城市轨道交通CBTC车地无线通信快速切换算法研究

李高科，吴 卉，蔡晓蕾

（中国铁道科学研究院电子计算技术研究所，北京100081）

随着基于通信的列车控制 （CBTC）移动闭塞系统的应用，信号系统的持续改进是推动列车提速、保障行驶安全的关键技术。与传统固定闭塞、准移动闭塞相比，基于无线通信的移动闭塞系统通过部署在列车上以及轨道旁的无线设备，实现了车、地间不中断的双向通信，控制中心可以根据列车实时的速度和位置动态计算和调整列车的最大制动距离，两个相邻列车能以很小的间隔同时前进，从而提高运营效率。

1 传统WLAN的越区切换方式

1.1 AP的物理组成与逻辑结构

无线接入点（AP）是一个具有WLAN接口和以太网接口的嵌入式系统，其作为连接CBTC系统中数据通信系统（DCS）有线骨干网络和无线网络的桥梁，一方面要通过WLAN的无线接口与车载WBG（Work Group Bridge）通信，同时还必须通过交换机与DCS骨干网上的其他接入点传递信息。操作系统选用Vxworks或Linux，CPU一般采用X86系列或PXA250，处理器具备与用于存储AP核心固件的FLASH存储器接口和用于存储缓存AP在通信和管理中处理各种数据的SDRAM存储器，两者通过共享数据总线和地址总线与CPU进行通信，无线AP的物理组成如图1。

图1 无线AP物理组成

AP 提供的2种接口，允许接入内部参数进行配置和监控：HTTP、SNMP或JTAG。

AP的逻辑组成模块及功能如图2。

图2 无线AP逻辑组成框图

（1）时钟同步模块，以主被动扫描的方式收发信标帧和探询帧，完成本地时钟同步；（2）管理模块，包括联结、认证、越区切换和节能的管理；（3）帧格式转换模块，完成IEEE802.3有线帧和IEEE802.11无线帧的格式转换；（4）桥接模块，完成数据帧到BSS桥接过程。

1.2 传统WLAN越区切换方式

在传统的802.11标准的无线局域网中，当车载WGB从一个AP覆盖区移动到另一个AP覆盖区域时，需要发生越区切换的操作过程。整个过程主要分为扫描、认证和重新关联。传统越区切换模型如图3。

图3 传统越区切换模型

（1） 移动台MN根据当前的无线网络状况判断是否需要进行越区切换，如需切换则要确定切换的目标无线接入点。

（2）MN向目标AP发出认证请求，目标AP根据其配置情况对MN的合法身份进行验证。如果MN能够认证回应帧，表示认证成功，经过认证的移动终端具有接入目标AP的资格。

（3）MN向目标AP发出联结请求，目标AP置MN状态为已连接并构造联结回应帧。

（4）在收到目标AP的成功状态的联结回应后，MN向当前AP发出中止联结通知。在接收到MN的中止联结通知后，当前AP将MN从其管理的移动站列表中删除，并停止为MN转发和缓存网络数据包，目标AP使用某种机制通知系统中的其它主机MN现在通过目标AP转发网络流量。至此，MN从AP1向AP2的越区切换过程结束。

在上述越区切换过程中，越区切换的操作决定权在于移动台MN，同时需要2个AP之间配合，及时将MN所在的服务区域的变化通告路由设备，MN越区切换算法、AP之间及AP与有线骨干网络之间的通告机制对切换的性能有很大影响。

1.3 传统越区切换算法

从以上切换流程可以看出，AP的认证变量（未认证：0；已认证：1）和联结变量（未联结：0；已联结：1）决定了AP的3种状态（00,10,11）。

（1）AP以固定的时间间隔广播信标消息，MN周期性的通过这些信标监测它所联结AP接收信号强度（RSS），并将这些参数存储为一个数组，由数组计算出当前AP1的信号电平RSS的平均值μ和方差σ。（2）如果u＞Pmin+2σ（Pmin为满足MN接受要求的最低信号电平值）则不进行越区切换操作，回到S1（状态：11）；反之，则开始准备切换启动（状态：00）。（3）MN将在相邻频道上搜索到的其他AP信标消息同样建立数组，其中RSS值最大者记为RSSmax，if:RSSmax>(u+λσ)则执行越区切换，MN拟重新联结RSSmax对应的AP2（MN状态：00）。（4）MN利用接入控制服务在AP2上进行身份验证，在认证请求帧中需注明为共享密钥型认证，在收到认证成功信息后通过发送联结请求帧随时联结到无线网络中。

1.4 CBTC越区切换中断时间分析

将上述越区切换分为：切换启动、启动扫描、认证、关联、路径更新和无线链路优化6个阶段，即当MN与AP1的通信电平值RSS＜RSSqh一直到MN与AP2的通信电平值RSS＞RSSmin联结成功的过程，则总切换时间为：

式中，τ1、τ2、τ3、τ4、τ5、τ6分别为切换启动时间、扫描时间、认证时间、关联时间、路径更新时间与无线链路优化时间。

由以上步骤可以看出从AP扫描开始，MN将断开网络连接，直到与AP2联结成功后将路径更新，使地面列控中心发送至列车的信息正确传达，网络才能正常联结。列车从AP1切换至AP2的过程中网络中断的时间为：

CBTC系统要求车地通信的连续性，在列车越区切换时中断时间必须小到可以忽略，而且需要在切换过程中准确判决和迅速恢复，从目前国内外CBTC的实际应用来看，数据通信子系统中数据丢包问题和延时瓶颈主要集中在车地无线通信，目前市场商用WLAN产品越区切换时间在500 ms~2 s之间，包括重新鉴权和其它以安全为目的的额外开销，如果按列车120 km/h速度计算，AP越区切换将导致列车在65 m的运行范围失去与控制系统的联系，所以解决WLAN快速切换问题是DCS系统的一个关键技术。

1.5 传统WLAN越区切换的不足

（1）无线信道通信质量较差时，无法保障由MN经过此信道发送到AP1的消息能被成功接收，这样会使AP1和AP2同时在MN和有线网络之间转发数据，从而造成网络结构的混乱和系统资源的浪费。

（2）由于MN和目标AP间通过验证和联结之后，MN才能与目标AP进行数据交互，在MN切换启动到与目标AP成功联结期间有一段时延，如果MN与当前AP之间的通信质量迅速恶化，在MN完成与目标AP重联之前无法通过当前AP进行数据转发，则MN就在这段时间内失去和控制中心通信的能力，显然这不符合CBTC的连续列车与轨旁信息交互的能力。

2 多无线模块协同切换模型研究

在CBTC系统中，列车沿着固有线路运行，而AP是按顺序沿线布置的，在同一AP覆盖范围内允许有多个移动节点存在，移动节点之间的干扰可以忽略不计。综合考虑基于802.11的CBTC通信子系统对无线传输的需求，本文分析多无线模块协调切换方案，即采用在一个WiFi设备集成多个无线模块进行协同切换的方法，来解决列车在快速运行过程中因切换引起的列控数据报文丢失问题。从而更好地实现了列车无缝切换。

独立的无线模块WBG1和WBG2分别安装在列车头尾两端，各模块网络接口使用相同的越区切换算法，为了避免这2个无线模块相互干扰，WBG1与WBG2可以工作在彼此正交的信道上，即使两者工作在同一信道上，802.11的PHY层和MAC层均可保证它们与轨旁AP之间的通信不会相互影响，并可获得协议规定的网络带宽。

2.1 建立沿线分布的AP位置数据库

在一般的WLAN应用中，移动节点的运行方向具有任意性，无法事先告知MN与该AP联结需要的具体信息。只有在MN与新AP建立联结时通过请求/公告机制动态获得，从而增加了重联结时的时延和网络流量。在CBTC系统中，由于城轨列车是沿着轨道上下行线路按固定方向移动的, 并且沿轨道分布的AP 接入顺序是已知的，从而，车载网关可以确定其下一个要接入的AP。固定的运动轨迹和单一的系统网络设备可以在车载网关上事先配置沿途AP的信息，即在WBG进行初始化时将网络所有AP的相关信息存储。介质存储的信息是该AP的相关网络参数，列车在运行中通过判决需要进行越区切换时，车载网关便从即将接入AP的网络信标帧中获取该AP的ID，并通过AP配置表读取接入该AP所需的网络参数，进而完成与新AP的重联结操作，这不但保证了车地通信的连续性还降低了系统的复杂度。

2.2 多无线模块协同的WLAN切换算法

多无线模块协同切换原理如图4。设AP1和AP2的网络覆盖半径均为R，2个AP之间的部署距离为D，重叠覆盖宽度为O。负责前台数据通信的无线模块为WBG1，负责后台AP扫描的为WBG2。无线多模块协同切换模型的切换算法以及过程为：

（1）MN从系统配置数据库中读取所有AP的相关信息，并保存在一张以AP的ID编号为键值的哈希表中。MN开始运行后，每隔一定的时间间隔，MN将扫描当前信道，接收出现的所有AP的信标帧并记录信号功率RSSinst。假设列车周期性瞬时接收信号强度为RSSinst，则加权平均值为：

（2）根据AP的接收信号强度变化判断其相对运动方向，当车载计算机计算的AP1的 RSSavg下降到切换启动阈值RSSqh后, 从AP信息表中根据目的AP的ID读取其相关信息，MN从t1时刻开始启动切换。与WBG1响应速度不同,WBG2在t2前启动AP扫描进程。

图4 多无线模块协同切换原理

（3）t2时刻MN开始进入AP2的覆盖范围,WBG2结合AP位置数据库逐步探测目的AP，并根据评价算法从扫描到的AP集合中结合沿线AP位置数据库选择一个作为目的AP，同时WBG1与AP1维持正常的链接。

（4）到t3时刻扫描结束,WBG2分别从AP2的网络信标帧和配置表中分别读取该AP的ID和切换参数，由WBG2向目标AP2发送认证请求。

（5）WBG2收到认证回应帧后，从t4时刻开始由车载WBG2发送关联请求。

（6）t5时刻收到联接成功回应帧后WBG2便成功接入AP2，并与AP2根据通信质量逐步调整发送速率(此时可应用电源管理)。

（7）到t6时刻,WBG1与AP1的通信质量下降到保持连接的最低电平RSSmin，与此同时，WBG2与WBG1的通信电平相差不小于△RSS，命令切换启动。此时列车在AP间的切换只需令WBG1和WBG2调换彼此的通信职能,即开始由WBG2负责前台数据通信,WBG1负责后台AP扫描,接着，车载无线网关通知分发网络更新数据包转发路径，保证数据的正确路由。

（8）到t7时刻，列车通信状态已恢复正常。

（9）到t8时刻，列车超出AP1的覆盖范围，WBG1与AP1的断开联接，WBG1进入下一轮循环扫描阶段，切换流程见图5。

图5 多无线模块移动列车切换流程

3 多无线模块协同切换流程分析

WBG2在接入AP2的过程中，前台WBG1继续与接入点AP1保持正常通信链接，使得列车沿线运行时在AP间的频繁切换导致的网络中断时间产生一系列问题，得到了减小甚至实现了无缝切换，而且列车与地面和控制中心在切换前后的通信质量也具备可靠性。

（1）切换性能，由整个切换过程可以明显看出：网络中断时间为t=t5+t6，即仅为路径更新时间和无线链路优化时间，这两者时间共不过几毫秒；由图4可知在整个切换过程中车地通信的通信质量都满足：RSSavg>RSSmin；切换耗时T=t1+t5+t6，其中t1为启动耗时，其大小可以忽略不计。

（2）切换的可靠性，由图5可以看出整个切换的完成设置了2个门限：当前台信号强度RSSavg△RSS时进行越区切换，成为后置门限。通过前置门限的设置有效的避免了不必要的切换，而通过后置门限的设置则有效的避免了乒乓切换的发生，从而提高了系统切换的有效性和可靠性。

（3）切换算法中，设置的切换触发条件如图6。

a.连续丢8个信标帧；

b.达到最大重传计数；

c.接收信号功率低于门限值（设经验值为－60 dBm）。

图6 启动切换流程图

4 结束语

本文提出的多模块协同切换算法，可以将2个使用不同IP地址和MAC层地址网络接口分别置于“提前切换”状态和“滞后切换”状态，使得当一个接口处于切换状态时，另一个接口尚未开始切换或已经完成了切换，而对整个系统而言总是存在一个网络接口可以用来与地面控制系统通信。为了节省无线网络资源，2个网络接口工作在同一个频率上，在不需要进行越区切换时，MN可以同时利用2个网络接口收发数据，因而列车可以获得双倍于单个网络接口的带宽。

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