王萌淮，李 波

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710061)

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基于WLAN的車地?zé)o線通信設(shè)備研究

王萌淮，李 波

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710061)

針對當(dāng)前WLAN技術(shù)應(yīng)用在地鐵監(jiān)控領(lǐng)域存在的網(wǎng)絡(luò)容量、負(fù)載均衡等問題，設(shè)計(jì)了基于FPGA和接入點(diǎn)AP的一種無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，其中 FPGA負(fù)責(zé)對接收的視頻數(shù)據(jù)的緩存轉(zhuǎn)發(fā)處理以及AP的工作狀態(tài)信息的收集，并以FPGA作為負(fù)載均衡處理的核心。同時文中還提出了一種切換式的負(fù)載均衡策略，根據(jù)當(dāng)前的負(fù)載狀況等信息對WLAN設(shè)備的負(fù)載進(jìn)行再次調(diào)整。吞吐量測試表明，系統(tǒng)的吞吐量能達(dá)到160 Mbit·s-1，同時各個WLAN設(shè)備的負(fù)載較為均衡，系統(tǒng)的資源得到充分利用。

WLAN；車地?zé)o線通信；網(wǎng)絡(luò)傳輸；負(fù)載均衡

在地鐵監(jiān)控領(lǐng)域，列車入庫之后，為防范城市軌道交通意外事件發(fā)生，地面控制中心人員需要實(shí)時調(diào)取列車車廂內(nèi)車載攝像頭拍攝的監(jiān)控圖像信息，以保障入庫車輛的安全[1]。同時地面控制中心為了對突發(fā)性異常事件的過程進(jìn)行及時的監(jiān)視和記憶，用以高效、及時地指揮和調(diào)度應(yīng)急處理，需要一種新的無線傳輸技術(shù)來滿足快速、穩(wěn)定的、容量越來越大的監(jiān)控圖像信息的傳輸要求。目前應(yīng)用在地鐵監(jiān)控領(lǐng)域的寬帶無線技術(shù)主要有TDD/FDD-LTE[2]、定制OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)、WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)、WLAN(Wireless Local Area Networks)等4種技術(shù)，相對于其他幾項(xiàng)技術(shù)，WLAN[3]技術(shù)產(chǎn)品鏈比較成熟，應(yīng)用較為廣泛，同時WLAN技術(shù)的終端設(shè)備的成本比較低，采用WLAN技術(shù)進(jìn)行車地視頻圖像的傳輸時，可大幅降低成本。同時現(xiàn)有的WLAN設(shè)備均可較好地支持二次開發(fā)，研發(fā)設(shè)計(jì)成本較低。

目前國內(nèi)外基于WLAN技術(shù)的地鐵監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)無線傳輸存在幾個問題，一方面是WLAN網(wǎng)絡(luò)容量問題，當(dāng)前地鐵環(huán)境下，WLAN設(shè)備密集覆蓋時，若鄰近的多個工作于AP(Access Point)模式的WLAN設(shè)備共享同一信道，造成WLAN設(shè)備相互間干擾嚴(yán)重，網(wǎng)絡(luò)傳輸性能不能充分發(fā)揮。另一方面是無線局域網(wǎng)負(fù)載均衡[4]問題，由于無線局域網(wǎng)采用的802.11協(xié)議[5]標(biāo)準(zhǔn)中沒有對負(fù)載均衡方面做出描述和規(guī)定，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的分布完全由客戶端設(shè)備自由隨意的切換。在多個AP的重疊區(qū)域內(nèi)，客戶端設(shè)備通常選擇與信號強(qiáng)度 (Received Signal Strength Indication，RSSI)最大或者通信時延最小的AP[6]建立網(wǎng)絡(luò)連接，這種網(wǎng)絡(luò)建立機(jī)制并未考慮AP的實(shí)際負(fù)載，易產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞風(fēng)險(xiǎn)，造成網(wǎng)絡(luò)效率和性能下降、系統(tǒng)的資源利用率變差等問題。本文在研究當(dāng)前存在問題的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA和接入點(diǎn)A的適合監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)腤LAN設(shè)備。

1 WLAN設(shè)備系統(tǒng)框架

WLAN設(shè)備系統(tǒng)框架主要由電源模塊、以太網(wǎng)模塊以及AP模塊組成。其中電源模塊主要是給雙網(wǎng)口的以太網(wǎng)模塊以及AP模塊供電，分別提供1.2 V，2.5 V，3.3 V，48 V，5 V的電壓。以太網(wǎng)模塊包括串口通信模塊、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、物理接口收發(fā)器、網(wǎng)絡(luò)變壓器、時鐘電路、配置電路等部分，主要功能包括對AP模塊上電的參數(shù)配置、負(fù)載均衡算法的實(shí)現(xiàn)以及對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的處理。AP模塊工作在802.11n[7]模式，主要用于實(shí)現(xiàn)車載與地面間的無線通信。WLAN設(shè)備的系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 WLAN設(shè)備系統(tǒng)框架

2 WLAN設(shè)備應(yīng)用場景

車地?zé)o線傳輸組網(wǎng)配置，如圖2所示。

圖2 車地?zé)o線傳輸場景組網(wǎng)配置

圖2中AP1，AP2，AP3為工作于AP模式的WLAN設(shè)備，C1，C2，C3為工作于Client模式的WLAN設(shè)備，N1為地面服務(wù)器端，N2，N3，N4為車廂內(nèi)的終端設(shè)備。N1與AP1、AP2、AP3之間通過交換機(jī)連接在一個有線網(wǎng)絡(luò)中，C2與N2連接在一個有線網(wǎng)絡(luò)中，C1與N4，C3與N3分別連接在另外兩個有線網(wǎng)絡(luò)中。圖中顯示的C2和AP2已連接成功，C1和C3同時成功的連接到AP1上。AP3上面則未接入任何Client模式的WLAN設(shè)備。

2.1 車地?zé)o線傳輸場景中的數(shù)據(jù)處理

(1)Client模式WLAN設(shè)備接入時的端口號的分配。Client模式的WLAN設(shè)備上電后，會根據(jù)信號選擇RSSI[8]較強(qiáng)的AP模式的WLAN設(shè)備建立連接，該AP模式的WLAN設(shè)備會從自身的空白端口中選一個分配給這個Client模式的WLAN設(shè)備，其中可分配的端口為3001～3015；

(2)AP模式的WLAN設(shè)備的接入狀態(tài)上傳。AP模式的WLAN設(shè)備會每間隔5 s(配置決定)向所連的N1發(fā)送如圖3所示的內(nèi)容。N1端就認(rèn)為C2是關(guān)聯(lián)在AP2的第一個通訊端口(3000)上，C1時關(guān)聯(lián)在AP1的3000通訊端口，C3關(guān)聯(lián)在AP1的3004通訊端口；

(3)服務(wù)器端指令數(shù)據(jù)的下發(fā)。假若N1此時有數(shù)據(jù)要下發(fā)到N2，則N1選擇以網(wǎng)段1所示的數(shù)據(jù)包格式將數(shù)據(jù)發(fā)送到AP2的3000端口，然后AP2將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給C2，C2選擇以網(wǎng)段2所示數(shù)據(jù)包的格式將幀數(shù)據(jù)發(fā)送到N2。

(4)客戶端監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的上傳。N2對接收到來自于N1的數(shù)據(jù)包實(shí)時檢測，若N2檢測到數(shù)據(jù)上傳命令之后，N2選擇以網(wǎng)段3所示的數(shù)據(jù)包的格式將數(shù)據(jù)發(fā)送給C2，C2將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給AP2，AP2選擇以網(wǎng)段1所示的數(shù)據(jù)包的格式將數(shù)據(jù)發(fā)送給N1的相應(yīng)端口；

(5)當(dāng)客戶端N1將UDP數(shù)據(jù)發(fā)送到AP3的某個端口后，AP3發(fā)現(xiàn)自身未連接到任何客戶端，于是將收到的所有的數(shù)據(jù)全部丟棄。

圖3 狀態(tài)信息上傳格式

2.2 WLAN設(shè)備的負(fù)載均衡處理

在圖2典型應(yīng)用場景中，WLAN設(shè)備內(nèi)的以太網(wǎng)模塊通過與AP模塊命令的交互，收集接入的Client[9]模式WLAN設(shè)備的狀態(tài)信息，然后通過相互交流鄰居AP模式的WLAN設(shè)備的負(fù)載狀態(tài)信息，判斷出超載與非超載的AP模式的WLAN設(shè)備，對超載的WLAN設(shè)備關(guān)聯(lián)的客戶端執(zhí)行切換操作。負(fù)載均衡的實(shí)現(xiàn)需AP模式的WLAN設(shè)備與Client模式的WLAN設(shè)備共同參與，其中AP模式的WLAN設(shè)備的算法流程如圖3所示，圖中AP表示AP模式的WLAN設(shè)備，STA表示Client模式的WLAN設(shè)備，具體描述如下：

(1)區(qū)域內(nèi)工作于AP模式[10]的WLAN設(shè)備上電之后，N1端上位機(jī)發(fā)送廣播消息，配置各個AP模式的WLAN設(shè)備的狀態(tài)信息上傳的時間間隔，其中AP模式的WLAN設(shè)備上傳的信息內(nèi)容包括設(shè)備序號、接入的Client模式WLAN設(shè)備的IP、本地流量信息以及AP模式的WLAN設(shè)備所分配的端口號信息。各AP模式的WLAN設(shè)備相互交流負(fù)載狀態(tài)信息；

(2)AP模式的WLAN設(shè)備將當(dāng)前自身流量與區(qū)域內(nèi)各個AP模式WLAN設(shè)備的流量總和的比值作為負(fù)載占比LOAD，如若APi(i=1,2,3…)的LOAD超過一定限值，則根據(jù)AP模式WLAN設(shè)備之間的負(fù)載交流，判斷出當(dāng)前存在的一個非超載的其他AP模式WLAN設(shè)備APj(j=1,2,3…,j≠i)，則此時超載的APi構(gòu)造超載指示幀，并向與之關(guān)聯(lián)的所有Client模式的WLAN設(shè)備發(fā)送；

(3)若APi收到非關(guān)聯(lián)Client模式的WLAN設(shè)備的探測請求幀，則構(gòu)造含有RSSI、負(fù)載占比LOAD等負(fù)載信息的探測響應(yīng)幀回復(fù)給Client模式的WLAN設(shè)備。若搜到的是關(guān)聯(lián)Client模式的WLAN設(shè)備的探測響應(yīng)幀，則提取響應(yīng)的負(fù)載信息；

(4)超載的APi根據(jù)負(fù)載均衡控制模塊通知的負(fù)載占比信息，判斷出若當(dāng)前LOAD最小，且APi處于正常狀態(tài)時，則超載APj選取自身關(guān)聯(lián)的WLAN設(shè)備中負(fù)載占比最小的Client模式的WLAN設(shè)備，向負(fù)載最輕的APi發(fā)送切換請求，APj根據(jù)請求的次序逐個接納Client模式的WLAN設(shè)備；

(5)若超載的APj接收到APi的允許接收回復(fù)，則本次切換成功，超載AP在權(quán)值隊(duì)列中刪除切換到其他WLAN設(shè)備的Client模式的WLAN設(shè)備相關(guān)的LOAD值，避免以后再次分流Client模式的WLAN設(shè)備時，AP無用的計(jì)算。若APi拒絕接收，則表明由于其他AP模式的WLAN設(shè)備的切換，導(dǎo)致此AP臨近超載，則應(yīng)該繼續(xù)尋找下一個最大的LOAD值，重復(fù)步驟(4)。若沒有一個AP模式的WLAN設(shè)備肯接納Client模式的WLAN設(shè)備，則說明所有原本正常的AP模式的WLAN設(shè)備均處于臨界超載或者超載狀態(tài)，此時不再進(jìn)行任何切換；

(6)若AP模式的WLAN設(shè)備在切換后仍超載，則轉(zhuǎn)，(2)，否則算法結(jié)束。

圖4 AP端算法實(shí)現(xiàn)框圖

客戶端的控制流程圖如圖4所示，具體描述如下：

(1)Client模式的WLAN設(shè)備收到AP模式的WLAN設(shè)備的超載廣播后，在信道上向所有可視AP模式的WLAN設(shè)備發(fā)送探測請求幀，啟動定時器，開始計(jì)時；

(2)若定時器未超時，且收到了來自AP模式的WLAN設(shè)備的探測響應(yīng)幀[11]，則轉(zhuǎn)步驟(4)，否則轉(zhuǎn)步驟(3)；

(3)若Client模式的WLAN設(shè)備探測的次數(shù)超過最大探測時間，則自動終止，不再發(fā)送任何幀，算法結(jié)束。否則繼續(xù)向AP模式的WLAN設(shè)備發(fā)送請求幀，轉(zhuǎn)步驟(2)；

(4)Client模式的WLAN設(shè)備從探測響應(yīng)幀中提取RSSI的流量、接入客戶端的數(shù)目等信息，根據(jù)RSSI的閥值進(jìn)行判斷，選取當(dāng)前RSSI大于閥值的AP模式的WLAN設(shè)備發(fā)送給進(jìn)行廣播的AP模式的WLAN設(shè)備。

圖5 客戶端算法實(shí)現(xiàn)框圖

3 性能測試

3.1 吞吐量測試

利用兩臺WLAN設(shè)備，兩臺計(jì)算機(jī)搭建吞吐量測試平臺，組網(wǎng)示意圖如圖2所示。在N1端設(shè)定網(wǎng)絡(luò)性能測試工具IPerf的發(fā)送UDP數(shù)據(jù)流的帶寬為80 Mbit·s-1，發(fā)送數(shù)據(jù)的端口號為7000，接收數(shù)據(jù)端口號為7001；在N2端設(shè)定發(fā)送UDP數(shù)據(jù)流的帶寬為80 Mbit·s-1，發(fā)送端口號為7001，接收數(shù)據(jù)端口號為7000。間隔50 s分別對收到的數(shù)據(jù)流的帶寬進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)吞吐量統(tǒng)計(jì)如圖6所示，系統(tǒng)吞吐量穩(wěn)定約在160 Mbit·s-1，能滿足地鐵環(huán)境下對傳輸帶寬的要求。

圖6 雙向傳輸時系統(tǒng)吞吐量統(tǒng)計(jì)

3.2 無線局域網(wǎng)的負(fù)載均衡效果測試

為便于進(jìn)行系統(tǒng)的負(fù)載均衡效果測試，采用3臺AP模式的WdLAN設(shè)備與13臺Client模式的WLAN設(shè)備做組網(wǎng)測試[12]，組網(wǎng)示意圖如圖2所示。其中3臺AP模式的WLAN的分別工作在不同的信道，且AP模式的設(shè)備的信號覆蓋區(qū)域之間有重疊區(qū)域。各個Client模式的WLAN設(shè)備選擇AP模式的WLAN設(shè)備關(guān)聯(lián)[13]之后，通過調(diào)節(jié)各個Client模式的WLAN設(shè)備的數(shù)據(jù)包生成時間間隔，使得各Client模式的WLAN設(shè)備的業(yè)務(wù)負(fù)載量各不相同。優(yōu)化前各個AP模式的WLAN設(shè)備的吞吐量如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)均衡優(yōu)化前各WLAN設(shè)備吞吐量

由圖7可看出，由于AP1和AP2所關(guān)聯(lián)的Client模式WLAN設(shè)備數(shù)量較多，所以其吞吐量也較高。而AP1負(fù)載的Client模式的WLAN設(shè)備個數(shù)雖遠(yuǎn)多于AP2負(fù)載的Client模式的WLAN設(shè)備的個數(shù)，但AP1的吞吐量和AP2的吞吐量卻相差較小，由此說明AP1上的無線頻帶上的沖突嚴(yán)重，因此嚴(yán)重影響了通信的質(zhì)量，此時需要對AP1采取負(fù)載均衡的方法來降低AP1的負(fù)載，從而減輕沖突，提高通信質(zhì)量[14]。

采用本文的負(fù)載均衡算法后，由于AP1吞吐量超過既定的閥值，所以處于超載狀態(tài)AP1需要做負(fù)載分流[15]，此時均衡的結(jié)果就是將AP1的一部分Client模式的WLAN設(shè)備分配到AP3上去，使得AP3的吞吐量得到大幅提升，且在切換的過程中，根據(jù)吞吐量不斷進(jìn)行調(diào)整負(fù)載分配。每隔10 s統(tǒng)計(jì)的各WLAN設(shè)備吞吐量如圖8所示，其中3個AP模式的WALN設(shè)備之間的吞吐量基本分布在50 Mbit·s-1與60 Mbit·s-1左右，系統(tǒng)的資源得到充分利用。

圖8 負(fù)載均衡后各WLAN設(shè)備吞吐量

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種適合地鐵監(jiān)控領(lǐng)域的無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)腤LAN設(shè)備，測試結(jié)果表明系統(tǒng)吞吐量能達(dá)到160 Mbit·s-1，能夠滿足地鐵監(jiān)控視頻傳輸?shù)男枨?，同時與傳統(tǒng)采用RSSI最大的選擇接入的策略相比，本文提出的負(fù)載均衡策略能有效均衡系統(tǒng)的負(fù)載，提高系統(tǒng)吞吐量。

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The Design of Train-ground Wireless Communication Device Based on WLAN

WANG Menghuai，LI Bo

(School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications,xi’an 710061, China)

when the WLAN technology is used in the field of subway monitoring，it exists the problem of network capacity and the load balancing. We design a wireless transmission equipment based on FPGA and access point (AP). The FPGA is responsible for the video frame data to a receiving buffer forwarding processing and AP state information collection, also the FPGA chip as the load equalization processing core. this paper also presents a switching load balancing strategy based in the current load status information of WLAN equipment load adjust again and distribution in the formation of the wireless LAN topology. The throughput test results show that the system throughput can reach 160Mbps, and the load of each WLAN device is relatively balanced, the system resources are fully utilized.

WLAN; train-ground wireless communication; network transmission; load balancing

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.004

2016- 02- 01

王萌淮(1989-)，男，碩士研究生。研究方向：寬帶無線通信技術(shù)。李波(1980-)，男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：寬帶無線通信技術(shù)。

TN92；TP393.1

A

1007-7820(2016)12-012-05