可持续服务的列车Wi-Fi智能终端设计

汪承研，胡晓岳，戴护民

（广东机电职业技术学院（北校区），广州 510550）

1 列车Wi-Fi需求现状

随着智能终端的普及，无线网络正在成为信息基础设施，在城市热点区域，办公室，家庭等场景通过无线网络接入互联网已成为人们获得上网权限的常见方式。火车或高铁作为常年人口聚集、流动的公共场所，长途旅行中的乘客对Wi-Fi服务有强劲的需求，同时列车上工作人员需要对列车进行各种巡检、服务、维护等工作，对其手持设备存在可靠的联网需求。

2 列车车载Wi-Fi的技术难点

目前，列车车载Wi-Fi系统存在几个方面的技术难点：一是由于列车运行线路具有线长、点多、地势险等特点，通常是一些通信信号盲区、隧道、山岭等偏远区域，因此运营商的信号覆盖通常都不佳。二是列车上相对人员比较集中，联网化率比较高，同时对网速的需求也较高，在并发上网时对列车车载Wi-Fi设备有支持高带宽能力的需求。三是要满足“车载”要求，在列车高速行进中能够良好运行，期中包括两个方面的因素，在列车高速行进中，信号衰减非常大，首先是运营商的3G/4G信号衰减对车载Wi-Fi设备接入带来挑战，另外一个是Wi-Fi 本身的信号衰减导致最终旅客智能终端接收时存在信号过弱问题。

受上述技术难点的影响，运营商所提供3G/4G 信号的数据业务服务质量变得比较差，上网的体验基本上是时断时续；目前列车车载Wi-Fi实际应用更少。因此如何突破这些技术难点，使得列车车载Wi-Fi能进入规模商用是一件既有社会效益又有经济效益的事情。

3 可持续服务的列车车载Wi-Fi的系统原理

可持续服务的列车车载Wi-Fi通过接入信号自动切换功能来解决运营商信号覆盖不佳的问题，三家运营商在铁路沿线的信号覆盖范围较大，通过提升基站数量的方式进行优化覆盖的投入非常大，且短期内无法得到解决。但三家运营商在铁路沿线的信号覆盖存在一定的互补性，通过设计快速的有效信号智能扫描技术甄别出当前三个移动信号中的最强信号选择接入，运行中如果当前接入信号变弱时，系统会自动切换到另外一个新的最佳信号上去。

针对车载Wi-Fi设备支持高速上网的需求进行了创新设计，采用智能缓存技术。智能缓存可以在列车乘客输入相关访问域名后，列车车载Wi-Fi会进行一个集中统计，对本次列车上存在较多连接需求的网站，会将该网站内容缓存至本地，这样较大比例的网页浏览将在本地进行，并设置老化机制。在车载Wi-Fi设备中维护一个常见网站资源列表，列车驶入信号较好区域时进行实时同步更新，减少车载Wi-Fi设备平均上行带宽压力。

4 可持续服务的列车车载Wi-Fi终端系统设计

可持续服务的列车Wi-Fi终端系统是通过接入移动通信运营商的3G/4G信号，将其中数据流量接入，并通过Wi-Fi形式提供用户上网功能。系统共包括移动信号接入模块，Wi-Fi模块，位置及感应模块，中央智能控制模块，大容量内存五大部分。

移动信号接入模块实现移动通信运营商的3G/4G信号接入，支持当前3种主要制式WCDMA/TD-LTE/CDMA，数据卡可模块化装载进列车车载Wi-Fi终端中，可根据需求应用场景进行增减；Wi-Fi模块负责Wi-Fi信号的射频发射与中央智能控制模块的数据对接，在系统中提供两个Wi-Fi模块，一个2.4GHZ模块和一个5.8GHZ模块，用户可以根据宽和覆盖范围需求来配置模块的使用用途；位置及感应模块提供GPS信号接收及其他传感器外挂接口功能；中央智能处理模块是整个系统的处理核心，在数据面处理方面，中央智能处理模块负责将3G/4G信号输入的数据导入到Wi-Fi模块，需要处理数据的路由，NAT，承担防火墙等功能，在数据处理的控制面，该模块实现了对输入信号的智能扫描技术，通过实时地对3家运营商的输入信号进行扫面，筛选出当前的最佳信号做为主接入信号，提供老化机制，在当前信号质量发生变化时，能够实现接入信号的动态更换。该模块另外一个重要的功能，提供了智能的缓存技术，该技术会收集当前活跃用户所访问的资源列表，并将资源下载至终端本地供列车乘客用户访问，从而提升乘客用户访问速度。大容量缓存供智能缓存模块缓存页面资源时使用。电源模块为上述各模块进行供电，同时它也接受中央智能处理模块的管理。

图1 列车车载Wi-Fi终端逻辑框图

智能扫描技术是解决列车车载Wi-Fi可提供持续服务的关键。智能扫描软件模块运行在中央智能处理模块，下面对其具体运行流程进行详细的阐述。智能扫描模块运行两个高度实时线程，同时运行并相互通信，详细步骤依次是：

（1）智能扫描软件功能开启后，首先检测出本终端已经运行的3G/4G模块包含哪些，并记录相关信息，包括运行模块LIST，每个模块的制式、厂家信息、SIM卡信息等随同记录入信号选型表中。

表1 信号选型表

（2）初始化工作完成后，该软件模块进入实时扫描状态，扫描分两个层面进行，首先是基站发射的射频信号，软件模块实时轮询已装载运行3G/4G模块的接入信号，即各个模块从所捕捉到的基站信号强弱值，记录入信号选型表中，信号的强弱值根据读取得原始值转换成5档区间，信号质量参数从高到低分别是5，4，3，2，1。

（3）扫描的第二个层次是扫描数据业务通路的通畅性，即网络连通性，由于列车移动速度非常高，信号层面记录的信息可能已经陈旧，信号层面可以作为初步判断，直接作为可以提供Wi-Fi服务的判据是不可靠的，因此还需要测试从Wi-Fi侧到运营商网络的连通性是否正常。扫描模块通过ICMP发起对运营商网络的ping测试，并记录每个模块的测试结果，根据PING的返回值，按质量等级记录为5档，返回时延在200～150ms之内的记录1，返回时延在150～100ms之内的记录2，返回时延在100～50ms之内的记录3，返回时延在50～10ms 之内的记录4，返回时延在10～0ms之内的记录5。连通性参数记录入信号选型表中。

（4）根据两个层次扫描结果，模块对信号选型表中两个参数计算一个加权值，期中信号的权重是3，业务通路的连通性权重是7，系统根据两个参数值计算出加权值，优先选择出其中加权值最高线路作为当前接入线路。

（5）模块对信号的扫描是实时的，并实时更新信号选型表。

（6）无感知切换，当信号选型表中的当前接入线路信号的加权值变化至不是最佳选项时，模块会触发进行输入线路切换，同时通知中央智能处理模块完成已接入用户的上下文无感知切换。

智能缓存技术重在提升乘客访问互联网的速度，由于3G或4G接入带宽有限，而列车乘客上网的特点是同时在线并发送请求量较大，导致分配到每个乘客的可用带宽较低，因此从上网用户的角度会感受到网速非常慢。由于接入带宽方面受限不能得到改进，那么智能缓存技术就显得很有必要。

图2 智能扫描处理流程原理图

智能缓存技术核心原理是将多数用户最近常访问的网络资源缓存至本地以供用户快速访问，智能缓存技术的处理步骤详解如下。

（1）当每个登录用户访问一个新的资源网站时，智能缓存模块会将其添加到在线用户访问资源列表。

（2）在系统最大缓存能力范围内，将在线用户访问资源下载至本地，供用户浏览。

（3）智能缓存模块同时维护一个常见网站资源列表，并周期性更新资源到本地，周期设置为10 分钟，当用户访问常见资源时，将访问本地内容。

（4）对在线用户访问资源列表实施老化机制，老化时间可以配置，超过老化时间没有再交互的资源，将从在线用户访问资源列表中移出。

图3 智能缓存模块处理流程原理图

通过智能的缓存技术，对列车用户访问网络资源进行了归集，在保证资源新鲜的同时，每个用户不用再独立占一份带宽去访位一个相同的网络资源，提升带宽利用率20%以上。

5 结束语

可持续服务的列车车载Wi-Fi终端经过现场测试，在信号检测及切换方面是完全可行的，而且平均信号强度得到20%以上的提升；加载智能缓存技术后，本地资源浏览速度得到加速，乘客上网体验显著改善；下一个阶段，我们将进一步优化接入网络检测算法，缩短网络切换时间，从而优化终端系统的可持续服务能力。