高速環境下智慧動態監測系統的設計與實現

袁 沖，鄭 濤，董 平，姚琳元

(北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044)

高速環境下智慧動態監測系統的設計與實現

袁 沖，鄭 濤，董 平，姚琳元

(北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044)

高速鐵路因其快速、經濟、方便和安全等特性，逐漸成為人們出行方式的首選；移動互聯網的興起使乘客隨時隨地接入互聯網的需求更加迫切。然而，高速移動環境下高效接入互聯網仍是一個重大難題。針對高鐵沿線基站覆蓋密度小、小區切換頻繁等特點，在利用現有網絡資源的基礎上，文中提出了應用于高速環境下的智慧動態監測系統。該系統主要分為幾個子系統，其中多模鏈路子系統將底層異構網絡資源抽象成相同的組件，便于統一管理；鏈路監測子系統，通過對網絡狀態的監測和維護，自動處理網絡的水平切換和垂直切換問題，配合其他模塊的應用，能夠有效提高有限網絡資源的利用率。經多次在高鐵實際環境下的測試，系統具有較高的可行性、實用性和穩定性。

高速；移動；智慧；動態監測

1 概 述

來自鐵路部門的數據顯示，截至2013年，我國鐵路運營總里程突破10萬公里，其中高鐵運營里程達1.1萬公里，居世界第一；全國鐵路旅客發送量超過20億人次，同比增長超10%，乘坐高鐵的人數約為2億。截至2014年底，全國鐵路動車組列車開行范圍擴展至28個省市區；鐵路新線投產規模創歷史最高紀錄，高速鐵路營業里程超過1.6萬公里，穩居世界第一[1]。高鐵在具有和飛機相比擬的時效性的同時，受天氣因素影響更小、運輸能力更大、安全性能更高，已逐漸成為人們出行的首選。與此同時，移動互聯網的興起，智能硬件，可穿戴設備的頻頻亮相，手機、平板等手持終端設備的普及，人們隨時隨地接入互聯網的需求越來越迫切[2]。因此，一個高效穩定的高速列車互聯網接入環境顯得尤為重要。

在經濟效益方面，高速移動環境下接入互聯網很可能是下一個移動互聯網的“新藍海”。鐵路系統的逐漸開放會給企業和個人帶來巨大的商機。高鐵乘客消費水平較高，使得高速列車互聯網的廣告市場更有潛力，普通火車承載人數多，消費者的數量可能更多，兩者都具有很大的價值。僅從高速列車互聯網來看，預計每組車一年大概有超過100萬元的增值服務營收能力，全路一千多組動車，年收入超過20億元。

高鐵列車具有高速、封閉以及周邊環境快速變化等特點，這也造成了無線信號衰落[3]、電磁干擾[4]、車體損耗[5]、覆蓋空白和頻繁切換等問題[6-7]。針對這些挑戰，國內外學者進行了大量研究，也從網絡的不同角度提出了各種解決方案。有線信道是一種專用性很強的列車接入模式，典型的有線通信技術包括Radio over fiber和Leaky coaxial cable技術。首先通過光纖或同軸電纜沿高速列車軌道提供傳輸信道，然后通過架設在軌道的天線為列車內部提供無線接入[8-9]。Leaky coaxial cable已經在日本投入使用。雖然這兩種技術可以為乘客提供無線接入服務，但都無法避免高速移動產生的頻繁切換，并且需要高額的前期投入和維護費用。衛星鏈路雖然能夠提供較為穩定的接入并且極少發生切換[4]，但是鏈路相當昂貴，并且帶寬較其他技術明顯處于劣勢[10]。WiMAX[11]可以提供覆蓋范圍內達到數十公里的小區,但是當列車移動速度達到300 km/h時，WiMAX系統跨區切換的時間間隔也僅為10 min左右[12]。由此可見，WiMAX主要是為慢速移動的無線終端而設計的[13]，當頻繁發生切換時，它難以提供令人滿意的移動性能。

綜上分析，文中擬采用現有運營商各種制式的網絡，利用多宿主機解決高鐵乘客的上網問題。多宿主機的各個網絡性能(丟包率、往返時延、實時流量、信號強度等)對于調度尤為重要，尤其是在高鐵這種極其惡劣的情況下，各個網絡組件的指標直接影響著調度決策，從而影響機器的性能、資源的利用。

因此，文中設計適用于高速移動環境的智慧動態監測機制。該機制設置三個子系統，以實現多宿主機穩定支持各個運營商的各種制式網卡，將異構網絡同質化，方便統一管理。

(1)多模鏈路子系統保證各個網卡及時穩定接入互聯網，及時更改導向路由保證多路通暢并且監測各個網卡IP地址變化，將IP變化情況通告上層模塊；

(2)鏈路監測子系統實時監測各個鏈路的各種參數(往返時延、丟包率、信號強度、位置信息、實時流量)，并定時將各個鏈路的狀況通告上層調度模塊，為數據流正確、高效調度提供理論依據；

(3)日志子系統將其他子系統監測到的所有信息記錄到數據庫，為未來的數據處理研究提供依據。

2 智慧動態監測系統設計與實現

智慧動態監測系統主要分為三個子系統：多模鏈路子系統、鏈路監測子系統、日志子系統。具體如圖1所示。

2.1 多模鏈路子系統

多模鏈路子系統的主要工作是保證各個運營商穩定識別，并及時接入互聯網，實時監測各個網絡組件接入互聯網狀態，將鏈路變化及時通告上層模塊。

具體功能包括：

(1)穩定支持各個運營商，各種制式網卡；如圖2，通過驅動程序和撥號程序，將異構網絡同質化，在底層抽象成相同的組件，方便上層模塊統一操作和部署。在鐵路沿線，基站覆蓋密度小，而在高速移動環境下，跨小區切換頻繁，只有支持各個運營商，才能更大程度上保證同一時刻至少有一個運營商網絡能夠使用，才能保證網絡不中斷，為旅客提供更好的上網體驗。而3G、4G網絡在帶寬和移動性支持方面，性能差距很大。因此，為了給車上用戶提供更好的上網服務，需要系統支持各個運營商各個制式的異構接入技術。

圖1 系統架構

圖2 驅動流程

(2)保證各個網絡組件在滿足條件的情況下，及時接入互聯網。設計一套監測機制，定時監測對應網絡組件是否接入互聯網。

(3)實時監測各個網絡組件跨小區切換情況，在(2)中只是保證二層連接接入互聯網，但是真正要實現多路數據流傳輸，還需要利用高級路由功能，合理設置路由規則才能實現。因此需要子系統去實時監測網卡IP切換情況，及時更改導向路由，通過修改路由條目和對應路由策略，保證三層數據鏈路通暢。其中監測機制有兩種實現方式：

①定時監測機制，設置一個鏈表定時檢測對比，查看對應網卡IP是否發生變化；

②通過Netlink通告機制，捕獲內核網卡狀態變化通告。

二者各有利弊。前者通過主動監測方式，對于各種制式、多樣性的網卡具有普適性，但是監測延遲會有幾十毫秒；后者通過被動接收內核通告，快速、響應時延小，但是不同的網卡狀態通告的Netlink消息格式不同，需要定制，普適性差。

(4)將各個組件IP變化情況告知上層模塊，及時告知上層模塊失效和新建鏈路，保證調度決策的正確性和有效性，并將變化情況記錄數據庫。

2.2 鏈路監測子系統

該子系統主要功能是為了實時監測各個網絡組件的鏈路狀態，為上層模塊各種調度策略提供決策依據，從而進行負載均衡、合理有效利用帶寬資源。該部分架構如圖3所示。

具體功能包括：

(1)統計各個網絡組件的RTT和丟包率。該子系統會為每個網絡組件分配一個線程，該線程會定時發送所屬網絡組件心跳包，該心跳包經過上網的多模鏈路子系統路由策略匹配和查找后，會從對應網絡組件數據通路發送出去，經過互聯網到達地面服務器，然后地面服務器響應對應心跳包，經過互聯網由對應網卡接收。當各個線程收到自己的心跳包時計算出RTT，定時統計下該段時間內平均RTT、抖動和丟包率。

(2)獲取各個網絡組件實時的RSSI和GPS。在底層，每個網絡組件都會識別成幾個串口設備，每個串口設備都有不同的作用。除了用于撥號以外，選取一個能夠支持AT命令的端口，通過AT命令，定時取得各個網絡組件的信號強度；多宿主機上有專門的GPS模塊，同時取得GPS信息。

圖3 鏈路監測子系統架構

(3)實時流Z監測。對多宿主機每個網絡組件不同時間片內的流入和流出速度進行統計計算。定時將上述鏈路狀態信息通告給上層模塊，使其根據鏈路狀況，完成調度決策。

2.3 日志子系統

日志子系統的功能是利用MySQL數據庫存儲上述兩個子系統實時信息，以保證離線分析功能，為以后靜態預測提供依據。

具體功能包括：

(1)ipchange數據表記錄每個網卡IP地址變化情況，包括網卡名稱、發生變化的經緯度，變化前的IP地址、變化后的IP地址、網卡網關以及變化發生時間。

(2)pppX_link數據表記錄每個網卡在線狀態、網絡制式、記錄時間、記錄時刻的經緯度、實時RTT、平均RTT、丟包率、抖動、收包速度、發包速度等。

3 智慧動態監測系統部署與測試

該系統已經部署在實際設備上，如圖4所示。經過包括地面靜態測試、市內汽車測試和高鐵實際情景的多次測試，系統能夠穩定支持各個運營商9個無線網卡同時工作。測試結果表明，該系統能夠為高速移動環境下的用戶提供高帶寬、穩定的上網環境。

圖4 系統原型設備

3.1 系統部署

由于系統軟件用C語言編寫，并沒有依賴第三方庫，因此系統的安裝與部署簡單有效，對第三方依賴小，對不同的硬件平臺有較強的普適性。系統高效且易于安裝，曾經運行在Fedora10、Fedora14系統上，目前在廣被使用的Ubuntu12.04上穩定運行；數據庫采用MySQL，借助系統的udev和iproute2模塊配合使用。

3.2 實際測試

3.2.1 當發生IP地址切換時，路由策略變化的實際效果

運行程序，當組件發生小區切換時，程序打印信息。從圖5(a)中可看出，①顯示程序檢測到組件網絡層發生變化后的動作響應，②中通過增加和更改策略路由和路由規則，保證數據鏈路通暢。

3.2.2 各個鏈路實時信息打印

當設置為Debug模式的時候，程序將會打印調試信息，如圖5(a)中的③。

3.2.3 記錄情況

日志子系統記錄信息如圖5(b)所示。使用的MySQL數據庫，將對應網卡信息記錄在對應表中。圖5(b)中①顯示ipchange表記錄的是組件切換情況，②顯示pppx_link表記錄的是對應組件實時鏈路信息。

3.2.4 測試結果

經過中國鐵路總公司相關部門組織的多次測試，圖6直觀顯示出該系統的優越性。分析了帶寬數據，主要粗略劃分為幾個等級。

圖5 日志子系統記錄信息

圖6 實際測試結果

從圖中可以看出，帶寬在12 Mb/s以上的占全程的7%，其中4 Mb/s占了全程的90%以上。結果可以證明，智慧動態監測系統在高速移動的惡劣上網環境下具有較高的穩定性和可行性，通過該系統為頂層模塊提供良好的底層環境，從而為用戶提供更好的上網體驗。數據庫記錄的各個運營商鏈路狀態信息，更是為研究高速移動環境下各個運營商各種制式提供了珍貴的一手資料。

4 結束語

針對高速移動的惡劣上網環境，文中提出了一種確保高速、穩定互聯網接入的底層解決方案，即智慧動態監測系統，并詳細介紹了該系統各個子系統的設計與實現。通過各種環境下的實際測試，驗證該系統的可行性和高效性。在該系統中，多模鏈路子系統可以保證車載路由器能夠利用現有的各種異構網絡，保證多路并行傳輸；鏈路監測子系統實時監測各鏈路網絡各種參數，通告上層調度模塊，以便其能夠做出正確、合理的調度決策，更有效利用帶寬資源；日志子系統將上述信息記錄數據庫，為離線分析和靜態預測提供可能。在鐵路系統逐漸開放、高鐵事業蓬勃發展、手持移動終端越來越普遍和人們接入互聯網需求越來越迫切的今天，對企業和個人都有一樣的重要性。

[1] 彭金美.中國高速鐵路營業里程超1.6萬公里居世界第一[EB/OL].2015-01-30.http://intl.ce.cn/sjjj/qy/201501/30/t20150130_4472487.shtml.

[2] 董 平,吳 楠.高速移動中基于多接口的并行傳輸機制的設計與實現[J].中國科技論文,2014,9(7):830-833.

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[5] 蔣新華,朱 銓,鄒復民.高速鐵路3G通信的覆蓋與切換技術綜述[J].計算機應用,2012,32(9):2385-2390.

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Design and Implementation of Intelligent Dynamic Monitoring System in High-speed Environment

YUAN Chong，ZHENG Tao，DONG Ping，YAO Lin-yuan

(School of Electronic and Information Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

Because of its high-speed,economy,convenience and safety,the high-speed railway gradually becomes the first choice for people to travel.With the development of the mobile Internet and smart terminals,the demand for passengers’ access to the Internet is more and more urgent.However,surfing the Internet efficiently on the high-speed railway is still a major problem.Considering small-density of base stations and frequent handover,the intelligent dynamic monitoring system based on the existing network resources is proposed,which is designed to apply to the high-speed environment.The system contains several subsystems.The multi-path subsystem is designed to make heterogeneous network homogeneous.Through monitoring and maintaining the network state,automatically handling with the horizontal and vertical handover for network,the limited network resource utilization can be increased.The tested results in the actual high-speed railway prove that the intelligent dynamic monitoring system is feasible,practical and stable.

high-speed;mobile;intelligence;dynamic monitoring

2015-06-24

2015-09-28

時間：2016-02-18

國家“973”重點基礎研究發展計劃項目(2013CB329100)；中央高校基本科研業務費專項資金(2014JBM004，2015JBM001)；北京高等學校青年英才計劃項目(YETP0534)

袁 沖(1992-)，男，碩士，研究方向為未來高速移動互聯網；鄭 濤，講師，通訊作者，研究方向為未來高速移動互聯網。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160218.1636.068.html

TN915

A

1673-629X(2016)03-0005-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.03.002