智慧城轨无线通信组网应用研究

赵 帅

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266112）

0 引言

短距离无线通信技术（Wireless Communication）是利用电磁波信号可以在自由空间内传播的特性，进行信息交换的一种通信方式。目前主流的无线通信技术有红外、蓝牙、ZigBee、WiFi 等，免费的无线信号频段有315 MHz、433 MHz、470 MHz 和2.4 GHz 频段等。

（1）红外是短距离无线通信方式的一种，其特征是点对点无线传输，但距离不能太远，且要对准方向，中间不能有障碍物。

（2）蓝牙是一种使设备支持短距离通信（一般在10 m 以内）的无线电技术。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点和点对多点通信方式，其数据速率为1 Mbps。采用时分双工实现全双工传输。

（3）WiFi 是一种可以将个人电脑、手持设备（PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。

（4）433 MHz、470 MHz 和2.4 GHz 无线数据传输，因其简单高效而被广泛应用于各种监控、遥测、无线485 数据通信、无线数据采集、遥控、无线组网车辆等领域。

随着我国城市人口和经济的快速增长，国家对公共建设政策措施的强力推动，我国城市轨道交通建设已经进入了一个快速发展阶段。城市轨道车辆车门系统在轻轨与地铁车辆运营过程中扮演着及其重要的角色。车门形式的设计，车门开关的系统结构以及加工制造与控制系统都直接影响着城市轨道车辆的安全运营。采用短距离无线通信技术对轨道车辆车门系统运行参数的实时传输与汇集，进而实现对其运行状况的实时监控。在实际运营的地铁上，较短距离（10 m 以内）的信息传输可以采用红外、蓝牙、WiFi、470/433 MHz和2.4 GHz 频段，但如果实现中远距离的信息传输，要求无线通信距离尽可能远，这种情况下只能选用470/433 MHz 频段和2.4 GHz 频段的无线信号传输方式。

1 无线组网技术

1.1 网络节点类型

短距离无线通信设备的网络节点类型有3 种，分别是中心节点（Coordinator）、中继路由（Router）和终端节点（End Device）。

（1）中心节点，又称网络协调器，它包含所有的网络信息，是3 种设备类型中最复杂的一种。其发送网络信标、建立和维护一个网络、管理网络节点、寻找一对节点间的路由信息，不断地接收信息。即使中心节点掉电，中继路由仍然保持网络，因此中继路由与中继路由之间仍然能够通信，即使中心节点掉电，当有新的节点加入时，仍然能够通过现有的中继路由组建网络，加入网络。

（2）中继路由，又称全功能设备（FFD），可以担任网络协调器，维护整个网络的正常运行，形成网络，让其他的中继路由或者精简功能装置（RFD）连接，中继路由具备控制器功能，起到数据的转发功能和自动寻找最捷径的路由表，也能用作终端设备。

（3）终端节点，又称精简功能设备（RFD），附带有限的功能来控制成本和复杂性，在网络中通常用作终端设备。通常定义为电池供电设备，可周期性唤醒并执行设定的任务，终端节点通常在周期性醒来时，检索自己的父节点是否传输给自己的数据，并执行设定的任务。

1.2 无线组网模型

结合无线通信设备的三种网络节点类型，其无线组网模型主要有三种：星状网络、树状网络和网状网络（对等网，无中心）。

（1）星状网络模型：由一个中心节点和若干个终端节点组成，中心节点与终端节点直接进行数据的交互，无需中继路由，其组网方式如图1 所示。该网络模型结构简单，数据传输效率较高，但网络扩展性差，距离有限。

图1 星状网络结构示意

（2）树状网络模型：由一个中心节点、若干个中继路由和若干个终端节点共同组成，路由节点通过路由算法管理相应的终端节点，中心节点与终端节点之间的信息交互可以通过中继路由进行转发，也可以直接进行数据交互。具有扩展性较强、传输距离较长、抗干扰性强等优点。但可能会增加数据传输的时间，从而降低数据传输的速率。其结构如图2 所示。

图2 树状网络结构示意

（3）网状网络模型：只有路由节点组成的网络模型，相邻节点之间能够进行数据交互，无中心节点自治网络。其优点是可靠性高、资源管理性优越等。网状网络结构如图3 所示。

图3 网状网络结构示意

2 中继路由的功能

中继路由是网络的中间设备，在网络中扮演着重要的角色，其可以选择已有的网络加入，入网后可以允许其他设备加入或者离开网络，具有路由、启动路由发现和路由修复功能，每一个无线网络中可以有多个路由器。短距离无线通信网络具有自组网和多跳功能，其中最关键的技术是路由和路由发现，路由器具备的这些功能都是通过路由算法来实现的。

中继路由采用AODV（Ad hoc On Demand Distance Vetor，源驱动路由协议）算法，也称为按需矢量算法。每一个路由器维护一张路由表，并定期与其相邻的路由器交换路由信息，根据最小路由矢量更新自己的路由表。表中存储的路由信息包括目标地址（destination address）、下一跳地址（next hop address）和该条目状态（status）。状态包括活动（active）、非活动（inactive）、路由发现中（under discover）和路由发现失败（discover failed）。路由算法逻辑如图4 所示。

图4 路由算法

网络层接收到的数据帧来自应用层，则首先判断是否是广播信息，即该数据帧是否传输给网络中的所有节点，若是，则按照广播信息的处理规则转发信息，若数据帧来自下层则在广播的同时将数据帧上传到上一层。如果不是广播地址，则将目标地址与自己的网络地址比较，相等则上传到应用层，不等则判断目标地址是否是自己的一个终端子设备的地址，如果是，则直接路由到目标设备。否则，如果该设备不具备路由能力，而nwkUseTreeRouting=true 则按照树结构路径转发数据，否则丢弃该数据帧。

3 地铁内无线组网方式研究

将短距离无线通信技术应用于实际运营的地铁车辆上，必须将地铁运营的实际环境和所选无线设备的性能相结合进行考虑，地铁内的金属屏蔽，人群的干扰以及其他电子设备发出的无线干扰信号等因素，这些就要求无线设备具有较好的穿透力，尽量避开其他通用电子设备的无线频段。综合考虑上述因素，本文将选用470 MHz 无线通信设备作为地铁内数据传输的无线设备，其组网方式初步确定选用树状网络模型。

3.1 无线传输性能测试

3.1.1 测试条件

无线通信设备串口波特率为115 200 bps，串口超时时间为2.2 s，数据帧大小为200 字节，帧与帧的发送间隔为2.2 s，32 帧作为1 包，共发送2 包，包与包发送间隔为5 s。环境分为远距离测试（30 m 间隔呈一字排列）和短距离测试（办公室环境），组网方式为树状网络模型。

3.1.2 测试结果

8 个路由节点（兼终端设备功能）同时向中心节点发送数据，在远距离和近距离两种环境下，其丢包情况基本稳定在0%，数据传输时间基本在71 s 左右（表1）。当路由节点（兼终端设备功能）达到10～12 个，开始出现丢包情况，且随着节点数的增加丢包情况也随之严重，但其传输时间基本稳定在71 s 左右。若将数据帧的大小减小，相应的可以改善丢包率的情况，但数据的传输时间将会翻倍增加。

表1 无线通信传输性能试验测试结果

3.1.3 测试结论

测试结果表明，如果利用短距离无线通信技术在地铁内进行数据传输，且传输的数据量较大时，其网络模型的选择和路由节点（兼终端设备功能）对整传输网络有着重大影响。基于测试结果，本文提出一种适用于地铁内数据传输的组网方式。

3.2 组网方案设计

地铁的结构组成：以南京地铁为例，南京地铁为A 型车，其车辆有6 节车厢，每节车厢有10 个门，分布在两侧，每侧5 个门，车厢长度为22 m，车辆总长为140 m，车厢内车门等距离分布（4 m 左右），若在每个车门系统上安装一台无线通信设备，其安装位置必须在金属屏蔽罩内，且车厢与车厢之间的外壳内部不相通，中心节点安装在车辆的中心位置。

方案1：单网络主动上报组网方式。采用两个中心节点，每个中心节点管理1/2 列车辆的无线设备（30个），由于地铁实际运行过程中到站只开一侧车门，所以每个中心节点每次只需要管理15 个路由节点（兼终端设备功能），这样当一侧的设备工作时，另一侧的设备不进入休眠状态，该侧设备可以起到路由功能，这在一定程度上提高了数据传输的质量。图5 所示为1/2 列车厢，中心节点1 代表网络编号为1 的网络协调器。

图5 单网络主动上报节点分布示意（1/2 列车为单位）

方案解析：该方案采用15 个节点同时向中心节点上报数据，其中每个发送设备需要配置为中继路由节点（兼终端节点功能），其数据传输的路径如图5 中箭头所示，这条传输路线只是随机产生的一条，可能是环境最恶劣的条件下的传输路线，假如环境条件较好，也有可能在最左边的无线设备直接传输至中心节点。根据测试结果可知其传输时间为71～80 s，该方案需要发送节点在本地将发送的数据按照表格形式存储起来，数据上报结束后，中心节点设备进行表格查询，将丢掉的数据帧进行重新发送，进行逐个补漏。该方案组网结构简单，但需要强大的软件功能配合实现，其主要工作重点是MCU 软件的处理部分。

方案2：多网络跳跃交叉组网方式。以实际测试的无线设备为例，存在8 个点同时向中心节点传输数据时其丢包率基本可以稳定在0%附近。结合整列地铁的门数量，该方案采用4个中心节点组成4 个网络，每个网络管理15 个门系统的设备，因为列车运行是单侧开关门，所以实际上每个网络里每次只有7 个或者8 个设备同时工作，而另外的设备不进入休眠状态，起到路由转发和路由修复的功能。其节点分布如图6 所示，其中中心节点1 为1 号网络，依次类推，图中所示的汇集设备上的中心节点可以按照实际的环境进行分布。

图6 多网络跳跃交叉组网方式示意（1/2 列车为单位）

方案解析：该方案侧重于利用短距离无线通信设备中继路由的性能进行网络的拓展和数据的传输，路由算法AODV（按需矢量算法）可通过RSSI（Received Signal Strength Indication）进行无线信号强度的评估，进而优化无线数据传输的路径（图6）。以3 号网络的传输路线为例，其可能是在环境最恶劣的情况下的传输路线，若环境较好，可能从左边第1 节车厢直接通过第2 节车厢的路由进行转发或者直接传输至中心节点，不经过路由转发。结合软件重发机制的配合，该方案可以保证数据传输的质量与传输效率，但是需要在汇集设备端进行大量的硬件设计工作。

方案3：多网络汇集双天线跳跃组网方式。该方案最大特点在于以每个车厢为一个组网单位，并增加一个汇集设备，汇集设备上设计两种节点，如图7 所示，汇集节点作为本节车厢的数据汇集中心，另一个路由节点（兼终端节点功能）与中心节点组成网络，其汇集节点的功能在于将数据汇总后再做发送处理，其中汇集设备兼有采集设备的功能。考虑的地铁运行环境的复杂性，该方案需要在每节车厢放置一个路由节点（标注为2 号网），该节点只对它进行供电，使其只具有路由转发功能。

图7 多网络汇集双天线跳跃组网方式示意（1/2 列车为单位）

方案解析：结合地铁环境的复杂性，该方案采用“小网络汇集，大网络传输”的形式进行整列车的数据传输。小网络汇集：一个汇集设备管理10 个节点，因为地铁门为单侧工作，因而每次列车到站只有5 个节点在工作，这样在较短距离内保证了数据传输的稳定性与可靠性；大网络传输：一节车厢组成两个大网，2 号网和5 号网，因为一列地铁一共只有6 节车厢，每个大网每次只有6 个节点同时传输数据，为了避免长距离及其他干扰造成大网络的传输性能下降，可以在数据传输的路线经过的车厢中间再布置一个路由节点，如图7 中的2 号网络路由节点，这样可以避免多个节点同时发送而造成的数据碰撞。该方案综合考虑了地铁环境的复杂性和短距离无线通信技术的优缺点，其可行性较高。该方案较其他方案的缺点是大大延迟了数据传输的时间，但是可以通过软件给整个传输系统增加一定的数据处理机制来弥补这一缺陷。

4 结束语

短距离无线通信技术的发展已经步入较为成熟的阶段，本文针对地铁环境的复杂性以及大数据量的传输要求，将短距离无线通信技术应用到地铁车厢内的数据交互中，在此环境下的组网方式必须打破以往的传统方式。本文介绍的组网方式不仅适用于地铁环境，也可应用到其他环境较为复杂的领域。