張雁鵬 黨建武

（蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，730070，蘭州∥第一作者，博士研究生）

城市軌道交通基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)常采用無線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)實現(xiàn)連續(xù)、大容量的車地雙向列車控制信息傳輸［1］。由于發(fā)射功率的限制和地形地貌的影響，無線局域網(wǎng)中單個接入點（Access Point，簡為AP）的信號覆蓋范圍有限，必須通過越區(qū)切換來保證列車行駛過程中控制信息的可靠連續(xù)傳輸。快速運行的列車在不同無線AP之間頻繁切換時不可避免地會使列車的車地通信產(chǎn)生切換時延和數(shù)據(jù)丟包的現(xiàn)象。這將影響城市軌道交通列車運行安全和行車效率，降低CBTC系統(tǒng)的可用性。實驗室和現(xiàn)場的測試結(jié)果也表明，切換時延是影響基于WLAN的CBTC系統(tǒng)車地通信至關(guān)重要的因素。因此，研究CBTC系統(tǒng)越區(qū)切換算法以減少切換時延具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，對于WLAN越區(qū)切換的研究主要集中在越區(qū)切換算法的改進上，算法均較為復(fù)雜，而且很少關(guān)注切換頻率和AP冗余。本文在研究基于WLAN的城市軌道交通CBTC系統(tǒng)車地通信越區(qū)切換算法時，首先分析了傳統(tǒng)切換算法中存在的一些問題，進而根據(jù)CBTC系統(tǒng)的實際需求，提出頻率組合切換算法，利用鄰居圖使切換時延滿足列車服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，簡為QoS）要求，并對其性能進行仿真研究。結(jié)果表明，該算法的切換時延小于傳統(tǒng)的切換算法，實現(xiàn)簡單，系統(tǒng)可靠性強。

1 傳統(tǒng)切換算法存在的問題

WLAN切換的邏輯過程包括掃描階段、認證階段和重關(guān)聯(lián)階段。在每個階段都會產(chǎn)生時延。相關(guān)的研究［2－3］已證實，掃描階段時延最大，約占總切換時延的90%左右，因而國內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者均將主要的研究精力放在掃描階段。他們在對掃描階段進行研究時，選擇的切換觸發(fā)點盡可能靠近小區(qū)邊緣，只要小區(qū)之間的重疊區(qū)域能夠滿足切換成功的條件即可。即使在對安全性要求嚴(yán)格的應(yīng)用場景中，也只考慮完全冗余布局AP來提高系統(tǒng)的可靠性（如圖1所示），并沒有將冗余軌旁AP考慮到切換算法中，其啟動切換的條件依然僅依據(jù)接收信號強度（Received Signal Strength，簡為RSS）。

圖1 安全性要求嚴(yán)格的應(yīng)用場景中軌旁AP分布示意圖

然而，RSS的計算值僅是對當(dāng)前信道的映射，且信道環(huán)境也不是一成不變的，這就會影響對切換時機的準(zhǔn)確判斷。列車不斷計算周圍環(huán)境的RSS，當(dāng)滿足條件時啟動切換［4］。列車從發(fā)現(xiàn)RSS低于設(shè)定閾值到啟動切換是一個連續(xù)的過程，由于干擾因素的作用，在這一過程中可能會出現(xiàn)乒乓效應(yīng)。雖然現(xiàn)在有改進的算法來消除乒乓效應(yīng)的影響，例如相對信號強度、有門限規(guī)定的相對信號強度、有滯后余量的相對信號強度等算法，然而這些都是以算法的復(fù)雜性來提高切換的成功率，必然會導(dǎo)致更大的時延，且這些改進的算法依然不能準(zhǔn)確判斷切換時機。

當(dāng)列車檢測的RSS低于設(shè)定閾值而網(wǎng)絡(luò)中又有數(shù)據(jù)要傳輸時，由于不能準(zhǔn)確判斷切換時機，網(wǎng)絡(luò)不知道應(yīng)該將該數(shù)據(jù)緩存到目標(biāo)AP還是通過當(dāng)前AP發(fā)射；此時，網(wǎng)絡(luò)中如果存在隨機干擾源或信道環(huán)境發(fā)生變化，就會出現(xiàn)嚴(yán)重的丟失數(shù)據(jù)包現(xiàn)象。這顯然滿足不了城市軌道交通CBTC系統(tǒng)連續(xù)大容量車地通信的需求。目前，商用WLAN產(chǎn)品越區(qū)切換時間在500ms～2s之間，包括重新鑒權(quán)和其它以安全為目的的額外時間。如果按列車速度120km／h計算，AP越區(qū)切換將導(dǎo)致列車在65m的運行范圍內(nèi)失去與控制系統(tǒng)的聯(lián)系［5］。因此，解決CBTC系統(tǒng)WLAN快速切換問題是使城市軌道交通運營更加安全高效的保障。

2 頻率組合切換算法

城市軌道交通列車沿固定線路運行，AP按順序沿線布置。綜合考慮國際電工電子工程學(xué)會的IEEE 802.11協(xié)議組對CBTC系統(tǒng)車地?zé)o線通信的要求，本文在分析頻率組合越區(qū)切換方案時，采用列車定位、智能天線、鄰居圖等技術(shù)來解決列車在快速運行過程中因通信網(wǎng)絡(luò)切換引起的CBTC數(shù)據(jù)報文丟失等問題，更好地實現(xiàn)無縫切換。其中，列車定位技術(shù)保證了列車的上行預(yù)同步；智能天線技術(shù)通過調(diào)整其各天線陣元，保證期望用戶能最大可能地接收信號，而非期望用戶收到的干擾最??；鄰居圖能保證列車提前獲知目標(biāo)AP。

2.1 頻率組合切換算法的提出

頻率組合切換算法的前提是布置冗余軌旁AP，結(jié)合智能天線技術(shù)和直接擴頻技術(shù)，可以使列車在一個AP內(nèi)同時感受到周圍多個AP的存在；然后利用鄰居圖，列車可以將其發(fā)現(xiàn)的所有AP加入到該鄰居圖中，通過對鄰居圖邊的增加和刪除，使鄰居圖逼近移動圖，這樣列車就能實時地了解周圍與其相關(guān)的AP信息。頻率組合切換算法在啟動切換時必須要求列車能夠檢測到該組的所有的頻率。如圖2所示，列車除了在AP1向AP2行駛的過程中只能檢測到3個AP外，在其它AP之間行駛時都能夠同時檢測到4個AP。因此，本文所提的頻率組合切換算法只要能夠同時檢測到4個頻率，就啟動切換程序。

圖2 頻率組合切換算法軌旁AP場強分布

頻率組合切換算法規(guī)定了軌旁AP的位置以及所采用的頻率。軌旁AP的位置要求列車在特定速度時，能夠滿足與軌旁AP之間的距離為0的條件。因為軌旁AP的布局已知，所以在每個AP處能夠檢測到的頻率也是確定的。如果全路網(wǎng)內(nèi)的AP都沒有發(fā)生故障，會發(fā)現(xiàn)從AP1位置開始，在到達AP2之前，列車其實已經(jīng)提前掃描出了AP2這一組頻率中的3個頻率。因此，在AP2位置時，如果能夠再檢測到一個新的頻率，就啟動切換程序。因為這個新的頻率是已知的，所以列車會主動掃描這個信道。因此在正常切換情況下導(dǎo)致的時延會很小。又因為每個AP所在位置都是切換點，所以能夠準(zhǔn)確判斷切換時機，網(wǎng)絡(luò)可以對切換時機后面的數(shù)據(jù)采用一定的控制機制，因此可以消除切換過程中丟失數(shù)據(jù)包的影響，使切換平滑進行。

2.2 頻率組合切換算法的具體步驟

1）當(dāng)列車在起始位置第一次加電后，系統(tǒng)進行復(fù)位和初始化；接著列車檢測周圍的環(huán)境，與檢測到的AP1進行認證和關(guān)聯(lián)，列車加入到該AP集；然后，生成一個鄰居圖，以便把后續(xù)檢測到的AP加入到該鄰居圖中。在一個給定的時間段t（t≥所有邊的平均切換時間，依據(jù)傳播時延計算）自動更新鄰居圖，同時車載計算機設(shè)置的一個計數(shù)器，計數(shù)加1。

2）當(dāng)列車在軌道上運行時，依次探測余下的3個信道，如果發(fā)現(xiàn)新AP的頻率，且能夠正確解調(diào)，則將該AP加入到生成的鄰居圖中，同時計數(shù)器加1。

3）如果計數(shù)器計數(shù)為4，滿足切換條件，則啟動切換程序的同時將計數(shù)器置為3。如果列車在當(dāng)前關(guān)聯(lián)的AP場強強度為0的位置，且能夠發(fā)現(xiàn)新的AP，則說明之前列車經(jīng)過的那個AP發(fā)生故障，所以啟動強制切換程序，關(guān)聯(lián)到該位置的AP，將計數(shù)器置為1；如果列車在當(dāng)前關(guān)聯(lián)的AP場強強度為0的位置，且發(fā)現(xiàn)不了新的AP，則查詢鄰居圖信息，如果發(fā)現(xiàn)列表中存在AP信息，說明當(dāng)前關(guān)聯(lián)的AP前方至少有2個AP發(fā)生故障，也需啟動強制切換程序，強行關(guān)聯(lián)到鄰居圖中僅存的這個AP，將計數(shù)器置為1。滿足強制切換程序的條件是發(fā)現(xiàn)當(dāng)前關(guān)聯(lián)的AP場強強度為0，執(zhí)行強制切換程序的目的是在存在故障AP的情況下，快速找到目標(biāo)AP。

4）繼續(xù)重復(fù)2）～3）的步驟。

2.3 頻率組合切換算法分析

1）切換流程：一次完整的頻率組合切換過程如圖3所示。

圖3 一次完整的頻率組合切換過程

圖4 鄰居圖

2）鄰居圖及切換時機：根據(jù)頻率組合切換算法，所生成的鄰居圖（等價于移動圖）如圖4所示。在圖4中，帶陰影的圓表示當(dāng)前正關(guān)聯(lián)的AP；白色圓表示當(dāng)前能檢測到頻率的AP；圓之間的橫虛線表示正在刪除其之前的AP；圓之間的橫實線代表AP在列車的鄰居圖中；橫線的長短代表切換雙方的位置遠近。

·所有AP正常運行時：如圖4所示，在網(wǎng)絡(luò)中所有AP都正常運行的情況下，會發(fā)現(xiàn)從AP2位置處開始，后續(xù)每個AP位置處都能夠同時檢測到4個頻率。由頻率組合切換算法可知，每個AP位置處即為切換的準(zhǔn)確判斷時機，又由于切換時的掃描時延僅僅是為了對特定信道的掃描發(fā)現(xiàn)，所以時延小。網(wǎng)絡(luò)根據(jù)具體的切換時機，采用緩存機制、流量控制方式及退避機制等手段限制后續(xù)數(shù)據(jù)的發(fā)射，可以保證切換的平滑進行。

·網(wǎng)絡(luò)中存在故障AP時：當(dāng)前列車關(guān)聯(lián)的AP前方存在故障AP時，列車?yán)^續(xù)保持與當(dāng)前的AP關(guān)聯(lián)，直到當(dāng)前關(guān)聯(lián)的AP場強強度為0，觸發(fā)強制切換。同時需要判斷是1個AP故障還是2個AP故障，以決定采用何種查詢方式來尋找目標(biāo)AP。如果列車在場強強度為0的位置可以發(fā)現(xiàn)新AP，即可判斷存在一個故障AP，則可強制切換到發(fā)現(xiàn)的新AP；如果列車在場強強度為0的位置不能發(fā)現(xiàn)新AP，即至少存在2個故障AP，可查詢鄰居圖來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)AP。如果發(fā)現(xiàn)當(dāng)前鄰居圖中存在有鄰居AP信息，即存在連續(xù)的2個故障AP，則強制切換到鄰居圖中發(fā)現(xiàn)的這個AP；如果在鄰居圖中不能發(fā)現(xiàn)鄰居AP信息，則此算法失效。無論采用何種方式確定目標(biāo)AP，切換時機都是在場強強度為0的位置。所以，切換時機是確定的。無論采用何種方式都能很快確定目標(biāo)AP，因為這些目標(biāo)都在候選目標(biāo)AP集內(nèi)，故時延小。網(wǎng)絡(luò)采用相應(yīng)的手段可以保證平滑地切換。

3 仿真驗證

本文采用OPNET仿真平臺驗證頻率組合切換算法。OPNET的分層結(jié)構(gòu)由上到下依次為網(wǎng)絡(luò)模型、節(jié)點模型和進程模型，分別對應(yīng)著實際的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備的特性和有限狀態(tài)機描述的協(xié)議，因此這種分層建模機制能夠全面反映網(wǎng)絡(luò)的特性［6］。根據(jù)頻率組合切換算法構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)模型如圖5所示。

圖5中，“jammer＿0”、“jammer＿1”和“jammer＿2”代表同樣的干擾源但發(fā)射功率不同；“STA＿1”代表速度為60km／h的列車，“destination”代表控制中心。仿真時由“STA＿1”發(fā)送數(shù)據(jù)，“destination”接收數(shù)據(jù)，分析切換過程中的切換時延、切換丟包率結(jié)果。軌旁AP的Attribute仿真參數(shù)設(shè)置見表1，設(shè)定Minchanneltime與Maxchanneltime分別為7ms和11ms。

圖5 頻率組合切換算法的網(wǎng)絡(luò)模型

表1 軌旁AP仿真參數(shù)設(shè)置

3.1 切換時延分析

OPNET仿真平臺能夠?qū)⒎抡鎴D的結(jié)果以電子表格的形式表現(xiàn)出來。電子表格中的“－1”代表列車與AP斷開連接，其它數(shù)字代表列車當(dāng)前與某個AP連接，如圖6所示。

在頻率組合切換算法中，定義軌旁AP的天線采用智能天線，動態(tài)調(diào)整其發(fā)射功率；除了彌補信號路徑損耗外，還可以彌補網(wǎng)絡(luò)中存在的干擾源的影響帶來的損耗，以此來保證通信鏈路質(zhì)量。智能天線技術(shù)和直接擴頻技術(shù)能夠保證移動列車在單個AP覆蓋范圍內(nèi)可以同時感受到周圍所有的網(wǎng)絡(luò)；而冗余軌旁AP的布局，使列車能實時更新與冗余軌旁AP之間的鄰居關(guān)系，以使其保存的鄰居圖趨向于移動圖。雖然頻率組合切換算法要求同時能夠檢測到4個頻率，但真正引起掃描時延的是對AP所在位置的那個新頻率的掃描發(fā)現(xiàn)和正確解調(diào)的時間。因為軌旁AP位置及所在位置的新頻率都是人為設(shè)定的，所以整個掃描時延就是為了切換時對特定信道的掃描發(fā)現(xiàn)和正確解調(diào)。該算法簡單，能夠準(zhǔn)確判斷切換時機，不會因為接下來電場強度不滿足通話鏈路質(zhì)量，而切換到原來的AP。因此，可以減少切換次數(shù)，消除乒乓效應(yīng)影響，減少時延。

圖6 軌旁AP與列車之間連接關(guān)系仿真圖

3.2 丟包率分析

無論采用頻率組合切換算法還是補充的強制切換算法，都能夠快速確定目標(biāo)AP。所以，在切換時，網(wǎng)絡(luò)可以通過退避機制及對高層來的數(shù)據(jù)進行排隊完全消除切換過程中的丟包問題，做到平滑切換，如圖7及圖8所示。

4 結(jié)語

圖7 軌旁AP與列車之間數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系

圖8 軌旁AP與列車之間在數(shù)據(jù)傳輸時的丟包關(guān)系

本文針對城市軌道交通CBTC系統(tǒng)列車快速運行提出了頻率組合切換算法，判斷切換的條件是基于檢測到的頻率數(shù)目。這樣做的優(yōu)勢是一方面可以提前獲知目標(biāo)接入點，通過某些技術(shù)手段使切換時信道質(zhì)量滿足要求，保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性；另一方面該算法可以準(zhǔn)確判斷切換時機，采用一定的技術(shù)手段可以保證網(wǎng)絡(luò)平滑切換，且該算法僅對特定的信道掃描，所以算法簡單，引起的切換時延小，提高了整個CBTC系統(tǒng)的可靠性。

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