地鐵系統(tǒng)WiFi通信中的漫游與切換設(shè)計

李向莉

摘要：解決地鐵乘客的高質(zhì)量移動通信問題，是現(xiàn)代地鐵的重要研究課題之一。地鐵系統(tǒng)是一個封閉環(huán)境，地鐵無線通信系統(tǒng)中信號較為強烈，但由于地鐵處于運動之中，數(shù)據(jù)的切換和鏈接成為影響用戶通信質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。從數(shù)據(jù)通信設(shè)備STA在地鐵無線通信系統(tǒng)中移動與切換的適用性和局限性出發(fā)，研究切換數(shù)據(jù)損耗、響應(yīng)時間、資源分配與消耗、移動和漫游協(xié)議等，分析各個模塊功能，并對其進行比較分析，以選擇一個適應(yīng)地鐵系統(tǒng)的最佳設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：地鐵系統(tǒng)；STA；WiFi；切換鏈接；移動漫游

DOIDOI：10.11907/rjdk.151749

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號文章編號：16727800（2015）008017603

1 地鐵系統(tǒng)無線通信

高速運行的地鐵列車與車下管理機構(gòu)之間的通信主要依靠無線通信系統(tǒng)，其主要作用是保障地鐵列車運行安全，提高運行效率，同時方便乘客進行各類通信，包括視頻通信、語音通信、數(shù)據(jù)通信等，并實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化管理，確保列車司機及其他工作人員掌握各地鐵站候車情況。因此，為了滿足上述需求，地鐵無線通信系統(tǒng)必須具備數(shù)據(jù)容量大和傳輸速度快兩個條件。

國內(nèi)地鐵系統(tǒng)使用的無線通信技術(shù)包括列車控制無線通信系統(tǒng)、專用無線通信系統(tǒng)和商用無線通信系統(tǒng)3部分。列車控制無線通信系統(tǒng)主要用于監(jiān)測列車的運行狀態(tài)，控制地鐵列車運行速度及列車間的行駛狀態(tài)，防止列車發(fā)生碰撞；專用無線通信系統(tǒng)主要用于地鐵的運營、生產(chǎn)、調(diào)度指揮、車輛段站場、維護等部門之間的相互聯(lián)系；商用無線通信系統(tǒng)主要用于GSM、CDMA、3G、4G、QQ、微信、電子郵件等移動信號的覆蓋與使用等[1]。隨著人們生活水平的提高及移動通信的發(fā)展，人們對乘坐地鐵的舒適性和通信要求越來越高，并要求在乘坐地鐵時能方便地使用WiFi。

另外，為了確保地鐵的安全運行，地鐵監(jiān)控中心要實時監(jiān)測地鐵車廂中的溫度、濕度、乘客狀態(tài)等參數(shù)，以及地鐵站臺的情況[3]。無線通信漫游和數(shù)據(jù)交換是實現(xiàn)遠程監(jiān)控和地鐵管理的重要途徑，可將各種參數(shù)實時發(fā)送到地鐵監(jiān)控中心，以便工作人員隨時監(jiān)控地鐵的運行狀態(tài)。

2 地鐵移動節(jié)點切換問題

移動通信中切換質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系到通信信號的連續(xù)性。因此，研究地鐵通信，首先需要分析切換問題。

在圖1中，將STAPC和STA作為一個整體，其功能與移動節(jié)點功能相同，可以由下列幾部分組成：PC機、路由器、交換機和無線設(shè)備AP，其組成的局域網(wǎng)絡(luò)在范圍上是有限的。因此，地鐵監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)為了切換方便、快捷穩(wěn)定，必須由子網(wǎng)構(gòu)成。地鐵列車在運行時，在任何時間、地點，都能與網(wǎng)絡(luò)中的某一臺PC機保持雙向通信[4]。

圖1 移動節(jié)點STAPC、STA的切換

在地鐵通信時，任意一臺主機必須具備發(fā)送源地址數(shù)據(jù)包的功能，即中心計算機STAPC與任一臺PC機通信時，PC機必須知道中心計算機的IP地址。數(shù)據(jù)進行傳輸時，要經(jīng)過發(fā)送、中繼、接收幾個階段。其中要經(jīng)過多次中繼，每個中繼站由一個路由器或一臺主機構(gòu)成，并將數(shù)據(jù)包傳輸給下一個路由器或主機，IP地址在這里相當(dāng)于投送目的地[5]。

但當(dāng)傳輸大數(shù)據(jù)時，可能因為沒有提示而丟掉一些數(shù)據(jù)包。根據(jù)TCP通信協(xié)議，當(dāng)遇到大數(shù)據(jù)時，可以將其分解成N個小數(shù)據(jù)包，每個小數(shù)據(jù)包都有自己的傳輸目的地IP地址。這樣，小數(shù)據(jù)包可以通過不同路徑傳送。小數(shù)據(jù)包在傳輸時不會出現(xiàn)丟包情況，或者丟包概率小。小數(shù)據(jù)包到達目的地時，會重新按原來大數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)排列。但在傳輸中途，不允許對小數(shù)據(jù)包排列組合。

由于地鐵列車在快速移動，其物理位置處于不斷變化中，乘客的移動通信和監(jiān)控中心所需的列車信息在不斷變換子網(wǎng)。根據(jù)數(shù)據(jù)包傳送規(guī)則，地鐵列車的位置處于A子網(wǎng)中時，其無線通信設(shè)備STA無線端口的IP地址屬于子網(wǎng)A。此時，發(fā)往管理計算機STAPC的數(shù)據(jù)包被發(fā)送到子網(wǎng)A，被無線通信設(shè)備STA收到后，才能轉(zhuǎn)發(fā)給STAPC。當(dāng)?shù)罔F列車運行至B子網(wǎng)或C子網(wǎng)位置時，發(fā)送的數(shù)據(jù)包目的地網(wǎng)址依然是原來在位置A時的IP地址，此時若仍然將數(shù)據(jù)向子網(wǎng)A發(fā)送，數(shù)據(jù)包則無法被中心計算機STAPC接收，因此需要進行無線鏈路的跨子網(wǎng)切換。

無線通信的切換過程如下：地鐵列車在行進中，其物理位置不斷變化，不僅跨網(wǎng)移動，在同一子網(wǎng)中也在不斷運動。在同一子網(wǎng)內(nèi)，地鐵列車上無線通信STA設(shè)備只與一個無線訪問點之間保持通信。因此，必須分析STA在子網(wǎng)內(nèi)兩點間的切換。圖2為地鐵列車上無線通信在子網(wǎng)內(nèi)的移動示意圖。

圖2 STA在子網(wǎng)內(nèi)的AP切換

AP是鏈接地鐵列車上無線設(shè)備STA與隧道內(nèi)有線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，也用于組建無線局域網(wǎng)。其固定于隧道內(nèi)，假定編號分別是AP1、AP2、…APi…APn。當(dāng)?shù)罔F列車接近AP1時，地鐵列車上車載的無線通信STA設(shè)備也接近AP1，當(dāng)STA探測到AP1的信號強度大于任一APi，且大于STA的閾值時，地鐵列車上無線設(shè)備SAT與隧道內(nèi)的AP建立鏈接，而與其它的APi不建立聯(lián)系。假定地鐵列車從AP1向AP2移動，當(dāng)探測到AP2與地鐵上STA之間的信號大于AP1時，STA將與AP2建立鏈接，并切斷與AP1之間的聯(lián)系，這就是網(wǎng)內(nèi)切換的過程，但在802.11b協(xié)議規(guī)范中稱為移動[5]。

3 地鐵通信系統(tǒng)移動和漫游協(xié)議

802.11是IEEE（國際電工電子工程學(xué)會）在1997年為無線局域網(wǎng)（Wireless LAN）定義的一個工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)通信標準，并在此后進行不斷地補充和完善，形成802.11x標準系列。它是目前工業(yè)無線局域網(wǎng)的主流標準，也是WiFi的技術(shù)基礎(chǔ)。其工作在2.4GHz頻段，網(wǎng)速可達600Mbps。

根據(jù)802.11b的定義，跨網(wǎng)切換被稱為漫游，網(wǎng)內(nèi)切換被稱為移動。移動和漫游協(xié)議的核心思想是移動節(jié)點（STA和STAPC）向用戶所在的服務(wù)器登記當(dāng)前的所在位置，然后建立用戶所在服務(wù)器與移動節(jié)點所屬區(qū)域中的外地代理服務(wù)器鏈接，形成數(shù)據(jù)包傳遞[6]。

4 地鐵通信系統(tǒng)移動節(jié)點模塊設(shè)計

管理計算機STAPC與地鐵列車上的STA構(gòu)成地鐵通信中一個子系統(tǒng)，從移動性和功能性兩方面看，可視為一個兩端口的移動節(jié)點，這兩個端口分別為有線端口和無線端口。通過將移動節(jié)點和有線端口進行聯(lián)結(jié)，構(gòu)成鏈路[7]，從而實現(xiàn)管理計算機和地鐵列車的STA鏈接。圖3是地鐵列車上的無線移動設(shè)備在子網(wǎng)中的移動示意圖[8]。

圖3 地鐵列車上的STA移動

地鐵列車上的漫游和移動通信協(xié)議中，管理計算機STAPC與地鐵列車上的STA構(gòu)成的移動節(jié)點應(yīng)具備以下功能：①告知位置功能：告知用戶注冊代理所在位置。②默認新網(wǎng)關(guān)：當(dāng)移動節(jié)點位置發(fā)生變化時，及時更新網(wǎng)關(guān)；③注冊信息：注冊信息至少包含訪問端口的IP地址。

5 隧道管理模塊設(shè)計

用戶在家鄉(xiāng)代理和外地代理之間建立鏈接，這種鏈接又稱為隧道。伴隨著用戶的移動，其移動節(jié)點也不斷發(fā)生變化。當(dāng)用戶在移動過程中，新的隧道（鏈接）會不斷更新、建立，舊的隧道（鏈接）會被不斷地拆除[9]。當(dāng)移動節(jié)點很多時，隧道（鏈接）相關(guān)的處理則變得比較復(fù)雜。隧道（鏈接）的處理主要分為隧道（鏈接）的創(chuàng)建和拆除[10]。圖4是隧道（鏈接）創(chuàng)建過程示意圖[11]。

為了減輕移動式路由問題，采用動態(tài)家鄉(xiāng)代理模式為用戶代理服務(wù)。因此，設(shè)計了家鄉(xiāng)動態(tài)代理模型。根據(jù)IETF RFC 2002規(guī)定，動態(tài)代理模型實現(xiàn)了家鄉(xiāng)與移動路由器之間的數(shù)據(jù)交換和密鑰交換。實踐表明，此方法運行安全可靠。在移動用戶中，移動節(jié)點路由器可由外地代理進行服務(wù)，以實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)、不同地點的移動地址和通信數(shù)據(jù)交換。

圖4 隧道（鏈接）創(chuàng)建過程

6 結(jié)語

分析了地鐵系統(tǒng)WiFi通信中移動和漫游協(xié)議的設(shè)計

構(gòu)思，闡述了各個功能模塊在設(shè)計過程中存在的問題，并根據(jù)移動和漫游的工作原理及國際電工電子學(xué)會的規(guī)范要求，給出了解決方案。方案在實際應(yīng)用中得到了驗證，效果較好，取得了良好的社會和經(jīng)濟效益。

參考文獻：

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（責(zé)任編輯：黃 ?。?