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(huán)境下智慧動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

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(jīng)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(lián)網(wǎng)的興起使乘客隨時隨地接入互聯(lián)網(wǎng)的需求更加迫切。然而，高速移動環(huán)境下高效接入互聯(lián)網(wǎng)仍是一個重大難題。針對高鐵沿線基站覆蓋密度小、小區(qū)切換頻繁等特點，在利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源的基礎(chǔ)上，文中提出了應(yīng)用于高速環(huán)境下的智慧動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要分為幾個子系統(tǒng)，其中多模鏈路子系統(tǒng)將底層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源抽象成相同的組件，便于統(tǒng)一管理；鏈路監(jiān)測子系統(tǒng)，通過對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的監(jiān)測和維護，自動處理網(wǎng)絡(luò)的水平切換和垂直切換問題，配合其他模塊的應(yīng)用，能夠有效提高有限網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。經(jīng)多次在高鐵實際環(huán)境下的測試，系統(tǒng)具有較高的可行性、實用性和穩(wěn)定性。

高速；移動；智慧；動態(tài)監(jiān)測

1 概 述

來自鐵路部門的數(shù)據(jù)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(fā)送量超過20億人次，同比增長超10%，乘坐高鐵的人數(shù)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(qū)；鐵路新線投產(chǎn)規(guī)模創(chuàng)歷史最高紀錄，高速鐵路營業(yè)里程超過1.6萬公里，穩(wěn)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(lián)網(wǎng)的興起，智能硬件，可穿戴設(shè)備的頻頻亮相，手機、平板等手持終端設(shè)備的普及，人們隨時隨地接入互聯(lián)網(wǎng)的需求越來越迫切[2]。因此，一個高效穩(wěn)定的高速列車互聯(lián)網(wǎng)接入環(huán)境顯得尤為重要。

在經(jīng)濟效益方面，高速移動環(huán)境下接入互聯(lián)網(wǎng)很可能是下一個移動互聯(lián)網(wǎng)的“新藍?！?。鐵路系統(tǒng)的逐漸開放會給企業(yè)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(lián)網(wǎng)的廣告市場更有潛力，普通火車承載人數(shù)多，消費者的數(shù)量可能更多，兩者都具有很大的價值。僅從高速列車互聯(lián)網(wǎng)來看，預計每組車一年大概有超過100萬元的增值服務(wù)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(huán)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(zhàn)，國內(nèi)外學者進行了大量研究，也從網(wǎng)絡(luò)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(shù)包括Radio over fiber和Leaky coaxial cable技術(shù)。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(shè)在軌道的天線為列車內(nèi)部提供無線接入[8-9]。Leaky coaxial cable已經(jīng)在日本投入使用。雖然這兩種技術(shù)可以為乘客提供無線接入服務(wù)，但都無法避免高速移動產(chǎn)生的頻繁切換，并且需要高額的前期投入和維護費用。衛(wèi)星鏈路雖然能夠提供較為穩(wěn)定的接入并且極少發(fā)生切換[4]，但是鏈路相當昂貴，并且?guī)捿^其他技術(shù)明顯處于劣勢[10]。WiMAX[11]可以提供覆蓋范圍內(nèi)達到數(shù)十公里的小區(qū),但是當列車移動速度達到300 km/h時，WiMAX系統(tǒng)跨區(qū)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(shè)計的[13]，當頻繁發(fā)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(xiàn)有運營商各種制式的網(wǎng)絡(luò)，利用多宿主機解決高鐵乘客的上網(wǎng)問題。多宿主機的各個網(wǎng)絡(luò)性能(丟包率、往返時延、實時流量、信號強度等)對于調(diào)度尤為重要，尤其是在高鐵這種極其惡劣的情況下，各個網(wǎng)絡(luò)組件的指標直接影響著調(diào)度決策，從而影響機器的性能、資源的利用。

因此，文中設(shè)計適用于高速移動環(huán)境的智慧動態(tài)監(jiān)測機制。該機制設(shè)置三個子系統(tǒng)，以實現(xiàn)多宿主機穩(wěn)定支持各個運營商的各種制式網(wǎng)卡，將異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)同質(zhì)化，方便統(tǒng)一管理。

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

(2)鏈路監(jiān)測子系統(tǒng)實時監(jiān)測各個鏈路的各種參數(shù)(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(diào)度模塊，為數(shù)據(jù)流正確、高效調(diào)度提供理論依據(jù)；

(3)日志子系統(tǒng)將其他子系統(tǒng)監(jiān)測到的所有信息記錄到數(shù)據(jù)庫，為未來的數(shù)據(jù)處理研究提供依據(jù)。

2 智慧動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

智慧動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要分為三個子系統(tǒng)：多模鏈路子系統(tǒng)、鏈路監(jiān)測子系統(tǒng)、日志子系統(tǒng)。具體如圖1所示。

2.1 多模鏈路子系統(tǒng)

多模鏈路子系統(tǒng)的主要工作是保證各個運營商穩(wěn)定識別，并及時接入互聯(lián)網(wǎng)，實時監(jiān)測各個網(wǎng)絡(luò)組件接入互聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，將鏈路變化及時通告上層模塊。

具體功能包括：

(1)穩(wěn)定支持各個運營商，各種制式網(wǎng)卡；如圖2，通過驅(qū)動程序和撥號程序，將異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)同質(zhì)化，在底層抽象成相同的組件，方便上層模塊統(tǒng)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(huán)境下，跨小區(qū)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(wǎng)絡(luò)能夠使用，才能保證網(wǎng)絡(luò)不中斷，為旅客提供更好的上網(wǎng)體驗。而3G、4G網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)服務(wù)，需要系統(tǒng)支持各個運營商各個制式的異構(gòu)接入技術(shù)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 驅(qū)動流程

(2)保證各個網(wǎng)絡(luò)組件在滿足條件的情況下，及時接入互聯(lián)網(wǎng)。設(shè)計一套監(jiān)測機制，定時監(jiān)測對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)組件是否接入互聯(lián)網(wǎng)。

(3)實時監(jiān)測各個網(wǎng)絡(luò)組件跨小區(qū)切換情況，在(2)中只是保證二層連接接入互聯(lián)網(wǎng)，但是真正要實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)流傳輸，還需要利用高級路由功能，合理設(shè)置路由規(guī)則才能實現(xiàn)。因此需要子系統(tǒng)去實時監(jiān)測網(wǎng)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(yīng)路由策略，保證三層數(shù)據(jù)鏈路通暢。其中監(jiān)測機制有兩種實現(xiàn)方式：

①定時監(jiān)測機制，設(shè)置一個鏈表定時檢測對比，查看對應(yīng)網(wǎng)卡IP是否發(fā)生變化；

②通過Netlink通告機制，捕獲內(nèi)核網(wǎng)卡狀態(tài)變化通告。

二者各有利弊。前者通過主動監(jiān)測方式，對于各種制式、多樣性的網(wǎng)卡具有普適性，但是監(jiān)測延遲會有幾十毫秒；后者通過被動接收內(nèi)核通告，快速、響應(yīng)時延小，但是不同的網(wǎng)卡狀態(tài)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(diào)度決策的正確性和有效性，并將變化情況記錄數(shù)據(jù)庫。

2.2 鏈路監(jiān)測子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)主要功能是為了實時監(jiān)測各個網(wǎng)絡(luò)組件的鏈路狀態(tài)，為上層模塊各種調(diào)度策略提供決策依據(jù)，從而進行負載均衡、合理有效利用帶寬資源。該部分架構(gòu)如圖3所示。

具體功能包括：

(1)統(tǒng)計各個網(wǎng)絡(luò)組件的RTT和丟包率。該子系統(tǒng)會為每個網(wǎng)絡(luò)組件分配一個線程，該線程會定時發(fā)送所屬網(wǎng)絡(luò)組件心跳包，該心跳包經(jīng)過上網(wǎng)的多模鏈路子系統(tǒng)路由策略匹配和查找后，會從對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)組件數(shù)據(jù)通路發(fā)送出去，經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)到達地面服務(wù)器，然后地面服務(wù)器響應(yīng)對應(yīng)心跳包，經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)由對應(yīng)網(wǎng)卡接收。當各個線程收到自己的心跳包時計算出RTT，定時統(tǒng)計下該段時間內(nèi)平均RTT、抖動和丟包率。

(2)獲取各個網(wǎng)絡(luò)組件實時的RSSI和GPS。在底層，每個網(wǎng)絡(luò)組件都會識別成幾個串口設(shè)備，每個串口設(shè)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(wǎng)絡(luò)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(jiān)測子系統(tǒng)架構(gòu)

(3)實時流Z監(jiān)測。對多宿主機每個網(wǎng)絡(luò)組件不同時間片內(nèi)的流入和流出速度進行統(tǒng)計計算。定時將上述鏈路狀態(tài)信息通告給上層模塊，使其根據(jù)鏈路狀況，完成調(diào)度決策。

2.3 日志子系統(tǒng)

日志子系統(tǒng)的功能是利用MySQL數(shù)據(jù)庫存儲上述兩個子系統(tǒng)實時信息，以保證離線分析功能，為以后靜態(tài)預測提供依據(jù)。

具體功能包括：

(1)ipchange數(shù)據(jù)表記錄每個網(wǎng)卡IP地址變化情況，包括網(wǎng)卡名稱、發(fā)生變化的經(jīng)緯度，變化前的IP地址、變化后的IP地址、網(wǎng)卡網(wǎng)關(guān)以及變化發(fā)生時間。

(2)pppX_link數(shù)據(jù)表記錄每個網(wǎng)卡在線狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)制式、記錄時間、記錄時刻的經(jīng)緯度、實時RTT、平均RTT、丟包率、抖動、收包速度、發(fā)包速度等。

3 智慧動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)部署與測試

該系統(tǒng)已經(jīng)部署在實際設(shè)備上，如圖4所示。經(jīng)過包括地面靜態(tài)測試、市內(nèi)汽車測試和高鐵實際情景的多次測試，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定支持各個運營商9個無線網(wǎng)卡同時工作。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠為高速移動環(huán)境下的用戶提供高帶寬、穩(wěn)定的上網(wǎng)環(huán)境。

圖4 系統(tǒng)原型設(shè)備

3.1 系統(tǒng)部署

由于系統(tǒng)軟件用C語言編寫，并沒有依賴第三方庫，因此系統(tǒng)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(tǒng)高效且易于安裝，曾經(jīng)運行在Fedora10、Fedora14系統(tǒng)上，目前在廣被使用的Ubuntu12.04上穩(wěn)定運行；數(shù)據(jù)庫采用MySQL，借助系統(tǒng)的udev和iproute2模塊配合使用。

3.2 實際測試

3.2.1 當發(fā)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(fā)生小區(qū)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(wǎng)絡(luò)層發(fā)生變化后的動作響應(yīng)，②中通過增加和更改策略路由和路由規(guī)則，保證數(shù)據(jù)鏈路通暢。

3.2.2 各個鏈路實時信息打印

當設(shè)置為Debug模式的時候，程序?qū)蛴≌{(diào)試信息，如圖5(a)中的③。

3.2.3 記錄情況

日志子系統(tǒng)記錄信息如圖5(b)所示。使用的MySQL數(shù)據(jù)庫，將對應(yīng)網(wǎng)卡信息記錄在對應(yīng)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(yīng)組件實時鏈路信息。

3.2.4 測試結(jié)果

經(jīng)過中國鐵路總公司相關(guān)部門組織的多次測試，圖6直觀顯示出該系統(tǒng)的優(yōu)越性。分析了帶寬數(shù)據(jù)，主要粗略劃分為幾個等級。

圖5 日志子系統(tǒng)記錄信息

圖6 實際測試結(jié)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(jié)果可以證明，智慧動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在高速移動的惡劣上網(wǎng)環(huán)境下具有較高的穩(wěn)定性和可行性，通過該系統(tǒng)為頂層模塊提供良好的底層環(huán)境，從而為用戶提供更好的上網(wǎng)體驗。數(shù)據(jù)庫記錄的各個運營商鏈路狀態(tài)信息，更是為研究高速移動環(huán)境下各個運營商各種制式提供了珍貴的一手資料。

4 結(jié)束語

針對高速移動的惡劣上網(wǎng)環(huán)境，文中提出了一種確保高速、穩(wěn)定互聯(lián)網(wǎng)接入的底層解決方案，即智慧動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，并詳細介紹了該系統(tǒng)各個子系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。通過各種環(huán)境下的實際測試，驗證該系統(tǒng)的可行性和高效性。在該系統(tǒng)中，多模鏈路子系統(tǒng)可以保證車載路由器能夠利用現(xiàn)有的各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，保證多路并行傳輸；鏈路監(jiān)測子系統(tǒng)實時監(jiān)測各鏈路網(wǎng)絡(luò)各種參數(shù)，通告上層調(diào)度模塊，以便其能夠做出正確、合理的調(diào)度決策，更有效利用帶寬資源；日志子系統(tǒng)將上述信息記錄數(shù)據(jù)庫，為離線分析和靜態(tài)預測提供可能。在鐵路系統(tǒng)逐漸開放、高鐵事業(yè)蓬勃發(fā)展、手持移動終端越來越普遍和人們接入互聯(lián)網(wǎng)需求越來越迫切的今天，對企業(yè)和個人都有一樣的重要性。

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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(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2013CB329100)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)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(lián)網(wǎng)；鄭 濤，講師，通訊作者，研究方向為未來高速移動互聯(lián)網(wǎng)。

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