城市軌道交通CBTC車地無線通信快速切換算法研究

李高科，吳 卉，蔡曉蕾

（中國鐵道科學研究院電子計算技術研究所，北京100081）

隨著基于通信的列車控制 （CBTC）移動閉塞系統的應用，信號系統的持續改進是推動列車提速、保障行駛安全的關鍵技術。與傳統固定閉塞、準移動閉塞相比，基于無線通信的移動閉塞系統通過部署在列車上以及軌道旁的無線設備，實現了車、地間不中斷的雙向通信，控制中心可以根據列車實時的速度和位置動態計算和調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，從而提高運營效率。

1 傳統WLAN的越區切換方式

1.1 AP的物理組成與邏輯結構

無線接入點（AP）是一個具有WLAN接口和以太網接口的嵌入式系統，其作為連接CBTC系統中數據通信系統（DCS）有線骨干網絡和無線網絡的橋梁，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與DCS骨干網上的其他接入點傳遞信息。操作系統選用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據的SDRAM存儲器，兩者通過共享數據總線和地址總線與CPU進行通信，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，允許接入內部參數進行配置和監控：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信標幀和探詢幀，完成本地時鐘同步；（2）管理模塊，包括聯結、認證、越區切換和節能的管理；（3）幀格式轉換模塊，完成IEEE802.3有線幀和IEEE802.11無線幀的格式轉換；（4）橋接模塊，完成數據幀到BSS橋接過程。

1.2 傳統WLAN越區切換方式

在傳統的802.11標準的無線局域網中，當車載WGB從一個AP覆蓋區移動到另一個AP覆蓋區域時，需要發生越區切換的操作過程。整個過程主要分為掃描、認證和重新關聯。傳統越區切換模型如圖3。

圖3 傳統越區切換模型

（1） 移動臺MN根據當前的無線網絡狀況判斷是否需要進行越區切換，如需切換則要確定切換的目標無線接入點。

（2）MN向目標AP發出認證請求，目標AP根據其配置情況對MN的合法身份進行驗證。如果MN能夠認證回應幀，表示認證成功，經過認證的移動終端具有接入目標AP的資格。

（3）MN向目標AP發出聯結請求，目標AP置MN狀態為已連接并構造聯結回應幀。

（4）在收到目標AP的成功狀態的聯結回應后，MN向當前AP發出中止聯結通知。在接收到MN的中止聯結通知后，當前AP將MN從其管理的移動站列表中刪除，并停止為MN轉發和緩存網絡數據包，目標AP使用某種機制通知系統中的其它主機MN現在通過目標AP轉發網絡流量。至此，MN從AP1向AP2的越區切換過程結束。

在上述越區切換過程中，越區切換的操作決定權在于移動臺MN，同時需要2個AP之間配合，及時將MN所在的服務區域的變化通告路由設備，MN越區切換算法、AP之間及AP與有線骨干網絡之間的通告機制對切換的性能有很大影響。

1.3 傳統越區切換算法

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

（1）AP以固定的時間間隔廣播信標消息，MN周期性的通過這些信標監測它所聯結AP接收信號強度（RSS），并將這些參數存儲為一個數組，由數組計算出當前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）則不進行越區切換操作，回到S1（狀態：11）；反之，則開始準備切換啟動（狀態：00）。（3）MN將在相鄰頻道上搜索到的其他AP信標消息同樣建立數組，其中RSS值最大者記為RSSmax，if:RSSmax>(u+λσ)則執行越區切換，MN擬重新聯結RSSmax對應的AP2（MN狀態：00）。（4）MN利用接入控制服務在AP2上進行身份驗證，在認證請求幀中需注明為共享密鑰型認證，在收到認證成功信息后通過發送聯結請求幀隨時聯結到無線網絡中。

1.4 CBTC越區切換中斷時間分析

將上述越區切換分為：切換啟動、啟動掃描、認證、關聯、路徑更新和無線鏈路優化6個階段，即當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聯結成功的過程，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、認證時間、關聯時間、路徑更新時間與無線鏈路優化時間。

由以上步驟可以看出從AP掃描開始，MN將斷開網絡連接，直到與AP2聯結成功后將路徑更新，使地面列控中心發送至列車的信息正確傳達，網絡才能正常聯結。列車從AP1切換至AP2的過程中網絡中斷的時間為：

CBTC系統要求車地通信的連續性，在列車越區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確判決和迅速恢復，從目前國內外CBTC的實際應用來看，數據通信子系統中數據丟包問題和延時瓶頸主要集中在車地無線通信，目前市場商用WLAN產品越區切換時間在500 ms~2 s之間，包括重新鑒權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越區切換將導致列車在65 m的運行范圍失去與控制系統的聯系，所以解決WLAN快速切換問題是DCS系統的一個關鍵技術。

1.5 傳統WLAN越區切換的不足

（1）無線信道通信質量較差時，無法保障由MN經過此信道發送到AP1的消息能被成功接收，這樣會使AP1和AP2同時在MN和有線網絡之間轉發數據，從而造成網絡結構的混亂和系統資源的浪費。

（2）由于MN和目標AP間通過驗證和聯結之后，MN才能與目標AP進行數據交互，在MN切換啟動到與目標AP成功聯結期間有一段時延，如果MN與當前AP之間的通信質量迅速惡化，在MN完成與目標AP重聯之前無法通過當前AP進行數據轉發，則MN就在這段時間內失去和控制中心通信的能力，顯然這不符合CBTC的連續列車與軌旁信息交互的能力。

2 多無線模塊協同切換模型研究

在CBTC系統中，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覆蓋范圍內允許有多個移動節點存在，移動節點之間的干擾可以忽略不計。綜合考慮基于802.11的CBTC通信子系統對無線傳輸的需求，本文分析多無線模塊協調切換方案，即采用在一個WiFi設備集成多個無線模塊進行協同切換的方法，來解決列車在快速運行過程中因切換引起的列控數據報文丟失問題。從而更好地實現了列車無縫切換。

獨立的無線模塊WBG1和WBG2分別安裝在列車頭尾兩端，各模塊網絡接口使用相同的越區切換算法，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，并可獲得協議規定的網絡帶寬。

2.1 建立沿線分布的AP位置數據庫

在一般的WLAN應用中，移動節點的運行方向具有任意性，無法事先告知MN與該AP聯結需要的具體信息。只有在MN與新AP建立聯結時通過請求/公告機制動態獲得，從而增加了重聯結時的時延和網絡流量。在CBTC系統中，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，車載網關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網絡設備可以在車載網關上事先配置沿途AP的信息，即在WBG進行初始化時將網絡所有AP的相關信息存儲。介質存儲的信息是該AP的相關網絡參數，列車在運行中通過判決需要進行越區切換時，車載網關便從即將接入AP的網絡信標幀中獲取該AP的ID，并通過AP配置表讀取接入該AP所需的網絡參數，進而完成與新AP的重聯結操作，這不但保證了車地通信的連續性還降低了系統的復雜度。

2.2 多無線模塊協同的WLAN切換算法

多無線模塊協同切換原理如圖4。設AP1和AP2的網絡覆蓋半徑均為R，2個AP之間的部署距離為D，重疊覆蓋寬度為O。負責前臺數據通信的無線模塊為WBG1，負責后臺AP掃描的為WBG2。無線多模塊協同切換模型的切換算法以及過程為：

（1）MN從系統配置數據庫中讀取所有AP的相關信息，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將掃描當前信道，接收出現的所有AP的信標幀并記錄信號功率RSSinst。假設列車周期性瞬時接收信號強度為RSSinst，則加權平均值為：

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

圖4 多無線模塊協同切換原理

（3）t2時刻MN開始進入AP2的覆蓋范圍,WBG2結合AP位置數據庫逐步探測目的AP，并根據評價算法從掃描到的AP集合中結合沿線AP位置數據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時刻掃描結束,WBG2分別從AP2的網絡信標幀和配置表中分別讀取該AP的ID和切換參數，由WBG2向目標AP2發送認證請求。

（5）WBG2收到認證回應幀后，從t4時刻開始由車載WBG2發送關聯請求。

（6）t5時刻收到聯接成功回應幀后WBG2便成功接入AP2，并與AP2根據通信質量逐步調整發送速率(此時可應用電源管理)。

（7）到t6時刻,WBG1與AP1的通信質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調換彼此的通信職能,即開始由WBG2負責前臺數據通信,WBG1負責后臺AP掃描,接著，車載無線網關通知分發網絡更新數據包轉發路徑，保證數據的正確路由。

（8）到t7時刻，列車通信狀態已恢復正常。

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

圖5 多無線模塊移動列車切換流程

3 多無線模塊協同切換流程分析

WBG2在接入AP2的過程中，前臺WBG1繼續與接入點AP1保持正常通信鏈接，使得列車沿線運行時在AP間的頻繁切換導致的網絡中斷時間產生一系列問題，得到了減小甚至實現了無縫切換，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：網絡中斷時間為t=t5+t6，即僅為路徑更新時間和無線鏈路優化時間，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置了2個門限：當前臺信號強度RSSavg△RSS時進行越區切換，成為后置門限。通過前置門限的設置有效的避免了不必要的切換，而通過后置門限的設置則有效的避免了乒乓切換的發生，從而提高了系統切換的有效性和可靠性。

（3）切換算法中，設置的切換觸發條件如圖6。

a.連續丟8個信標幀；

b.達到最大重傳計數；

c.接收信號功率低于門限值（設經驗值為－60 dBm）。

圖6 啟動切換流程圖

4 結束語

本文提出的多模塊協同切換算法，可以將2個使用不同IP地址和MAC層地址網絡接口分別置于“提前切換”狀態和“滯后切換”狀態，使得當一個接口處于切換狀態時，另一個接口尚未開始切換或已經完成了切換，而對整個系統而言總是存在一個網絡接口可以用來與地面控制系統通信。為了節省無線網絡資源，2個網絡接口工作在同一個頻率上，在不需要進行越區切換時，MN可以同時利用2個網絡接口收發數據，因而列車可以獲得雙倍于單個網絡接口的帶寬。

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