智慧城軌無線通信組網應用研究

趙 帥

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266112）

0 引言

短距離無線通信技術（Wireless Communication）是利用電磁波信號可以在自由空間內傳播的特性，進行信息交換的一種通信方式。目前主流的無線通信技術有紅外、藍牙、ZigBee、WiFi 等，免費的無線信號頻段有315 MHz、433 MHz、470 MHz 和2.4 GHz 頻段等。

（1）紅外是短距離無線通信方式的一種，其特征是點對點無線傳輸，但距離不能太遠，且要對準方向，中間不能有障礙物。

（2）藍牙是一種使設備支持短距離通信（一般在10 m 以內）的無線電技術。藍牙采用分散式網絡結構以及快跳頻和短包技術，支持點對點和點對多點通信方式，其數據速率為1 Mbps。采用時分雙工實現全雙工傳輸。

（3）WiFi 是一種可以將個人電腦、手持設備（PDA、手機）等終端以無線方式互相連接的技術。

（4）433 MHz、470 MHz 和2.4 GHz 無線數據傳輸，因其簡單高效而被廣泛應用于各種監控、遙測、無線485 數據通信、無線數據采集、遙控、無線組網車輛等領域。

隨著我國城市人口和經濟的快速增長，國家對公共建設政策措施的強力推動，我國城市軌道交通建設已經進入了一個快速發展階段。城市軌道車輛車門系統在輕軌與地鐵車輛運營過程中扮演著及其重要的角色。車門形式的設計，車門開關的系統結構以及加工制造與控制系統都直接影響著城市軌道車輛的安全運營。采用短距離無線通信技術對軌道車輛車門系統運行參數的實時傳輸與匯集，進而實現對其運行狀況的實時監控。在實際運營的地鐵上，較短距離（10 m 以內）的信息傳輸可以采用紅外、藍牙、WiFi、470/433 MHz和2.4 GHz 頻段，但如果實現中遠距離的信息傳輸，要求無線通信距離盡可能遠，這種情況下只能選用470/433 MHz 頻段和2.4 GHz 頻段的無線信號傳輸方式。

1 無線組網技術

1.1 網絡節點類型

短距離無線通信設備的網絡節點類型有3 種，分別是中心節點（Coordinator）、中繼路由（Router）和終端節點（End Device）。

（1）中心節點，又稱網絡協調器，它包含所有的網絡信息，是3 種設備類型中最復雜的一種。其發送網絡信標、建立和維護一個網絡、管理網絡節點、尋找一對節點間的路由信息，不斷地接收信息。即使中心節點掉電，中繼路由仍然保持網絡，因此中繼路由與中繼路由之間仍然能夠通信，即使中心節點掉電，當有新的節點加入時，仍然能夠通過現有的中繼路由組建網絡，加入網絡。

（2）中繼路由，又稱全功能設備（FFD），可以擔任網絡協調器，維護整個網絡的正常運行，形成網絡，讓其他的中繼路由或者精簡功能裝置（RFD）連接，中繼路由具備控制器功能，起到數據的轉發功能和自動尋找最捷徑的路由表，也能用作終端設備。

（3）終端節點，又稱精簡功能設備（RFD），附帶有限的功能來控制成本和復雜性，在網絡中通常用作終端設備。通常定義為電池供電設備，可周期性喚醒并執行設定的任務，終端節點通常在周期性醒來時，檢索自己的父節點是否傳輸給自己的數據，并執行設定的任務。

1.2 無線組網模型

結合無線通信設備的三種網絡節點類型，其無線組網模型主要有三種：星狀網絡、樹狀網絡和網狀網絡（對等網，無中心）。

（1）星狀網絡模型：由一個中心節點和若干個終端節點組成，中心節點與終端節點直接進行數據的交互，無需中繼路由，其組網方式如圖1 所示。該網絡模型結構簡單，數據傳輸效率較高，但網絡擴展性差，距離有限。

圖1 星狀網絡結構示意

（2）樹狀網絡模型：由一個中心節點、若干個中繼路由和若干個終端節點共同組成，路由節點通過路由算法管理相應的終端節點，中心節點與終端節點之間的信息交互可以通過中繼路由進行轉發，也可以直接進行數據交互。具有擴展性較強、傳輸距離較長、抗干擾性強等優點。但可能會增加數據傳輸的時間，從而降低數據傳輸的速率。其結構如圖2 所示。

圖2 樹狀網絡結構示意

（3）網狀網絡模型：只有路由節點組成的網絡模型，相鄰節點之間能夠進行數據交互，無中心節點自治網絡。其優點是可靠性高、資源管理性優越等。網狀網絡結構如圖3 所示。

圖3 網狀網絡結構示意

2 中繼路由的功能

中繼路由是網絡的中間設備，在網絡中扮演著重要的角色，其可以選擇已有的網絡加入，入網后可以允許其他設備加入或者離開網絡，具有路由、啟動路由發現和路由修復功能，每一個無線網絡中可以有多個路由器。短距離無線通信網絡具有自組網和多跳功能，其中最關鍵的技術是路由和路由發現，路由器具備的這些功能都是通過路由算法來實現的。

中繼路由采用AODV（Ad hoc On Demand Distance Vetor，源驅動路由協議）算法，也稱為按需矢量算法。每一個路由器維護一張路由表，并定期與其相鄰的路由器交換路由信息，根據最小路由矢量更新自己的路由表。表中存儲的路由信息包括目標地址（destination address）、下一跳地址（next hop address）和該條目狀態（status）。狀態包括活動（active）、非活動（inactive）、路由發現中（under discover）和路由發現失敗（discover failed）。路由算法邏輯如圖4 所示。

圖4 路由算法

網絡層接收到的數據幀來自應用層，則首先判斷是否是廣播信息，即該數據幀是否傳輸給網絡中的所有節點，若是，則按照廣播信息的處理規則轉發信息，若數據幀來自下層則在廣播的同時將數據幀上傳到上一層。如果不是廣播地址，則將目標地址與自己的網絡地址比較，相等則上傳到應用層，不等則判斷目標地址是否是自己的一個終端子設備的地址，如果是，則直接路由到目標設備。否則，如果該設備不具備路由能力，而nwkUseTreeRouting=true 則按照樹結構路徑轉發數據，否則丟棄該數據幀。

3 地鐵內無線組網方式研究

將短距離無線通信技術應用于實際運營的地鐵車輛上，必須將地鐵運營的實際環境和所選無線設備的性能相結合進行考慮，地鐵內的金屬屏蔽，人群的干擾以及其他電子設備發出的無線干擾信號等因素，這些就要求無線設備具有較好的穿透力，盡量避開其他通用電子設備的無線頻段。綜合考慮上述因素，本文將選用470 MHz 無線通信設備作為地鐵內數據傳輸的無線設備，其組網方式初步確定選用樹狀網絡模型。

3.1 無線傳輸性能測試

3.1.1 測試條件

無線通信設備串口波特率為115 200 bps，串口超時時間為2.2 s，數據幀大小為200 字節，幀與幀的發送間隔為2.2 s，32 幀作為1 包，共發送2 包，包與包發送間隔為5 s。環境分為遠距離測試（30 m 間隔呈一字排列）和短距離測試（辦公室環境），組網方式為樹狀網絡模型。

3.1.2 測試結果

8 個路由節點（兼終端設備功能）同時向中心節點發送數據，在遠距離和近距離兩種環境下，其丟包情況基本穩定在0%，數據傳輸時間基本在71 s 左右（表1）。當路由節點（兼終端設備功能）達到10～12 個，開始出現丟包情況，且隨著節點數的增加丟包情況也隨之嚴重，但其傳輸時間基本穩定在71 s 左右。若將數據幀的大小減小，相應的可以改善丟包率的情況，但數據的傳輸時間將會翻倍增加。

表1 無線通信傳輸性能試驗測試結果

3.1.3 測試結論

測試結果表明，如果利用短距離無線通信技術在地鐵內進行數據傳輸，且傳輸的數據量較大時，其網絡模型的選擇和路由節點（兼終端設備功能）對整傳輸網絡有著重大影響。基于測試結果，本文提出一種適用于地鐵內數據傳輸的組網方式。

3.2 組網方案設計

地鐵的結構組成：以南京地鐵為例，南京地鐵為A 型車，其車輛有6 節車廂，每節車廂有10 個門，分布在兩側，每側5 個門，車廂長度為22 m，車輛總長為140 m，車廂內車門等距離分布（4 m 左右），若在每個車門系統上安裝一臺無線通信設備，其安裝位置必須在金屬屏蔽罩內，且車廂與車廂之間的外殼內部不相通，中心節點安裝在車輛的中心位置。

方案1：單網絡主動上報組網方式。采用兩個中心節點，每個中心節點管理1/2 列車輛的無線設備（30個），由于地鐵實際運行過程中到站只開一側車門，所以每個中心節點每次只需要管理15 個路由節點（兼終端設備功能），這樣當一側的設備工作時，另一側的設備不進入休眠狀態，該側設備可以起到路由功能，這在一定程度上提高了數據傳輸的質量。圖5 所示為1/2 列車廂，中心節點1 代表網絡編號為1 的網絡協調器。

圖5 單網絡主動上報節點分布示意（1/2 列車為單位）

方案解析：該方案采用15 個節點同時向中心節點上報數據，其中每個發送設備需要配置為中繼路由節點（兼終端節點功能），其數據傳輸的路徑如圖5 中箭頭所示，這條傳輸路線只是隨機產生的一條，可能是環境最惡劣的條件下的傳輸路線，假如環境條件較好，也有可能在最左邊的無線設備直接傳輸至中心節點。根據測試結果可知其傳輸時間為71～80 s，該方案需要發送節點在本地將發送的數據按照表格形式存儲起來，數據上報結束后，中心節點設備進行表格查詢，將丟掉的數據幀進行重新發送，進行逐個補漏。該方案組網結構簡單，但需要強大的軟件功能配合實現，其主要工作重點是MCU 軟件的處理部分。

方案2：多網絡跳躍交叉組網方式。以實際測試的無線設備為例，存在8 個點同時向中心節點傳輸數據時其丟包率基本可以穩定在0%附近。結合整列地鐵的門數量，該方案采用4個中心節點組成4 個網絡，每個網絡管理15 個門系統的設備，因為列車運行是單側開關門，所以實際上每個網絡里每次只有7 個或者8 個設備同時工作，而另外的設備不進入休眠狀態，起到路由轉發和路由修復的功能。其節點分布如圖6 所示，其中中心節點1 為1 號網絡，依次類推，圖中所示的匯集設備上的中心節點可以按照實際的環境進行分布。

圖6 多網絡跳躍交叉組網方式示意（1/2 列車為單位）

方案解析：該方案側重于利用短距離無線通信設備中繼路由的性能進行網絡的拓展和數據的傳輸，路由算法AODV（按需矢量算法）可通過RSSI（Received Signal Strength Indication）進行無線信號強度的評估，進而優化無線數據傳輸的路徑（圖6）。以3 號網絡的傳輸路線為例，其可能是在環境最惡劣的情況下的傳輸路線，若環境較好，可能從左邊第1 節車廂直接通過第2 節車廂的路由進行轉發或者直接傳輸至中心節點，不經過路由轉發。結合軟件重發機制的配合，該方案可以保證數據傳輸的質量與傳輸效率，但是需要在匯集設備端進行大量的硬件設計工作。

方案3：多網絡匯集雙天線跳躍組網方式。該方案最大特點在于以每個車廂為一個組網單位，并增加一個匯集設備，匯集設備上設計兩種節點，如圖7 所示，匯集節點作為本節車廂的數據匯集中心，另一個路由節點（兼終端節點功能）與中心節點組成網絡，其匯集節點的功能在于將數據匯總后再做發送處理，其中匯集設備兼有采集設備的功能。考慮的地鐵運行環境的復雜性，該方案需要在每節車廂放置一個路由節點（標注為2 號網），該節點只對它進行供電，使其只具有路由轉發功能。

圖7 多網絡匯集雙天線跳躍組網方式示意（1/2 列車為單位）

方案解析：結合地鐵環境的復雜性，該方案采用“小網絡匯集，大網絡傳輸”的形式進行整列車的數據傳輸。小網絡匯集：一個匯集設備管理10 個節點，因為地鐵門為單側工作，因而每次列車到站只有5 個節點在工作，這樣在較短距離內保證了數據傳輸的穩定性與可靠性；大網絡傳輸：一節車廂組成兩個大網，2 號網和5 號網，因為一列地鐵一共只有6 節車廂，每個大網每次只有6 個節點同時傳輸數據，為了避免長距離及其他干擾造成大網絡的傳輸性能下降，可以在數據傳輸的路線經過的車廂中間再布置一個路由節點，如圖7 中的2 號網絡路由節點，這樣可以避免多個節點同時發送而造成的數據碰撞。該方案綜合考慮了地鐵環境的復雜性和短距離無線通信技術的優缺點，其可行性較高。該方案較其他方案的缺點是大大延遲了數據傳輸的時間，但是可以通過軟件給整個傳輸系統增加一定的數據處理機制來彌補這一缺陷。

4 結束語

短距離無線通信技術的發展已經步入較為成熟的階段，本文針對地鐵環境的復雜性以及大數據量的傳輸要求，將短距離無線通信技術應用到地鐵車廂內的數據交互中，在此環境下的組網方式必須打破以往的傳統方式。本文介紹的組網方式不僅適用于地鐵環境，也可應用到其他環境較為復雜的領域。