地铁系统WiFi通信中的漫游与切换设计

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摘要：解决地铁乘客的高质量移动通信问题，是现代地铁的重要研究课题之一。地铁系统是一个封闭环境，地铁无线通信系统中信号较为强烈，但由于地铁处于运动之中，数据的切换和链接成为影响用户通信质量的关键技术。从数据通信设备STA在地铁无线通信系统中移动与切换的适用性和局限性出发，研究切换数据损耗、响应时间、资源分配与消耗、移动和漫游协议等，分析各个模块功能，并对其进行比较分析，以选择一个适应地铁系统的最佳设计方案。
关键词：地铁系统；STA；WiFi；切换链接；移动漫游
DOIDOI：10.11907/rjdk.151749
中图分类号：TP319
文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2015）008017603
1 地铁系统无线通信
高速运行的地铁列车与车下管理机构之间的通信主要依靠无线通信系统，其主要作用是保障地铁列车运行安全，提高运行效率，同时方便乘客进行各类通信，包括视频通信、语音通信、数据通信等，并实现系统的智能化管理，确保列车司机及其他工作人员掌握各地铁站候车情况。因此，为了满足上述需求，地铁无线通信系统必须具备数据容量大和传输速度快两个条件。
国内地铁系统使用的无线通信技术包括列车控制无线通信系统、专用无线通信系统和商用无线通信系统3部分。列车控制无线通信系统主要用于监测列车的运行状态，控制地铁列车运行速度及列车间的行驶状态，防止列车发生碰撞；专用无线通信系统主要用于地铁的运营、生产、调度指挥、车辆段站场、维护等部门之间的相互联系；商用无线通信系统主要用于GSM、CDMA、3G、4G、QQ、微信、电子邮件等移动信号的覆盖与使用等[1]。随着人们生活水平的提高及移动通信的发展，人们对乘坐地铁的舒适性和通信要求越来越高，并要求在乘坐地铁时能方便地使用WiFi。
另外，为了确保地铁的安全运行，地铁监控中心要实时监测地铁车厢中的温度、湿度、乘客状态等参数，以及地铁站台的情况[3]。无线通信漫游和数据交换是实现远程监控和地铁管理的重要途径，可将各种参数实时发送到地铁监控中心，以便工作人员随时监控地铁的运行状态。
2 地铁移动节点切换问题
移动通信中切换质量的好坏，直接关系到通信信号的连续性。因此，研究地铁通信，首先需要分析切换问题。
在图1中，将STAPC和STA作为一个整体，其功能与移动节点功能相同，可以由下列几部分组成：PC机、路由器、交换机和无线设备AP，其组成的局域网络在范围上是有限的。因此，地铁监控网络为了切换方便、快捷稳定，必须由子网构成。地铁列车在运行时，在任何时间、地点，都能与网络中的某一台PC机保持双向通信[4]。
图1 移动节点STAPC、STA的切换
在地铁通信时，任意一台主机必须具备发送源地址数据包的功能，即中心计算机STAPC与任一台PC机通信时，PC机必须知道中心计算机的IP地址。数据进行传输时，要经过发送、中继、接收几个阶段。其中要经过多次中继，每个中继站由一个路由器或一台主机构成，并将数据包传输给下一个路由器或主机，IP地址在这里相当于投送目的地[5]。
但当传输大数据时，可能因为没有提示而丢掉一些数据包。根据TCP通信协议，当遇到大数据时，可以将其分解成N个小数据包，每个小数据包都有自己的传输目的地IP地址。这样，小数据包可以通过不同路径传送。小数据包在传输时不会出现丢包情况，或者丢包概率小。小数据包到达目的地时，会重新按原来大数据包的结构排列。但在传输中途，不允许对小数据包排列组合。
由于地铁列车在快速移动，其物理位置处于不断变化中，乘客的移动通信和监控中心所需的列车信息在不断变换子网。根据数据包传送规则，地铁列车的位置处于A子网中时，其无线通信设备STA无线端口的IP地址属于子网A。此时，发往管理计算机STAPC的数据包被发送到子网A，被无线通信设备STA收到后，才能转发给STAPC。当地铁列车运行至B子网或C子网位置时，发送的数据包目的地网址依然是原来在位置A时的IP地址，此时若仍然将数据向子网A发送，数据包则无法被中心计算机STAPC接收，因此需要进行无线链路的跨子网切换。
无线通信的切换过程如下：地铁列车在行进中，其物理位置不断变化，不仅跨网移动，在同一子网中也在不断运动。在同一子网内，地铁列车上无线通信STA设备只与一个无线访问点之间保持通信。因此，必须分析STA在子网内两点间的切换。图2为地铁列车上无线通信在子网内的移动示意图。
图2 STA在子网内的AP切换
AP是链接地铁列车上无线设备STA与隧道内有线网络的设备，也用于组建无线局域网。其固定于隧道内，假定编号分别是AP1、AP2、…APi…APn。当地铁列车接近AP1时，地铁列车上车载的无线通信STA设备也接近AP1，当STA探测到AP1的信号强度大于任一APi，且大于STA的阈值时，地铁列车上无线设备SAT与隧道内的AP建立链接，而与其它的APi不建立联系。假定地铁列车从AP1向AP2移动，当探测到AP2与地铁上STA之间的信号大于AP1时，STA将与AP2建立链接，并切断与AP1之间的联系，这就是网内切换的过程，但在802.11b协议规范中称为移动[5]。
3 地铁通信系统移动和漫游协议
802.11是IEEE（国际电工电子工程学会）在1997年为无线局域网（Wireless LAN）定义的一个工业无线网络通信标准，并在此后进行不断地补充和完善，形成802.11x标准系列。它是目前工业无线局域网的主流标准，也是WiFi的技术基础。其工作在2.4GHz频段，网速可达600Mbps。
根据802.11b的定义，跨网切换被称为漫游，网内切换被称为移动。移动和漫游协议的核心思想是移动节点（STA和STAPC）向用户所在的服务器登记当前的所在位置，然后建立用户所在服务器与移动节点所属区域中的外地代理服务器链接，形成数据包传递[6]。
4 地铁通信系统移动节点模块设计
管理计算机STAPC与地铁列车上的STA构成地铁通信中一个子系统，从移动性和功能性两方面看，可视为一个两端口的移动节点，这两个端口分别为有线端口和无线端口。通过将移动节点和有线端口进行联结，构成链路[7]，从而实现管理计算机和地铁列车的STA链接。图3是地铁列车上的无线移动设备在子网中的移动示意图[8]。
图3 地铁列车上的STA移动
地铁列车上的漫游和移动通信协议中，管理计算机STAPC与地铁列车上的STA构成的移动节点应具备以下功能：①告知位置功能：告知用户注册代理所在位置。②默认新网关：当移动节点位置发生变化时，及时更新网关；③注册信息：注册信息至少包含访问端口的IP地址。
5 隧道管理模块设计
用户在家乡代理和外地代理之间建立链接，这种链接又称为隧道。伴随着用户的移动，其移动节点也不断发生变化。当用户在移动过程中，新的隧道（链接）会不断更新、建立，旧的隧道（链接）会被不断地拆除[9]。当移动节点很多时，隧道（链接）相关的处理则变得比较复杂。隧道（链接）的处理主要分为隧道（链接）的创建和拆除[10]。图4是隧道（链接）创建过程示意图[11]。
为了减轻移动式路由问题，采用动态家乡代理模式为用户代理服务。因此，设计了家乡动态代理模型。根据IETF RFC 2002规定，动态代理模型实现了家乡与移动路由器之间的数据交换和密钥交换。实践表明，此方法运行安全可靠。在移动用户中，移动节点路由器可由外地代理进行服务，以实现不同网络、不同地点的移动地址和通信数据交换。
图4 隧道（链接）创建过程
6 结语
分析了地铁系统WiFi通信中移动和漫游协议的设计
构思，阐述了各个功能模块在设计过程中存在的问题，并根据移动和漫游的工作原理及国际电工电子学会的规范要求，给出了解决方案。方案在实际应用中得到了验证，效果较好，取得了良好的社会和经济效益。
参考文献：
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[2] 关国俊.浅谈地铁专用无线通信网络的优化[J].铁道通信信号，2012，48（9）：7274.
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[7] 王欣，朱刚，谈振辉.高速铁路智能交通综合信息系统中关键问题的探讨[J].铁道学报，2003，25（6）：103104.
[8] 张村夫.地铁无线调度通信系统设计与实现[D].西安：西安电子科技大学.2010.
[9] 张建国.地铁无线通信系统漏缆工程全过程质量控制[J].现代城市轨道交通，2007（5）：2225.
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[11] 张建国.地铁无线通信系统漏缆工程全过程质量控制[J].现代城市轨道交通，2007（5）：2225.
（责任编辑：黄 健）