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)量的關鍵技術。從數(shù)據(jù)通信設備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，以選擇一個適應地鐵系統(tǒng)的最佳設計方案。

關鍵詞：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、交換機和無線設備AP，其組成的局域網(wǎng)絡在范圍上是有限的。因此，地鐵監(jiān)控網(wǎng)絡為了切換方便、快捷穩(wěn)定，必須由子網(wǎng)構成。地鐵列車在運行時，在任何時間、地點，都能與網(wǎng)絡中的某一臺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地址在這里相當于投送目的地[5]。

但當傳輸大數(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)包的結構排列。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，被無線通信設備STA收到后，才能轉(zhuǎn)發(fā)給STAPC。當?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備STA與隧道內(nèi)有線網(wǎng)絡的設備，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?shù)罔F列車接近AP1時，地鐵列車上車載的無線通信STA設備也接近AP1，當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的技術基礎。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）向用戶所在的服務器登記當前的所在位置，然后建立用戶所在服務器與移動節(jié)點所屬區(qū)域中的外地代理服務器鏈接，形成數(shù)據(jù)包傳遞[6]。

4 地鐵通信系統(tǒng)移動節(jié)點模塊設計

管理計算機STAPC與地鐵列車上的STA構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，構成鏈路[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構成的移動節(jié)點應具備以下功能：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：當移動節(jié)點位置發(fā)生變化時，及時更新網(wǎng)關；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]。當移動節(jié)點很多時，隧道（鏈接）相關的處理則變得比較復雜。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。因此，設計了家鄉(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，以實現(xiàn)不同網(wǎng)絡、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 結語

分析了地鐵系統(tǒng)WiFi通信中移動和漫游協(xié)議的設計

構思，闡述了各個功能模塊在設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會的規(guī)范要求，給出了解決方案。方案在實際應用中得到了驗證，效果較好，取得了良好的社會和經(jīng)濟效益。

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[11] 張建國.地鐵無線通信系統(tǒng)漏纜工程全過程質(zhì)量控制[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2007（5）：2225.

（責任編輯：黃 ?。?