，即各個(gè)模塊從所捕捉到的基站信號(hào)強(qiáng)弱值，記錄入信號(hào)選型表中，信號(hào)的強(qiáng)弱值根據(jù)讀取得原始值轉(zhuǎn)換成5檔區(qū)間，信號(hào)質(zhì)量參數(shù)從高到低分別是5，4，3，2，1。

（3）掃描的第二個(gè)層次是掃描數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通路的通暢性，即網(wǎng)絡(luò)連通性，由于列車移動(dòng)速度非常高，信號(hào)層面記錄的信息可能已經(jīng)陳舊，信號(hào)層面可以作為初步判斷，直接作為可以提供Wi-Fi服務(wù)的判據(jù)是不可靠的，因此還需要測試從Wi-Fi側(cè)到運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的連通性是否正常。掃描模塊通過ICMP發(fā)起對(duì)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的ping測試，并記錄每個(gè)模塊的測試結(jié)果，根據(jù)PING的返回值，按質(zhì)量等級(jí)記錄為5檔，返回時(shí)延在200～150ms之內(nèi)的記錄1，返回時(shí)延在150～100ms之內(nèi)的記錄2，返回時(shí)延在100～50ms之內(nèi)的記錄3，返回時(shí)延在50～10ms 之內(nèi)的記錄4，返回時(shí)延在10～0ms之內(nèi)的記錄5。連通性參數(shù)記錄入信號(hào)選型表中。

（4）根據(jù)兩個(gè)層次掃描結(jié)果，模塊對(duì)信號(hào)選型表中兩個(gè)參數(shù)計(jì)算一個(gè)加權(quán)值，期中信號(hào)的權(quán)重是3，業(yè)務(wù)通路的連通性權(quán)重是7，系統(tǒng)根據(jù)兩個(gè)參數(shù)值計(jì)算出加權(quán)值，優(yōu)先選擇出其中加權(quán)值最高線路作為當(dāng)前接入線路。

（5）模塊對(duì)信號(hào)的掃描是實(shí)時(shí)的，并實(shí)時(shí)更新信號(hào)選型表。

（6）無感知切換，當(dāng)信號(hào)選型表中的當(dāng)前接入線路信號(hào)的加權(quán)值變化至不是最佳選項(xiàng)時(shí)，模塊會(huì)觸發(fā)進(jìn)行輸入線路切換，同時(shí)通知中央智能處理模塊完成已接入用戶的上下文無感知切換。

智能緩存技術(shù)重在提升乘客訪問互聯(lián)網(wǎng)的速度，由于3G或4G接入帶寬有限，而列車乘客上網(wǎng)的特點(diǎn)是同時(shí)在線并發(fā)送請(qǐng)求量較大，導(dǎo)致分配到每個(gè)乘客的可用帶寬較低，因此從上網(wǎng)用戶的角度會(huì)感受到網(wǎng)速非常慢。由于接入帶寬方面受限不能得到改進(jìn)，那么智能緩存技術(shù)就顯得很有必要。

圖2 智能掃描處理流程原理圖

智能緩存技術(shù)核心原理是將多數(shù)用戶最近常訪問的網(wǎng)絡(luò)資源緩存至本地以供用戶快速訪問，智能緩存技術(shù)的處理步驟詳解如下。

（1）當(dāng)每個(gè)登錄用戶訪問一個(gè)新的資源網(wǎng)站時(shí)，智能緩存模塊會(huì)將其添加到在線用戶訪問資源列表。

（2）在系統(tǒng)最大緩存能力范圍內(nèi)，將在線用戶訪問資源下載至本地，供用戶瀏覽。

（3）智能緩存模塊同時(shí)維護(hù)一個(gè)常見網(wǎng)站資源列表，并周期性更新資源到本地，周期設(shè)置為10 分鐘，當(dāng)用戶訪問常見資源時(shí)，將訪問本地內(nèi)容。

（4）對(duì)在線用戶訪問資源列表實(shí)施老化機(jī)制，老化時(shí)間可以配置，超過老化時(shí)間沒有再交互的資源，將從在線用戶訪問資源列表中移出。

圖3 智能緩存模塊處理流程原理圖

通過智能的緩存技術(shù)，對(duì)列車用戶訪問網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行了歸集，在保證資源新鮮的同時(shí)，每個(gè)用戶不用再獨(dú)立占一份帶寬去訪位一個(gè)相同的網(wǎng)絡(luò)資源，提升帶寬利用率20%以上。

5 結(jié)束語

可持續(xù)服務(wù)的列車車載Wi-Fi終端經(jīng)過現(xiàn)場測試，在信號(hào)檢測及切換方面是完全可行的，而且平均信號(hào)強(qiáng)度得到20%以上的提升；加載智能緩存技術(shù)后，本地資源瀏覽速度得到加速，乘客上網(wǎng)體驗(yàn)顯著改善；下一個(gè)階段，我們將進(jìn)一步優(yōu)化接入網(wǎng)絡(luò)檢測算法，縮短網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)間，從而優(yōu)化終端系統(tǒng)的可持續(xù)服務(wù)能力。