地鐵車廂內無線組網可靠性研究

王 佳 陳 瑞 曹雪虹

地鐵車廂內無線組網可靠性研究

王 佳 陳 瑞 曹雪虹

摘 要：介紹地鐵車廂內信號傳輸損耗的模型，提出3種組網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進行了點對點的測試，驗證了組網方案的設計是可行的也是有意義的。

關鍵詞：地鐵車門;網絡方案;鏈式;分簇;可靠性

地鐵安全運行系統中，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的指令，并將門系統的工況信息通過車輛通信總線報告給列車控制系統。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”的拓撲結構組成一個Ad hoc網絡，通過TDMA機制，按時隙分配信道資源，保證各節(jié)點數據信息在其專有時隙及時、可靠地發(fā)送，最后將數據匯集到帶有CDMA模塊的門監(jiān)測器上傳至服務器。維護人員根據上傳的信息分析故障原因，指揮現場人員解決問題，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傳播會受到如建筑物的布置、材料結構和建筑物類型等因素的影響。而地鐵車廂內部環(huán)境比較特殊，在人擁堵的情況以及人稀少的情況下，無線模塊的通信質量相差很大，這是因為信號經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，當一節(jié)車廂人數小于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。Lx(n)為根據地鐵車廂環(huán)境不同所引起的損耗值，n為車廂內乘客數。An，Bn，Cn分別對應地鐵空閑、正常、擁擠3種

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

考慮到地鐵車廂內的無線傳播情況，可以設An=5，λ1=0.7，Bn=12，λ2=0.6，Cn=18 ，λ3=0.5，乘客人數以10人為參考量。仿真中，設乘客人數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 組網方案的設計

為了獲得有關車門的信息，在門控制器旁邊設計、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器，采用“鏈式+分簇”的拓撲結構，將門監(jiān)測器組成無線局域網，將監(jiān)測數據匯集到一個或幾個門監(jiān)測器上，再通過公網傳輸，降低成本。

可將門監(jiān)測器看作是網絡中的無線節(jié)點，根據其在網絡中所起的作用可分為3種節(jié)點：①網絡節(jié)點，數據采集和發(fā)送;②匯集節(jié)點，數據采集、匯集、檢錯和發(fā)送;③網關節(jié)點，接入移動互聯網，以及數據采集、檢錯和發(fā)送。有以下3種組網方案。

方案一，如圖2，將整個網絡分成2個自治網，車廂1，2，3為網絡1，車廂4，5，6為網絡2;分別選其中的一個網絡節(jié)點兼作網關節(jié)點，收集本網絡中的網關節(jié)點的數據，然后上傳至遠端服務器。這種方案的優(yōu)點在于網絡節(jié)點無需通過轉發(fā)，而是直接將采集到的數據傳給網關節(jié)點，整個網絡簡單;網絡節(jié)點只負責在分配的時隙內完成數據采集和發(fā)送，不用考慮數據的匯集和轉發(fā)，這樣網絡控制開銷比較低。缺點在于距網關節(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)車廂分別設置匯集節(jié)點，采用鏈式收集本車廂數據并分析丟包情況。在整列車輛設置2個自治網，車廂1，2，3組成網絡1，車廂4，5，6組成網絡2;每個網絡中選擇1個匯集節(jié)點兼作網關節(jié)點，用來收集本網絡中匯集節(jié)點的數據，然后上傳至服務器。通過鏈式加分簇的網絡結構，將數據傳輸至最近的節(jié)點，這樣縮短了網絡節(jié)點之間的通信距離，減少了傳輸損耗，降低了相鄰節(jié)點傳輸的丟包率，在地鐵擁堵的情況下也能很好的控制傳輸質量，提高可靠性。另外，2個網關節(jié)點可以均衡負荷，減少網關節(jié)點故障。但是網關節(jié)點發(fā)生故障時，相應網絡內的數據將無法上傳至服務器，為避免這種情況，需要為網絡1和網絡2分別再增設一個備用網關節(jié)點，這樣，整個網絡需要4個網關節(jié)點，增加了設計的成本。

方案三，如圖4所示，地鐵車廂兩側的網絡節(jié)點分別組成2條鏈式加分簇的網絡，每節(jié)車廂內部一側5個網絡節(jié)點構成1個匯集子網，由匯集節(jié)點收集本子網內所有節(jié)點的數據、保證本子網內數據的正確性;數據的傳送方向如圖4所示，車廂1～3的匯集節(jié)點位于車廂最右側;車廂4～6的匯集節(jié)點位于車廂的最左側;在車廂3和4分別設置1個網關節(jié)點，使得設備型監(jiān)測器網絡能夠接入移動互聯網，并將數據傳送至公司總部。這種網絡的優(yōu)點在于2條鏈式網絡獨立工作，在終端的網關節(jié)點靠的比較近，當一個網關節(jié)點失效時，另一個網關節(jié)點可以充當備用網關節(jié)點的作用，提高可靠性。缺點在于車廂1和車廂6內匯集節(jié)點距離網關節(jié)點有2節(jié)車廂的距離，相應的數據需要經過2跳才能傳至網關節(jié)點處，當地鐵擁擠運行時，車廂1和車廂6內網絡節(jié)點傳輸的可靠性會相應下降。

圖2 組網方案一

圖3 組網方案二

圖4 組網方案三

3 方案的實施和實驗結果分析

3.1 仿真環(huán)境及結果分析

首先進行兩點仿真測試。基于傳輸速率需求，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，數據包大小設置為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，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)測器數據傳輸情況分別進行統計。每節(jié)車廂共有10個節(jié)點，每個節(jié)點設置1000個數據包待發(fā)送，6節(jié)車廂待發(fā)送數據包是60000個，最后在網關節(jié)點處統計收到的數據包總數，根據仿真數據，繪制了不同情況下3種方案的丟包率統計圖，如圖6所示。

圖5 兩點丟包測試圖

圖6仿真結果表明，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，信號能傳輸的距離比較遠，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;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絡節(jié)點的丟包率，提高了信號傳輸的可靠性。

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，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、家庭自動化、無線門禁系統等。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、頻道選擇和協議的設置可以通過SPI接口進行設置。

在實測過程中，按圖7所示為車廂內的節(jié)點進行編號，測試內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，數據包大小32B，調制方式FSK，NRF24L01模塊的丟包測試結果如表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，車廂內信號傳輸可靠性有所下降，在1節(jié)車廂內信號傳輸的可靠性在可接受范圍內，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)車廂的距離已經基本接收不到信號了，此時傳輸可靠性下降。構建鏈式網絡以后，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，這樣可以保證離網關節(jié)點較遠處的網絡節(jié)點也能通過鏈式網絡將數據發(fā)送至網關節(jié)點，從而提升網絡整體傳輸的可靠性。

表1 地鐵空閑運行NRF24L01測試數據情況表

表2 地鐵正常運行NRF24L01測試數據情況表

表3 地鐵擁擠運行NRF24L01測試數據情況表

4 總結與研究展望

通過組網方案的設計，旨在提高地鐵車廂內信息傳輸的可靠性，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進行了2點收發(fā)實測，驗證了列車運行環(huán)境對系統傳輸的影響。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絡傳輸數據，還應考慮列車重新編組，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雜情況等。通過進一步完善組網方案，保證門監(jiān)測器數據的有效上傳以確保地鐵安全運行。

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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 碩士研究生 210003 南京

陳 瑞：南京工程學院 副教授 211167 南京

曹雪虹：南京工程學院 教授 211167 南京

南京工程學院創(chuàng)新項目 (CKJ2011006)

2013-06-18

(責任編輯：諸 紅)