時(shí)間：2023-07-02 08:23:59
緒論：在尋找寫作靈感嗎？愛發(fā)表網(wǎng)為您精選了8篇車載網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，愿這些內(nèi)容能夠啟迪您的思維，激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，歡迎您的閱讀與分享！
關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；移動(dòng)服務(wù)量；車載網(wǎng)絡(luò)；資源調(diào)度算法；二分圖
中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.05.012
0 引言
車載網(wǎng)絡(luò)（Vehicular Ad Hoc Networks，VANETs）是支撐智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation System，ITS）的關(guān)鍵技術(shù)，由具有無線通信能力的車輛節(jié)點(diǎn)或路邊基礎(chǔ)設(shè)施（Roadside Infrastructure Unit，RIU）構(gòu)成。與傳統(tǒng)移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)不同，車載網(wǎng)絡(luò)管理的是公路上高速移動(dòng)的機(jī)動(dòng)車輛，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆S車輛移動(dòng)動(dòng)態(tài)變化，基于車載網(wǎng)絡(luò)的交通應(yīng)用對(duì)通信實(shí)時(shí)性要求較高。資源調(diào)度是提高車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量、降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延的重要技術(shù)手段，是車載網(wǎng)絡(luò)的重點(diǎn)研究內(nèi)容。
為改進(jìn)傳統(tǒng)智能交通系統(tǒng)低效的通信模式，車載網(wǎng)絡(luò)以更直接、高效的方式收集、傳播和分發(fā)信息。資源調(diào)度是提高車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸能力的重要技術(shù)手段，車載網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度的主要挑戰(zhàn)在于如何有效利用車載網(wǎng)絡(luò)物理層條件（車輛移動(dòng)性、車輛無線信道、車輛相對(duì)位置）滿足應(yīng)用層的需求。
Liu等人研究了如何利用RIU作為協(xié)作中繼幫助車載網(wǎng)絡(luò)車輛傳輸數(shù)據(jù)。Wu等人提出了一種從路邊基站到行駛車輛的下行調(diào)度算法，對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)下行信道資源進(jìn)行有效管理。Zhang等人提出了同時(shí)考慮上行和下行請(qǐng)求的調(diào)度算法。2013年Li針對(duì)WiMAX網(wǎng)絡(luò)和WAVE網(wǎng)絡(luò)中資源調(diào)度方式不同，提出一種基于反饋的兩級(jí)資源調(diào)度機(jī)制。H.Ilhan等人提出了一種基于放大轉(zhuǎn)發(fā)的自組織Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。M.Seyfi等人提出了一種兩跳車載網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇策略。M.F.Feteiha等人提出了一種基于多天線放大中繼的車載網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度策略。Zheng等人基于圖論提出了一種車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的鏈路V2I（Vehicle-to-Infrastructure）和車輛與車輛之間的鏈路V2V（Vehicle-to-Vehicle）并存的車載網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度方法。文獻(xiàn)[18]基于多選擇的聯(lián)合鏈路調(diào)度與資源優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[19]基于LTE-Advanced架構(gòu)提出了中繼車載網(wǎng)絡(luò)的一種傳輸方法。
這些研究從車載網(wǎng)絡(luò)信道資源分配管理角度提高了路邊基站的訪問效率。不足之處在于，現(xiàn)有車載網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度方法大多都基于車輛的瞬時(shí)狀態(tài)，沒有考慮車輛的移動(dòng)性，難以準(zhǔn)確刻畫車載網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸能力并充分發(fā)揮車載網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)下的系統(tǒng)性能。
1 異構(gòu)車載網(wǎng)絡(luò)
如圖1所示，一個(gè)典型的異構(gòu)車載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包含公路上高速行駛的車輛節(jié)點(diǎn)和RIU，所有的車輛都可通過V2I/V2V兩種鏈路與RIU通信，進(jìn)而接入Internet。同時(shí)，車輛與車輛之間通過V2V鏈路互相通信，共享路面信息。本文研究的異構(gòu)車載網(wǎng)絡(luò)由V2I（采用LTE-Advanced協(xié)議）和V2V（采用Dedicated Short RangeCommunication，DSRC協(xié)議）兩部分鏈路組成；采用的調(diào)度算法是通過調(diào)度管理車載網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路資源（V2I與V2V），幫助車載網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)各車輛互相協(xié)作，從而提高車載網(wǎng)絡(luò)整體數(shù)據(jù)傳輸性能。
針對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是高速移動(dòng)的機(jī)動(dòng)車輛，本文提出了一種基于移動(dòng)服務(wù)量的異構(gòu)車載網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度算法（Moble Services Resource Scheduling algorithm，MSRS）。MSRS算法中，由基站對(duì)兩種網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。與現(xiàn)有算法（Achievable Rate-based Resource Scheduling algorithm，ARRS）使用車輛瞬時(shí)可達(dá)速率調(diào)度不同，MSRS算法首先依據(jù)車輛的運(yùn)行軌跡計(jì)算調(diào)度周期內(nèi)V2I和V2V鏈路移動(dòng)服務(wù)量；根據(jù)V2I移動(dòng)服務(wù)量分配車輛使用直接與基站通信還是通過協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)車輛與基站通信；若車輛為協(xié)作通信方式，基站利用圖論中的二分圖最大權(quán)重匹配算法為車輛分配協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)車輛，車輛作為二分圖頂點(diǎn)、V2I和V2V鏈路為二分圖邊、V2I和V2V移動(dòng)服務(wù)量為邊的權(quán)重。MSRS算法為異構(gòu)車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸提供最大總吞吐量傳輸方案。仿真實(shí)驗(yàn)表明，與現(xiàn)有基于瞬時(shí)速率的資源調(diào)度算法相比，在不同車輛數(shù)量、車速、基站覆蓋范圍條件下MSRS算法都可以提供更高的數(shù)據(jù)吞吐量，與窮舉資源調(diào)度算法相比，MSRS算法復(fù)雜度更低。
2 車載網(wǎng)絡(luò)鏈路誤差分析
車載網(wǎng)絡(luò)中由于車輛快速移動(dòng)，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖僮兓?jié)點(diǎn)間的通信鏈路質(zhì)量變化也很快。采用基于瞬時(shí)可達(dá)速率的車載網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度算法，為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的這種快變特點(diǎn)，必須縮短調(diào)度周期，不斷計(jì)算并更新調(diào)度結(jié)果。這會(huì)帶來調(diào)度計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)信令的開銷大幅增長，降低車載網(wǎng)絡(luò)有效傳輸能力。
如圖2所示場景，V1遠(yuǎn)離RIU行駛，V2、V3與V1相對(duì)行駛靠近RIU。在圖2（a）時(shí)刻車載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行資源調(diào)度，此時(shí)若采用傳統(tǒng)的瞬時(shí)可達(dá)速率作為優(yōu)化目標(biāo)效用函數(shù)，由于V1此時(shí)離RIU近、信道條件好，則V3的最大可達(dá)速率策略為選擇V1作為協(xié)作節(jié)點(diǎn)協(xié)助V3與RIU通信。圖2（b）所示為調(diào)度周期結(jié)束時(shí)車輛的所在位置。比較圖2（a）與（b）可以看出，由于V3與V1相對(duì)行駛且V1逐漸遠(yuǎn)離RIU，V3通過V1協(xié)助與RIU的可達(dá)速率不斷減少，調(diào)度周期內(nèi)V3獲得的通信速率大大少于預(yù)期?？梢姡瑘D2（a）調(diào)度獲得的最優(yōu)調(diào)度方案在實(shí)際運(yùn)行時(shí)并不是最優(yōu)方案，調(diào)度方案預(yù)期性能與實(shí)際效果有較大誤差。
造成這種誤差的原因是資源調(diào)度方案只考慮車載網(wǎng)絡(luò)的瞬時(shí)靜態(tài)可達(dá)速率狀態(tài)，并以此為依據(jù)進(jìn)行資源調(diào)度。而車載網(wǎng)絡(luò)是不斷運(yùn)動(dòng)變化的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)相互位置動(dòng)態(tài)變化，以靜態(tài)方案規(guī)劃動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)必然造成誤差，難以達(dá)到最優(yōu)配置網(wǎng)絡(luò)資源的目的。為減少誤差，現(xiàn)有資源調(diào)度方案大多通過增加調(diào)度頻率、減少調(diào)度周期的方法減少網(wǎng)絡(luò)在調(diào)度周期運(yùn)行期間與方案規(guī)劃時(shí)狀態(tài)的差異。這種方法增加了通信開銷，減少了算法有效持續(xù)時(shí)間，越來越不適應(yīng)車輛密度越來越大、車速越來越快的現(xiàn)代交通網(wǎng)絡(luò)。
因此，本文提出基于移動(dòng)服務(wù)量的車載網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度算法，通過計(jì)算調(diào)度周期內(nèi)車輛能獲得的移動(dòng)服務(wù)量代替調(diào)度時(shí)的瞬時(shí)可達(dá)速率進(jìn)行車載網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度。該算法能反映調(diào)度周期內(nèi)車輛位置變化帶來的車輛可達(dá)速率改變，從而更精確的描述車載網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化，減少車載網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度算法在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的誤差。
3 移動(dòng)服務(wù)量
為設(shè)計(jì)更精確的資源調(diào)度方案，采用移動(dòng)服務(wù)量代替瞬時(shí)可達(dá)速率，計(jì)算車輛在一個(gè)調(diào)度周期可以獲得的移動(dòng)服務(wù)量，從而更精確的描述車載網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)，為更精確的資源調(diào)度方案設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。定義第k個(gè)調(diào)度周期可以獲得的移動(dòng)服務(wù)量為：
圖7仿真車輛數(shù)目對(duì)MSRS算法的影響。20、40、60、80、100、120、140、160、180、200輛車輛隨機(jī)分布在道路上，車輛最大時(shí)速35m/s，RIU覆蓋半徑500m，每種車輛數(shù)目進(jìn)行200次實(shí)驗(yàn)取均值。從圖7可以看出，十字路口場景下，無論車輛數(shù)目如何變化，MSRS算法相比ARRS算法所獲得的資源分配方案更優(yōu)，能使車載網(wǎng)絡(luò)達(dá)到更大的數(shù)據(jù)吞吐量。
圖8仿真車速對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度算法的影響。100輛車隨機(jī)分布在道路上，RIU覆蓋半徑500m，車輛最大時(shí)速為22-52m/s，每種車速進(jìn)行200次實(shí)驗(yàn)取均值。圖8可以看出，十字路口場景下，無論最大車速如何變化，MSRS算法相比ARRS算法得出的資源分配方案更優(yōu)，能使車載網(wǎng)絡(luò)達(dá)到更大的數(shù)據(jù)吞吐量。隨著最大車速增加，MSRS算法相對(duì)ARRS算法的總吞吐量也呈現(xiàn)不斷增長趨勢(shì)；在最大車速大于40米/秒后，MSRS算法相對(duì)ARRS算法的性能優(yōu)勢(shì)更明顯，說明隨著車速增加，車輛在一個(gè)調(diào)度周期移動(dòng)的距離增大，ARRS算法描述車輛鏈路性能的誤差也越大，因此MSRS算法相對(duì)ARRS算法的性能優(yōu)勢(shì)更加明顯，MSRS算法更適合高速移動(dòng)車載網(wǎng)絡(luò)。
圖9仿真RIU覆蓋范圍對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度算法的影響。100輛車輛隨機(jī)分布在道路上，車輛最大時(shí)速為35m/s，RIU覆蓋半徑500-1500m，為每種覆蓋半徑進(jìn)行200次實(shí)驗(yàn)取均值。
圖9表明，隨著RIU覆蓋范圍的不斷增加，MSRS算法和ARRS算法的總吞吐量都在不斷下降。這是因?yàn)镽IU發(fā)送功率不變，當(dāng)RIU覆蓋范圍增加時(shí)場景面積相應(yīng)變大，車輛間、車輛與RIU間距離也相應(yīng)增加，因此路徑損耗變大、接收功率降低、吞吐量隨之下降。但無論RIU覆蓋范圍如何變化，MSRS算法都優(yōu)于ARRS算法，MSRS算法使車載網(wǎng)絡(luò)達(dá)到更高的數(shù)據(jù)吞吐量。
關(guān)鍵詞：混雜感知車載網(wǎng)；表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移；車載感知服務(wù)；服務(wù)資源
Abstract: Obtaining vehicular sensor information reliably in real time has always been a bottleneck in vehicular networks. Hybrid sensor and vehicular networks (HSVN) incorporates the features of wireless sensor networks (WSN) and vehicular ad hoc networks (VANET) and provides users with a large amount of vehicular information. HSVN is becoming the trend in vehicular network development. REST architecture makes resources and interactive behavior more uniform and creates stateless services between server and client. These features are helpful for heterogeneous applications. In this paper, we propose a new vehicular network frame and service module for improving interaction. We propose a way of using the information service resources design method in HSVN to create a lightweight method for building an interactive system in a heterogeneous network environment.
Key words: HSVN; REST; vehicular sensor service; service resource
隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，以感知、互聯(lián)為特征的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用越來越得到重視，一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域就是車聯(lián)網(wǎng)。和傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)一樣，車聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)也是無線傳感網(wǎng)(WSN)，它為車輛的感知、互聯(lián)提供基礎(chǔ)支持。由于車輛移動(dòng)的特性，車輛之間通常形成以自組織為特點(diǎn)的車載自組網(wǎng)(VANET)。WSN和VANET的結(jié)合形成一種混雜感知車載網(wǎng)(HSVN)[1-2]。在VANET或HSVN中，車輛非靜態(tài)地與基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行鏈接(與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)方式不同)，這使得車輛網(wǎng)絡(luò)必須考慮如何將車輛作為節(jié)點(diǎn)集成到基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，以便網(wǎng)絡(luò)能夠通過路由設(shè)施尋址獲得對(duì)車輛節(jié)點(diǎn)的交互服務(wù)。
由于VANET和HSVN的移動(dòng)和自組織性，在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層，從信息資源類型、信息資源訪問方法、信息資源的交互方式等角度出發(fā)，對(duì)其所運(yùn)行的信息系統(tǒng)也有不同的要求。在Web服務(wù)當(dāng)中，表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移(REST)作為一種軟件架構(gòu)約束或者設(shè)計(jì)原則，其目標(biāo)在于避免服務(wù)器使用資源服務(wù)的應(yīng)用狀態(tài)，通過確保服務(wù)當(dāng)中的重要資源能夠以統(tǒng)一標(biāo)識(shí)符(URI)的方式得以指示，進(jìn)而使得客戶端的所有交互能夠從服務(wù)器上獲得所有必需的服務(wù)狀態(tài)信息，同時(shí)服務(wù)器端不用保存來自客戶端的資源會(huì)話狀態(tài)信息[3-4]。與傳統(tǒng)的基于狀態(tài)的應(yīng)用相比，REST的這種工作方式大大提高了Web服務(wù)的可伸縮性、通用性和組件獨(dú)立性，這對(duì)于需要處理海量的不同信息類型的無線車輛網(wǎng)絡(luò)無疑具有一定的適用性。
本文結(jié)合HSVN信息服務(wù)的典型應(yīng)用，給出一種基于REST設(shè)計(jì)思想的車載感知信息服務(wù)的設(shè)計(jì)框架，它能夠以較經(jīng)濟(jì)的方式滿足車載感知信息服務(wù)需求。
1 混雜感知車載網(wǎng)信息服務(wù)
1.1 混雜感知車載網(wǎng)信息服務(wù)場景
車輛在道路上行駛，在經(jīng)過道路交叉口臨時(shí)?？亢瓦M(jìn)入停車場后?？壳闆r下，車輛和外在單元的信息交互服務(wù)應(yīng)用，可以看作是典型的具有WSN和VANET特征的HSVN應(yīng)用。圖1表示了這種HSVN應(yīng)用的一個(gè)典型場景。
圖1中，架設(shè)在道路邊上的道路終端，以及在停車場上的停車場終端，構(gòu)成了一個(gè)“靜態(tài)”的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)，靜態(tài)WSN的主節(jié)點(diǎn)可以以有線的方式接入主干網(wǎng)(如Internet)。而車輛自身的感知服務(wù)加入到這個(gè)靜態(tài)WSN中，形成了“動(dòng)態(tài)”的WSN
行駛在道路上的車輛之間構(gòu)成一個(gè)自組織的VANET。車輛處在VANET和WSN兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之中。這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)道路交通信息的共享以及進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)交換。車輛自發(fā)組成的VANET，并不是保持持續(xù)的狀態(tài)而是在可能的條件下以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的模式進(jìn)行互聯(lián)，尤其是在兩輛車相互靠近的時(shí)候。車輛一方面能夠采集自身的狀態(tài)信息，另一方面當(dāng)車輛經(jīng)過道路終端時(shí)能夠下載存儲(chǔ)于網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的道路信息，而車輛也能實(shí)時(shí)地將自身的信息上傳到WSN進(jìn)行覆蓋更新。圖1給出的典型場景當(dāng)中存在著3種交互子場景：
?VANET中車輛與WSN的交互，通過和道路終端的通信完成。
?同一方向上的車車交互。
?相反方向上以車群為單位的車車交互。
1.2 混雜感知車載網(wǎng)服務(wù)模型
通過對(duì)典型場景的分析，可以把一個(gè)HSVN內(nèi)信息交互對(duì)象分成車載終端用戶、道路交通服務(wù)基站、交通安全服務(wù)中心和PC用戶四大類。其中，PC用戶是指通過高速接入(一般為有線網(wǎng)絡(luò))方式接入到主干網(wǎng)的靜態(tài)終端用戶，這部分用戶的應(yīng)用模式和傳統(tǒng)的PC應(yīng)用模式相同，本文中不加專門討論。
HSVN應(yīng)用目的之一是保障交通安全，為用戶提供“平安出行”的服務(wù)。交通安全服務(wù)中心作為整個(gè)服務(wù)系統(tǒng)的核心，維護(hù)了各項(xiàng)服務(wù)的獨(dú)立性和安全性。一般它具有專門的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和交通路況信息系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)(GIS)等進(jìn)行互聯(lián)，結(jié)合HSVN中道路交通傳感器網(wǎng)絡(luò)，能夠存儲(chǔ)從各個(gè)節(jié)點(diǎn)收集來的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行有效地?cái)?shù)據(jù)分類規(guī)劃并對(duì)各分類服務(wù)進(jìn)行有效地管理控制。典型的服務(wù)內(nèi)容見表1。
圖2中的道路交通服務(wù)基站是由一系列道路終端、停車場終端等組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)交通安全設(shè)計(jì)的需要，這些基站(終端)可以是簡單的信息收發(fā)單元(類似于接入點(diǎn)(AP))，也可以是自帶系統(tǒng)的智能單元。從安全感知的需求出發(fā)，道路交通服務(wù)基站會(huì)被設(shè)計(jì)成為帶有數(shù)據(jù)庫的小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，既可監(jiān)測(cè)路況信息又可作為數(shù)據(jù)的接入點(diǎn)。它能夠從任何的車輛節(jié)點(diǎn)接收、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，也能夠?yàn)檐囕v提供一定的信息服務(wù)。其擁有屬于自己的資源控制規(guī)則。基于基站感知元件的感知能力不同，不同的道路交通服務(wù)基站有不同的覆蓋范圍。在移動(dòng)應(yīng)用中，車載終端用戶形成車載自組網(wǎng)(VANET)，網(wǎng)內(nèi)車輛為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信模式。隨著車輛在道路上的行進(jìn)，一般這個(gè)網(wǎng)絡(luò)會(huì)動(dòng)態(tài)地進(jìn)行改變。
車載終端和交通安全服務(wù)中心以及道路交通服務(wù)基站的通信會(huì)比較復(fù)雜一些。一方面，車輛通過道路終端或停車場終端等服務(wù)基站來獲取信息服務(wù)。如果車輛在行駛過程中，其和道路終端的關(guān)系動(dòng)態(tài)地改變，服務(wù)會(huì)根據(jù)車輛行駛的路線分段進(jìn)行。車載終端會(huì)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，選擇便于接入的道路交通服務(wù)基站。車輛終端用戶從中獲取路況信息。道路交通服務(wù)基站會(huì)定期與交通安全服務(wù)中心進(jìn)行交互以更新信息。道路交通服務(wù)基站扮演著無線網(wǎng)絡(luò)和固定網(wǎng)絡(luò)的接口角色，其自身也相應(yīng)搜集氣象等信息。圖2顯示了場景的服務(wù)結(jié)構(gòu)。車載終端用戶所在的車輛節(jié)點(diǎn)擁有獨(dú)立的信息展示系統(tǒng)，沿其行駛路線進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，一方面接受服務(wù)基站和安全中心的各種服務(wù)，一方面將自身的數(shù)據(jù)與基站和中心進(jìn)行共享。車輛節(jié)點(diǎn)與其所在的車載自組網(wǎng)同樣也會(huì)進(jìn)行信息的共享。
對(duì)于沒有道路交通服務(wù)基站覆蓋的區(qū)域，車載終端可以通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(2G/3G網(wǎng)絡(luò))和主干網(wǎng)進(jìn)行通信，直接從交通安全服務(wù)中心獲取服務(wù)。
1.3 混雜感知車載網(wǎng)信息服務(wù)的特點(diǎn)
根據(jù)上面分析，結(jié)合HSVN中車載終端的移動(dòng)特性，可以得知HSVN中信息服務(wù)有如下特點(diǎn)：
(1)信息多路傳播，多路由。車載終端可以通過道路終端接入到主干網(wǎng)，獲取交通安全服務(wù)中心的服務(wù)，也可以通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)直接接入主干網(wǎng)獲取服務(wù)。數(shù)據(jù)傳輸路由的選擇則與道路終端的部署情況、車輛無線網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度、服務(wù)的內(nèi)容等因素有關(guān)系。
(2)客戶/服務(wù)角色的統(tǒng)一。一個(gè)節(jié)點(diǎn)(車載終端、道路終端等)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中既可能是客戶(獲取服務(wù))，也可以是服務(wù)者(提供信息服務(wù))。每個(gè)終端都有一定的信息處理能力，需要對(duì)不同的信息進(jìn)行融合分析處理。
(3)信息可以分成緊急和非緊急兩大類。對(duì)于緊急信息，需要實(shí)時(shí)傳播。例如，前面車輛的突發(fā)故障信息需要及時(shí)傳遞給后續(xù)車輛，發(fā)出警示。緊急信息一般可以被設(shè)計(jì)成短幀格式，便于傳送。而非緊急信息，如道路的實(shí)時(shí)路況視頻信息，一般需要更大的帶寬來進(jìn)行傳輸。
(4)服務(wù)傳送信息越簡潔越好。由于移動(dòng)過程中車輛和道路終端的連接會(huì)頻繁切換，因此一個(gè)服務(wù)最好是車輛在一個(gè)道路終端的覆蓋范圍內(nèi)完成。服務(wù)信息涉及的字節(jié)數(shù)越少，完成服務(wù)的時(shí)間越短，其涉及的信息單元就越少。
2 表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移信息
交互設(shè)計(jì)
針對(duì)跨平臺(tái)、松耦合的客戶/服務(wù)體系，面向服務(wù)的架構(gòu)(SOA)是一種普遍的解決方法。2000年Microsoft公司正式提出Web服務(wù)概念，并且隨后聯(lián)合其他公司共同制訂了簡單訪問對(duì)象協(xié)議(SOAP)，Intel、IBM、Microsoft等公司指定了Web服務(wù)描述語言(WSDL)和統(tǒng)一描述、發(fā)現(xiàn)和集成(UDDI)協(xié)議，形成了完整的SOAP Web服務(wù)體系架構(gòu)[5]。在該模式下，超文本傳輸協(xié)議(HTTP)只是用來進(jìn)行信息傳遞的協(xié)議。在這協(xié)議之上有SOAP協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝[6]。一個(gè)Web服務(wù)通過WSDL來進(jìn)行描述，一般包含了多個(gè)可以被調(diào)用的方法。調(diào)用方法可以使用多種數(shù)據(jù)類型，甚至是數(shù)組等復(fù)雜數(shù)據(jù)類型。
這種面向傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)平臺(tái)的Web服務(wù)架構(gòu)主要缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，一個(gè)URI對(duì)應(yīng)的Web服務(wù)包含很多方法，各個(gè)方法調(diào)用形式不同，參數(shù)類型不同，導(dǎo)致訪問的編程復(fù)雜。同時(shí)，由于信息傳遞是通過基于SOAP規(guī)范的可擴(kuò)展標(biāo)記語言(XML)文件實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳遞過程必須進(jìn)行必要的打包操作，帶來了數(shù)據(jù)傳送量的增大。
2000年，Roy Thomas Fielding提出了REST風(fēng)格的Web服務(wù)。服務(wù)在Web級(jí)規(guī)模交互上存在優(yōu)勢(shì)，其具有以下特征[6-7]：
?帶有狀態(tài)的服務(wù)被抽象成資源。
?每個(gè)資源都對(duì)應(yīng)唯一的資源標(biāo)識(shí)(URI)。
?所有資源通過通用的連接器接口(HTTP)進(jìn)行通信和操作，限制在CRUD(Create、Retrieve、Update和Delete)4種操作。
?所有REST交互都是無狀態(tài)的。
?采用Client-Server結(jié)構(gòu)，用戶界面與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開。
?架構(gòu)是分層的。
?服務(wù)器端響應(yīng)強(qiáng)制標(biāo)志出是否可以緩存。
在SOAP式的Web服務(wù)架構(gòu)中，關(guān)注點(diǎn)在于方法；在REST式的架構(gòu)中，關(guān)注點(diǎn)在于資源。服務(wù)架構(gòu)使用標(biāo)準(zhǔn)方法檢索并操作信息片段，同時(shí)需要制訂信息的表示方法[8]。REST利用簡單的HTTP、URI標(biāo)準(zhǔn)和XML語言構(gòu)建起輕量級(jí)的Web服務(wù)，從而大幅度地提升了開發(fā)效率和程序性能，也為構(gòu)建下一代高性能、高可伸縮性、簡單性、可移植性、可靠性的Web程序提供了一個(gè)架構(gòu)風(fēng)格上的準(zhǔn)則。
3 混雜感知車載網(wǎng)信息
服務(wù)的表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移
風(fēng)格的服務(wù)設(shè)計(jì)
REST風(fēng)格的服務(wù)設(shè)計(jì)，可以被稱為面向資源的應(yīng)用(ROA)風(fēng)格的應(yīng)用。在REST當(dāng)中，資源的定義起到了基礎(chǔ)性的作用。資源設(shè)計(jì)可借鑒的方法有很多種，這里主要從上面提到的服務(wù)對(duì)象和服務(wù)過程來歸納。
3.1 感知信息數(shù)據(jù)規(guī)劃
在REST當(dāng)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)規(guī)劃的真正作用在于提出系統(tǒng)想要提供或者說暴露的數(shù)據(jù)集，也就是系統(tǒng)的服務(wù)類。表2是HSVN場景下所定義的典型數(shù)據(jù)集，每一數(shù)據(jù)集擁有其根據(jù)實(shí)際需要而統(tǒng)一的數(shù)值類型和命名方式。
3.2 感知信息資源設(shè)計(jì)
REST的資源設(shè)計(jì)和命名是通過設(shè)計(jì)URI來體現(xiàn)的，同時(shí)URI也表明了資源的地址[9-10]。URI是客戶端與服務(wù)端之間接口的重要部分，保持其穩(wěn)定性和永久性是相當(dāng)重要的，為此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該按照一定的規(guī)范來保障URI的一致性。本文按文獻(xiàn)[11]所提的慣例來設(shè)計(jì)。
首先對(duì)于整個(gè)服務(wù)來講，服務(wù)首頁也就是根資源，定義其URI為省略。接下來，可對(duì)每個(gè)子服務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其URI分別定義如下：
?車輛預(yù)警模塊――省略/vehicle-warning
?路況預(yù)警模塊――省略/road-warning
?氣象服務(wù)模塊――省略/weather-services
?定位服務(wù)模塊――省略/localization-services
?路徑規(guī)劃模塊――省略/path-plan
在此基礎(chǔ)上，以路況預(yù)警為例，進(jìn)一步進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體如表3所示。
3.3 感知信息資源表述
確定資源并設(shè)計(jì)好URI以后，必須考慮當(dāng)客戶端發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器應(yīng)返回什么數(shù)據(jù)。在REST風(fēng)格中，資源有多種表示形式，包括XML/JSON/ATOM等等。該資源格式應(yīng)要能夠：傳達(dá)資源的當(dāng)前狀態(tài)；鏈接到可能的下個(gè)應(yīng)用狀態(tài)或資源狀態(tài)。
路況預(yù)警資源的組織形式，表現(xiàn)為層次結(jié)構(gòu)，每一層次就是一項(xiàng)數(shù)據(jù)報(bào)告，以屬性名進(jìn)行命名。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)連通性，在路況預(yù)警資源的表示中將顯示其他資源的URI。由于JSON格式表示簡單，屬于純文本格式，有利于降低網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載要求[12-13]，本文采用此格式。類似的表述格式如圖3所示。
從整體上考慮，資源的表示主要是設(shè)定HTTP的請(qǐng)求報(bào)頭和請(qǐng)求實(shí)體，并且實(shí)體的格式必須和連接類型聲明一致。
4 表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移式的混雜
感知車載網(wǎng)服務(wù)架構(gòu)
建立針對(duì)HSVN的REST風(fēng)格的服務(wù)，需要通過分析服務(wù)當(dāng)中的邏輯實(shí)體，建立服務(wù)信息模型，從而規(guī)劃出滿足HSVN條件的REST風(fēng)格的服務(wù)。圖4是根據(jù)HSVN信息服務(wù)特征及REST約束規(guī)則設(shè)計(jì)的HSVN軟件服務(wù)架構(gòu)。架構(gòu)以資源服務(wù)控制器為核心。
客戶端是各類需要服務(wù)的應(yīng)用系統(tǒng)?？蛻舳税ㄒ苿?dòng)終端以及靜態(tài)終端，其涉及的操作系統(tǒng)平臺(tái)也各不相同。
感知服務(wù)層提供各類服務(wù)。其中，資源服務(wù)控制器負(fù)責(zé)管理客戶端的服務(wù)請(qǐng)求(在其內(nèi)部擁有一個(gè)路由設(shè)備)，根據(jù)URI將每個(gè)收到的請(qǐng)求路由到適合的服務(wù)節(jié)點(diǎn)(找到適合的HSVN網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn))。各個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)通過規(guī)范化的REST接口去執(zhí)行具體的信息服務(wù)請(qǐng)求。
服務(wù)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行在道路終端、車載終端或者服務(wù)中心的異構(gòu)計(jì)算機(jī)平臺(tái)上。各類服務(wù)節(jié)點(diǎn)提供的服務(wù)能力不同。
資源服務(wù)層提供整個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)共享的數(shù)據(jù)和資源服務(wù)，其運(yùn)行于服務(wù)中心的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上。
5 結(jié)束語
HSVN作為未來車載網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，其混合式的框架決定了其在處理車載感知信息時(shí)的復(fù)雜性和多樣性，對(duì)信息服務(wù)的數(shù)據(jù)融合、表示、存儲(chǔ)等各方面提出了較高要求。本文在分析HSVN應(yīng)用場景和服務(wù)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合REST架構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，給出了HSVN中車載感知信息服務(wù)的設(shè)計(jì)方法，可以生成具有良好可伸縮性、通用性和組件獨(dú)立性的車載網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)。
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收稿日期：2012-01-03
作者簡介
關(guān)鍵詞：車載網(wǎng)絡(luò)；發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)；故障診斷
一、引言
為了實(shí)現(xiàn)很多系統(tǒng)的信息共享，很多汽車廠商把車上的各控制單元通過網(wǎng)線連接起來，形成車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。當(dāng)車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障引起電控發(fā)動(dòng)機(jī)故障時(shí)，如何少走彎路，快速判斷故障原因，找出故障所在，不僅是學(xué)校在校師生教學(xué)的難點(diǎn)，也是很多汽車修理廠技師面臨的一個(gè)難題。本文以通用車系（雪佛蘭科魯茲）為例，介紹基于車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障的電控發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷方法和思路。
二、通用車系（雪佛蘭科魯茲）車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特點(diǎn)
通用雪佛蘭科魯茲車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要包括高速GMLAN、低速GMLAN、底盤擴(kuò)展總線、線性互聯(lián)網(wǎng)(LIN)四部分。由于發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)屬于高速GMLAN范疇，故本文只討論高速GMLAN。高速GMLAN通過網(wǎng)線（雙絞線）把車身控制模塊、電子控制模塊、動(dòng)力轉(zhuǎn)向控制模塊、自動(dòng)變速器控制模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊串聯(lián)在一起，網(wǎng)絡(luò)兩端的電子控制單元內(nèi)，有終端電阻，目的是防止信號(hào)反射造成信號(hào)干擾，如圖所示。電子控制單元串聯(lián)使各模塊能實(shí)現(xiàn)快速信息傳輸和共享，但相比電子控制單元并聯(lián)，有個(gè)明顯的缺陷：如果其中一個(gè)控制模塊損壞或某一段網(wǎng)線出現(xiàn)故障（開路）會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無法傳輸信息而癱瘓。在雪佛蘭科魯茲發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊K20正常工作與否受車身控制模塊K9控制，由高速GMLAN網(wǎng)絡(luò)示意圖可知，如果車身控制模塊K9、電子控制模塊、動(dòng)力轉(zhuǎn)向控制模塊、自動(dòng)變速器控制模塊或他們之間的網(wǎng)線故障均會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)工作。
三、通用車系（雪佛蘭科魯茲）車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（高速GMLAN）故障現(xiàn)象
對(duì)于通用車系（雪佛蘭科魯茲）車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，一般都有一些明顯的故障特征：其一，整個(gè)車載網(wǎng)絡(luò)不工作或多個(gè)控制單元ECU有故障，導(dǎo)致起動(dòng)機(jī)不能運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。其二，通過專用的故障診斷設(shè)備與個(gè)別或多個(gè)控制單元ECU通信，現(xiàn)象變現(xiàn)為無法與診斷設(shè)備連接通訊。
四、通用車系（雪佛蘭科魯茲）車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障的故障診斷與排除的方法
當(dāng)人們通過上述故障現(xiàn)象初步判斷出是車載網(wǎng)絡(luò)故障引起發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)故障時(shí)，可以通過下面步驟作進(jìn)一步判斷，并進(jìn)行故障排除：第一，通過測(cè)量終端電阻的方法確定是否為車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障。由通用雪佛蘭科魯茲高速GMLAN網(wǎng)絡(luò)示意圖可知，網(wǎng)絡(luò)兩端的電子控制單元內(nèi)，有終端電阻。通過發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷接口的4和16號(hào)腳，可以測(cè)量終端電阻的阻值，正常應(yīng)為60Ω左右；如果測(cè)出的阻值大于60歐姆（120歐姆左右），則可以確定為該網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)網(wǎng)線開路或者某電子控制單元損壞導(dǎo)致內(nèi)部開路[1]。第二，通過專用的故障診斷設(shè)備讀取網(wǎng)絡(luò)上各發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制模塊數(shù)據(jù)確定故障范圍。由通用雪佛蘭科魯茲高速GMLAN網(wǎng)絡(luò)示意圖可知，如果讀不到某個(gè)控制單元的數(shù)據(jù)，則可以判斷該控制單元之前的控制單元及其網(wǎng)絡(luò)線有問題。舉個(gè)例子：如果通過專用的故障診斷設(shè)備不能讀取Q6控制電磁閥總成（自動(dòng)變速器控制單元）的數(shù)據(jù)，則說明該控制單元之前的控制單元（包括車身控制模塊、電子制動(dòng)控制模塊、動(dòng)力轉(zhuǎn)向控制模塊）及其網(wǎng)絡(luò)線都可能有問題。通過再進(jìn)一步讀取身控制模塊、電子制動(dòng)控制模塊、動(dòng)力轉(zhuǎn)向控制模塊的數(shù)據(jù)，這時(shí)，如果身控制模塊、電子制動(dòng)控制模塊都可以讀到數(shù)據(jù)，則可以把故障范圍鎖定在動(dòng)力轉(zhuǎn)向控制模塊及其網(wǎng)線上[2]。第三，通過萬用表測(cè)通斷、示波器讀取波形或更換控制單元的方法確定故障點(diǎn)。通過步驟2，人們可以把故障范圍縮小到某個(gè)控制單元及其網(wǎng)絡(luò)線，那到底是控制單元故障還是其網(wǎng)絡(luò)線故障，還需進(jìn)一步判斷。一種方法是直接更換控制模塊，如果故障消除，則說明是控制模塊故障；另一種方法是通過萬用表測(cè)量或通過示波器讀取波形的方法來判斷網(wǎng)絡(luò)線是否正常，如果網(wǎng)線正常則是控制單元故障[3]。
五、結(jié)束語
總之，裝載有車載網(wǎng)絡(luò)的發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的診斷是十分復(fù)雜的，需要人們?cè)趯W(xué)習(xí)工作中不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，這樣才能夠提高故障診斷效率，達(dá)到事半功倍的效果。
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【關(guān)鍵詞】異構(gòu)網(wǎng)絡(luò) 上下文感知 垂直切換
doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.12.012 中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-1010（2016）12-0055-04
引用格式：郭穩(wěn)濤. 基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上下文感知垂直切換判決策略的研究[J]. 移動(dòng)通信， 2016，40（12）： 55-58.
1 引言
隨著汽車的普及，城市道路越來越擁堵。將車輛與道路信息進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)形成車聯(lián)網(wǎng)，能有效減少城市擁堵，無線通信技術(shù)的發(fā)展使得這一設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。然而車載移動(dòng)終端處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不可能長期處于一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，因此車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)一定是多種網(wǎng)絡(luò)并存的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。為了保證車載移動(dòng)終端在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下服務(wù)的連續(xù)性，要求移動(dòng)終端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接入切換時(shí)必須做到無縫切換，所以在研究垂直切換技術(shù)時(shí)，解決問題的關(guān)鍵是切換時(shí)的時(shí)延，可選擇一種合適的上下文感知垂直切換判決策略應(yīng)用到切換當(dāng)中，能夠有效提高垂直切換的性能。
2 基于SCTP協(xié)議的垂直切換技術(shù)
2.1 SCTP協(xié)議
SCTP（Stream Control Transmission Protocol，流控制傳輸協(xié)議）是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、面向傳輸層的協(xié)議，它能夠使兩個(gè)端點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳送更加穩(wěn)定、有序。SCTP在一定程度上是TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）的改進(jìn)，它保留了TCP較為完善的擁塞控制，同時(shí)對(duì)TCP的不足之處進(jìn)行了改進(jìn)，如改單地址連接為多宿主（Multi-homing）連接等。
SCTP通信前必須建立通信關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)指的是兩個(gè)端點(diǎn)之間的通信關(guān)系，任何時(shí)候兩個(gè)端點(diǎn)之間只有一個(gè)關(guān)聯(lián)，SCTP用傳輸?shù)刂肺ㄒ蛔R(shí)別。但是SCTP的多宿主性允許每個(gè)端點(diǎn)有多個(gè)IP地址，通過IP關(guān)聯(lián)，一個(gè)關(guān)聯(lián)有多個(gè)實(shí)現(xiàn)路徑。
SCTP關(guān)聯(lián)示意圖如圖1所示：
2.2 mSCTP協(xié)議
SCTP協(xié)議與DAR擴(kuò)展一起被稱為mSCTP（移動(dòng)SCTP），為了滿足SCTP協(xié)議移動(dòng)性的要求，IETF（The Internet Engineering Task Force，國際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組）專家對(duì)協(xié)議進(jìn)行了動(dòng)態(tài)地址擴(kuò)展重置，使得SCTP協(xié)議滿足點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的移動(dòng)性。
在mSCTP協(xié)議中，一個(gè)點(diǎn)可以同時(shí)綁定多個(gè)IP，能對(duì)IP地址進(jìn)行動(dòng)態(tài)刪減或增加，當(dāng)IP地址發(fā)生改變時(shí)，動(dòng)態(tài)地告知關(guān)聯(lián)的連接點(diǎn)。關(guān)聯(lián)路徑可以通過主路徑和備選路徑實(shí)現(xiàn)，通信一旦建立，只有一條路徑即主路徑，其余的路徑則都是備選路徑。主路徑的IP為mSCTP協(xié)議通信服務(wù)，當(dāng)這個(gè)主IP發(fā)生故障時(shí)，備選IP地址中信號(hào)最好的可作為此時(shí)的主IP繼續(xù)完成數(shù)據(jù)傳送。
從上述過程來看，在傳輸層垂直切換過程中，信號(hào)的強(qiáng)弱仍然是傳統(tǒng)的判決策略選擇依據(jù)。但是在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，來自不同的網(wǎng)絡(luò)在物理層采用的技術(shù)不一樣，導(dǎo)致信號(hào)的強(qiáng)弱也不一樣，以信號(hào)的強(qiáng)弱作為垂直切換的依據(jù)顯然不能滿足異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的需求，基于上下文感知的垂直切換判決策略能夠解決此類問題。
3 上下文感知切換判決策略
3.1 上下文感知的判決策略
上下文感知是無線網(wǎng)絡(luò)通信的核心技術(shù)之一，控制系統(tǒng)能夠根據(jù)上下文的環(huán)境變化隨時(shí)調(diào)整自身行為，解放人對(duì)控制系統(tǒng)的管理，上下文感知是智能控制的有效實(shí)施途徑。
在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，車載移動(dòng)終端、用戶的需求喜好和不同網(wǎng)絡(luò)的背景信息都是需要綜合考慮的，基于上下文感知的判決策略能夠有效解決上述問題。它包含自適應(yīng)管理和上下文背景資料庫兩個(gè)主要部分。自適應(yīng)管理負(fù)責(zé)垂直切換的判決，以上下文背景的變化為依據(jù)自適應(yīng)調(diào)整切換執(zhí)行過程；來自不同網(wǎng)絡(luò)、不同層級(jí)的上下文背景信息則由上下文背景資料庫負(fù)責(zé)收集和管理，同時(shí)上下文背景資料庫對(duì)信息進(jìn)行評(píng)估。在此基礎(chǔ)上，終端位置的變化、網(wǎng)絡(luò)QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）都是評(píng)估對(duì)象，通過評(píng)估來判決切換的時(shí)間和切換的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。
基于上下文感知的判決策略流程圖如圖2所示：
首先收集信息，包括車載終端信息、用戶喜好信息和網(wǎng)絡(luò)信息等，這些信息都是判決的依據(jù)；然后利用AHP（Analytic Hierarchy Process，層次分析法）和SAW（Simple Additive Weight，簡單加權(quán)法）對(duì)收集的信息進(jìn)行分析，在上下文背景信息庫中進(jìn)行查詢，如果有相同的案例則直接進(jìn)入切換過程，如果沒有則采用層次分析法對(duì)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值進(jìn)行計(jì)算，針對(duì)用戶的喜好信息，利用簡單加權(quán)法分析后選擇最適宜的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切入；最后對(duì)通信連接進(jìn)行垂直切換判決，同時(shí)對(duì)連接信息表進(jìn)行維護(hù)，控制網(wǎng)絡(luò)信息和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。
基于上下文感知的執(zhí)行流程圖如圖3所示：
3.2 層次分析法規(guī)范網(wǎng)絡(luò)參數(shù)權(quán)值
層次分析法（AHP）是20世紀(jì)70年代由美國運(yùn)籌學(xué)家匹茨堡大學(xué)教授薩蒂提出，它的特點(diǎn)是把復(fù)雜問題的關(guān)聯(lián)因素進(jìn)行層次劃分，一般形成措施層、準(zhǔn)則層和目標(biāo)層等層次，然后對(duì)每個(gè)層次中的要素進(jìn)行兩兩比較，形成重要性的定量描述，最后通過數(shù)學(xué)方法計(jì)算每層的重要性權(quán)值，把各層的結(jié)果求和得到總排序。本設(shè)計(jì)采用層次分析法（AHP）對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行判決，選擇網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)帶寬3種關(guān)鍵因素參數(shù)作為分析依據(jù)，具體如下：
（1）建立層次結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)屬性特點(diǎn)，將系統(tǒng)分為目標(biāo)層、指標(biāo)層和方案層。其中，把可選網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重作為目標(biāo)層；指標(biāo)層則包括網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)帶寬三個(gè)內(nèi)容；把UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移動(dòng)通信系統(tǒng)）、WLAN（Wireless Local Area Networks，無線局域網(wǎng)絡(luò)）作為方案層。
（2）構(gòu)造判斷矩陣。把指標(biāo)層網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)帶寬三個(gè)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)分別定義為a1、a2、a3，用1至9及其倒數(shù)標(biāo)度的方法構(gòu)造判斷矩陣，其中網(wǎng)絡(luò)參數(shù)變量的取值不同反映了車載移動(dòng)終端對(duì)各要素重要性的認(rèn)識(shí)。
（3）計(jì)算權(quán)值向量做出一致性判斷。根據(jù)之前構(gòu)造的矩陣計(jì)算其權(quán)值向量，判斷矩陣的完全一致性，如果計(jì)算出矩陣不具有完全一致性，則需要重新構(gòu)造矩陣，直至達(dá)到完全一致性，此時(shí)計(jì)算出來的權(quán)值向量就是相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)權(quán)重。
（4）得出不同網(wǎng)絡(luò)的最終權(quán)值。各個(gè)可選網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值都可以通過矩陣計(jì)算的方法得到，然而不同網(wǎng)絡(luò)的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)不一樣，服務(wù)質(zhì)量也不盡相同，這些原因都造成了用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)的選擇有一定的主觀性，所以層次分析法計(jì)算出來的權(quán)值也不能作為最終的切換依據(jù)，必須把用戶的喜好等因素考慮進(jìn)來，利用簡單加權(quán)法對(duì)信息進(jìn)行綜合分析，最終得到每個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，然后再選擇最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切入。
3.3 策略實(shí)現(xiàn)過程
本方案設(shè)計(jì)選擇的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為WLAN和UMTS兩種無線網(wǎng)絡(luò)重疊區(qū)域，當(dāng)車載移動(dòng)終端從WLAN網(wǎng)絡(luò)區(qū)域駛?cè)險(xiǎn)MTS網(wǎng)絡(luò)區(qū)域時(shí)，收集滿足切換條件的各種信息，如網(wǎng)絡(luò)信息、用戶喜好等，采用層次分析法和簡單加權(quán)法進(jìn)行分析判決，看所處網(wǎng)絡(luò)是否滿足切換條件，一旦滿足切換條件，則車載移動(dòng)終端自動(dòng)切換到最優(yōu)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)?；谏舷挛母兄拇怪鼻袚Q過程具體如下：
（1）關(guān)聯(lián)通信
車載移動(dòng)終端作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，在WLAN網(wǎng)絡(luò)中訪問到接入點(diǎn)信號(hào)后分配IP地址，在WLAN網(wǎng)絡(luò)中與通信對(duì)端建立SCTP關(guān)聯(lián)，SCTP進(jìn)行初始化，把分配的IP地址設(shè)置成主IP地址并進(jìn)行通信。
（2）判決切換
車載移動(dòng)終端在通信的過程中同時(shí)收集一些相關(guān)信息，然后在上下文信息庫中查找，通過掃描看庫中是否存在相同的判決和切換案例。如果發(fā)現(xiàn)有相同的案例，那么車載移動(dòng)終端直接按照相同的切換過程進(jìn)行切換；如果庫中沒有找到相同的案例，那么就要通過層次分析法和簡單加權(quán)法進(jìn)行分析、計(jì)算，最終得到綜合權(quán)值，車載移動(dòng)終端再根據(jù)權(quán)值結(jié)果在網(wǎng)絡(luò)中選擇最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切入。切入后，再從最新的網(wǎng)絡(luò)重新獲得IP，通知SCTP協(xié)議棧，與現(xiàn)有的SCTP進(jìn)行關(guān)聯(lián)綁定，實(shí)現(xiàn)通信。
（3）新增IP關(guān)聯(lián)
當(dāng)車載移動(dòng)終端從WLAN進(jìn)入U(xiǎn)MTS后，重新獲得IP地址，把新的IP地址加入到自己的IP地址列表的同時(shí)，將參數(shù)的地址配置變化信息向通信對(duì)端發(fā)送，同時(shí)把新的地址信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通信對(duì)端接收后向移動(dòng)終端發(fā)送確認(rèn)信息進(jìn)行確認(rèn)。
（4）重新關(guān)聯(lián)通信
當(dāng)車載移動(dòng)終端繼續(xù)向UMTS網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域移動(dòng)時(shí)，由于先前的WLAN網(wǎng)絡(luò)不能再用，需要把IP地址進(jìn)行變更，從UMTS網(wǎng)絡(luò)重新獲得新的IP，將這個(gè)IP作為主IP進(jìn)行通信關(guān)聯(lián)，IP的更換過程通過移動(dòng)終端與通信對(duì)端的應(yīng)答實(shí)現(xiàn)，當(dāng)新的IP關(guān)聯(lián)形成之后，車載移動(dòng)終端就能夠在新的UMTS網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行新的通信。
（5）刪除舊的IP
隨著車載移動(dòng)終端的繼續(xù)移動(dòng)，UMTS網(wǎng)絡(luò)信號(hào)可能越來越弱甚至不能再用時(shí)，移動(dòng)終端必須在IP地址列表中把在UMTS網(wǎng)絡(luò)獲得的IP地址進(jìn)行刪除，這一過程可以通過與通信對(duì)端的應(yīng)答得以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)移動(dòng)終端成功地從WLAN網(wǎng)絡(luò)中接收到第一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，切換過程完成。當(dāng)車載移動(dòng)終端繼續(xù)前進(jìn)，進(jìn)入到新的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域時(shí)，重復(fù)執(zhí)行上述相同的切換過程。
4 結(jié)束語
本文通過對(duì)目前mSCTP協(xié)議進(jìn)行修改，引入上下文感知的垂直切換技術(shù)，對(duì)車載移動(dòng)終端、用戶的喜好、通信網(wǎng)絡(luò)等因素綜合考慮，采取層次分析法和簡單加權(quán)法優(yōu)化判決策略，將垂直切換中的目標(biāo)發(fā)現(xiàn)、判決決策和切換執(zhí)行三個(gè)關(guān)鍵過程有效融合，對(duì)垂直切換的時(shí)延和吞吐量等問題進(jìn)行了有效地改善，提高了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的垂直切換性能。
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1常見的車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
車載網(wǎng)路技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用大幅的簡化了汽車線路,降低了線束的用量,同時(shí)車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也提高了信息傳輸?shù)乃俣?增強(qiáng)了汽車控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[3]。不同的汽車制造商發(fā)展了很多的車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù),不同類型的車載網(wǎng)絡(luò)需要通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信號(hào)的解析交換,使不同的網(wǎng)絡(luò)類型能夠相互協(xié)調(diào),保證車輛各系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)[4]。控制器局域網(wǎng)(CAN)是國際上應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)總線之一,其數(shù)據(jù)信息傳輸速度最大可達(dá)1Mbit/s,采用雙絞線作為傳輸介質(zhì),屬于中速網(wǎng)絡(luò),在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中能向控制器局域網(wǎng)中接入很多的電子器件,大幅降低線束用量,目前控制器局域網(wǎng)主要應(yīng)用于汽車電子信息中心、故障診斷等,具有較高的抗電磁干擾特性,在汽車整車中多應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元、ABS電控單元、組合儀表電控單元等[5]。局部連接網(wǎng)絡(luò)(LIN)信息傳輸速度較低為20Kbit/s,它屬于低速網(wǎng)絡(luò),在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中常作為一種輔助總線,輔助CAN總線工作,其訪問方式為單主多從,目前主要應(yīng)用于轉(zhuǎn)向盤、車門、座椅、空調(diào)系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)等。局部聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)的先進(jìn)之處在于數(shù)字信號(hào)代替了之前的模擬信號(hào),滿足了汽車對(duì)低速網(wǎng)絡(luò)的需求。多媒體定向系統(tǒng)傳輸具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速度,在低成本的條件下棋數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)24.8Mbit/s,采用塑料光纜作為傳輸介質(zhì),屬于高速網(wǎng)絡(luò),主要應(yīng)用于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度較高的汽車多媒體系統(tǒng),例如連接車載導(dǎo)航器、無線設(shè)備、車載電話等。由于使用的是塑料光纖,其信號(hào)比較可靠,維護(hù)也比較簡單。線控技術(shù)最初源于航空航天領(lǐng)域,線控技術(shù)使用電子器件將控制單元和執(zhí)行器連接起來,大大減少了機(jī)械連接裝置和液壓連接裝置的使用。線控技術(shù)屬于高速網(wǎng)絡(luò),在汽車的安全性系統(tǒng)中有重要應(yīng)用,線控系統(tǒng)能通過傳感器感知車輪的轉(zhuǎn)向角度,通過ECU判斷并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,提高了車輪轉(zhuǎn)向的安全性。線控制動(dòng)系統(tǒng)通過導(dǎo)線也能對(duì)汽車制動(dòng)情況進(jìn)行感知,使汽車制動(dòng)系統(tǒng)的反應(yīng)的速度和感知靈敏度得到大幅度提高。D2B總線技術(shù)是針對(duì)汽車多媒體和通信需求開發(fā)的一種車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù),采用光纖為傳輸介質(zhì),傳輸速度快,屬于高速網(wǎng)絡(luò),可連接多媒體設(shè)備、語音電控單元等。D2B總線技術(shù)使用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,應(yīng)用范圍廣,傳輸信號(hào)穩(wěn)定性強(qiáng),不受電磁、廣播、輻射等干擾。
2車載網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用
車身系統(tǒng)的部件分布在汽車裝置的各處,如果使用線束則線束較長,容易受到廣播、電磁等其他信號(hào)的干擾,為了避免其他信號(hào)的干擾,在工程實(shí)踐應(yīng)用中通常采用降低通信速度來解決,由于車身系統(tǒng)組成復(fù)雜,使用了大量的人機(jī)接口的模塊,相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量也比較大,通信速度控制難度不大,但是會(huì)提高汽車整車的組裝成本,目前車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在車身系統(tǒng)的應(yīng)用主要是利用直連總線和輔助總線來完成信號(hào)的傳遞?？刂破骶钟蚓W(wǎng)(CAN)的數(shù)據(jù)總線上一般連接有中央控制單元、四個(gè)車門的控制單元和車前車后各有一個(gè)控制單元等七個(gè)控制單元,實(shí)現(xiàn)對(duì)中控門鎖、電動(dòng)車窗、照明、空調(diào)系統(tǒng)等部件的控制。其網(wǎng)絡(luò)形式為星狀形式,單一控制單元的故障不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的使用,其他控制單元仍能夠收發(fā)數(shù)據(jù),提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)作為汽車控制系統(tǒng)的核心,需要對(duì)汽車的啟動(dòng)、運(yùn)行、停止、拐彎等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制,這對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度有較高的要求,需要使用高速網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)代汽車的動(dòng)力CAN數(shù)據(jù)總線一般連接發(fā)動(dòng)機(jī)、ABS/EDL和自動(dòng)變速器三塊電腦,CAN數(shù)據(jù)總線能同時(shí)傳輸10組數(shù)據(jù),在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中要求數(shù)據(jù)傳遞盡可能的快,所以常使用高性能的發(fā)送器,以便于點(diǎn)火系統(tǒng)間數(shù)據(jù)高速度傳輸。安全系統(tǒng)是指汽車的安全氣囊啟動(dòng)系統(tǒng),目前已成為小型汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置,安全系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)駕乘人員的有效保護(hù),必須要多外界的碰撞等突況做出快速的反應(yīng),由于汽車的安全氣囊設(shè)置較多,感知外界碰撞強(qiáng)度的碰撞傳感器也較多,所以對(duì)通信速度和傳輸可靠性要求較高。信息系統(tǒng)是近年來在汽車上應(yīng)用較多的新技術(shù),主要是為了滿足駕乘人員的車載電話、音響、倒車?yán)走_(dá)、多媒體等功能的使用,由于需要的通信容量大、速度快,所以一般使用光纖,其傳輸速度能有效滿足汽車信息系統(tǒng)的要求。
3車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
3.1汽車線控技術(shù)的發(fā)展
汽車線控技術(shù)的應(yīng)用有效解決了傳統(tǒng)的機(jī)械連接和液壓連接反饋時(shí)間長,裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn),使用線控技術(shù)可以有效的減少液壓和機(jī)械控制裝置,提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈敏度,有利于為汽車的重新設(shè)計(jì)和布局優(yōu)化提供空間。目前線控技術(shù)在汽車控制和汽車制動(dòng)系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛使用,未來在汽車的遠(yuǎn)程控制、防抱死等領(lǐng)域?qū)l(fā)揮積極的作用。
3.2汽車光纖技術(shù)的發(fā)展
汽車光纖技術(shù)具有通信容量大、傳輸速度快、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),能有效滿足動(dòng)力傳輸系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸高速度的要求,能滿足信息系統(tǒng)傳輸容量大的需要,必將在未來的汽車控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用。同時(shí),光纖傳輸技術(shù)允許有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率和較高的信噪比,在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)控制、車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)和通斷負(fù)載的開關(guān)控制等方面有重要的應(yīng)用。
4結(jié)語
摘 要：無線視頻傳輸系統(tǒng)（WLAN）是實(shí)現(xiàn)列車與地面通信的重要傳輸手段，本文通過分析WLAN系統(tǒng)的特點(diǎn)，重點(diǎn)研究天津地鐵1號(hào)線的實(shí)施該系統(tǒng)的可行性。
關(guān)鍵詞：地鐵；無線視頻傳輸系統(tǒng)WLAN；AP天線
中圖分類號(hào)：TD65 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
1 研究背景
2006年6月，天津地鐵1號(hào)線正式開通試運(yùn)營。2008年8月為配合北京奧運(yùn)會(huì)的安全召開地鐵公司在車廂內(nèi)加裝了相應(yīng)的電視監(jiān)視系統(tǒng)，但是根據(jù)實(shí)際需要，指揮行車的調(diào)度員無法在線實(shí)時(shí)觀看到列車內(nèi)的圖像信息，在車廂內(nèi)出現(xiàn)問題時(shí)無法第一時(shí)間掌握現(xiàn)場情況，這就迫切要求天津地鐵1號(hào)線采取無線視頻傳輸技術(shù)將圖像傳送到控制中心，為指揮行車提供可靠的安全保障。
2 基于AP天線的WLAN性能方案
2.1 系統(tǒng)功能及軌旁AP布設(shè)策略
無線視頻傳輸系統(tǒng)即WLAN系統(tǒng)是實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)作為傳輸網(wǎng)絡(luò)的延伸，為天津地鐵1號(hào)線提供地面與列車之間的通信，無線視頻傳輸系統(tǒng)車地?zé)o線通信能夠保證列車在高速行駛的情況下，能夠以有效帶寬不低于10Mbps的速率在列車和運(yùn)營控制中心服務(wù)器間雙向傳輸視頻影像，同時(shí)保證車載AP同軌旁AP切換時(shí)做到“0”丟包。
目前基于WLAN在隧道內(nèi)的覆蓋方式有兩種：一種是AP的信號(hào)通過漏纜進(jìn)行傳輸，還有一種是AP信號(hào)通過天線進(jìn)行無線傳播，本次研究的是采用信號(hào)通過天線進(jìn)行無線傳播的方式。在沿軌道設(shè)置無線接入點(diǎn)（AP）、設(shè)置控制中心的無線控制器，以及車載的無線單元和天線。控制中心無線控制器通過傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與軌道無線接入點(diǎn)相連，在列車上設(shè)置車載無線網(wǎng)橋，以達(dá)到在全線范圍內(nèi)實(shí)時(shí)無縫的列車與地面間的圖像和數(shù)據(jù)傳遞，并實(shí)現(xiàn)快速切換。
在區(qū)間和站臺(tái)根據(jù)無線信號(hào)覆蓋的要求設(shè)置分布式數(shù)據(jù)接入交換單元，實(shí)現(xiàn)與車載數(shù)據(jù)控制單元之間的無線數(shù)據(jù)通信。各軌旁AP通過光纖收發(fā)器，以100M光纖與車站交換機(jī)相連接，經(jīng)車站數(shù)據(jù)控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過通信傳輸系統(tǒng)提供的通道與控制中心連接。
2.2 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
車地?zé)o線雙向數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)寬帶傳輸網(wǎng)重要組成部分，無線雙向數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用AP架構(gòu)組網(wǎng)方案，主要組成包括有無線管理交換機(jī)、無線管理工作站、鋪設(shè)在軌旁及車輛段的無線基站（AP）和天線、車載無線網(wǎng)橋及天線以及車載交換機(jī)等部分，方案符合WLAN 802.11a標(biāo)準(zhǔn)。無線雙向數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)中無線系統(tǒng)硬件包括有AP和無線管理交換機(jī)。無線管理交換機(jī)和AP之間不需直接互聯(lián)，可以透過IP網(wǎng)絡(luò)（可由交換機(jī)、路由器或其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成）互通。
軌旁AP在直線隧道一般每間隔200米布設(shè)一個(gè)，在彎道或地面根據(jù)實(shí)際情況采用每間隔50米、100米布設(shè)一個(gè)，AP采用定向天線，雙向無線雙向數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的無線系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)為802.11a。
2.3 車載局域網(wǎng)
車載局域網(wǎng)絡(luò)由車載無線單元、車載交換機(jī)組成，車載視頻控制器、車載監(jiān)控設(shè)備等接入該網(wǎng)絡(luò)。車載無線單元提供移動(dòng)列車與軌旁AP的實(shí)時(shí)無縫連接，用以實(shí)現(xiàn)車載視頻設(shè)備與控制中心和車站的連接。車載交換機(jī)采用工業(yè)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)各節(jié)車廂互聯(lián)，每趟列車車頭車尾分別設(shè)置無線網(wǎng)橋，同軌旁AP實(shí)現(xiàn)互相冗余的車地?zé)o線通信。
在地鐵列車車頭、車尾分別安裝一臺(tái)10端口工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，與車輛提供的以太網(wǎng)接口構(gòu)成列車內(nèi)小型局域網(wǎng)，為車載信息顯示及車載圖像監(jiān)控提供傳輸通道。車載局域網(wǎng)采用鏈網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在車頭、車尾設(shè)置兩套獨(dú)立的無線接收裝置，保證在局域網(wǎng)發(fā)生斷點(diǎn)故障時(shí)順利切換。
3 技術(shù)難點(diǎn)分析
3.1 網(wǎng)絡(luò)鏈路分析
軌旁AP與車載AP之間無線使用 802.11a用于覆蓋列車運(yùn)行沿線。12路1M監(jiān)控流，從列車通過無線信號(hào)至分布式數(shù)據(jù)接入交換單元再經(jīng)車站上傳至控制中心。同時(shí)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)必須提供滿足系統(tǒng)功能需求，并留有需求帶寬25%以上的冗余量，根據(jù)以上帶寬計(jì)算分析，總帶寬需求為12Mbps+3Mbps=15Mbps，因此，車地?zé)o線雙向數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)必須提供15Mbps的有效帶寬。
3.2 越區(qū)切換要求
由于無線網(wǎng)絡(luò)承載的是視頻信號(hào)，視頻顯示不能出現(xiàn)明顯斷點(diǎn)、失幀、抖動(dòng)、馬賽克等，故要求列車即使在高速運(yùn)行下，也要保持無線鏈路不能中斷。當(dāng)車載AP從一個(gè)軌旁AP的覆蓋范圍移動(dòng)到下一個(gè)軌旁AP的覆蓋范圍時(shí)，將發(fā)生切換。小區(qū)之間的無線切換操作是自動(dòng)的，并且對(duì)于列車操作來說是透明的。
通常802.11a的越區(qū)切換時(shí)間在500ms到2s之間（包括重新鑒權(quán)和其他以安全為目的額外開銷），在切換期間，車載AP可能與軌旁AP失去連接（也就是說，通信中斷）。為達(dá)到零切換時(shí)間，采用WLAN基于預(yù)測(cè)的切換技術(shù)（簡稱，WHFT）。WHFT算法與標(biāo)準(zhǔn)802.11a切換算法的不同在于：WHFT允許車載AP在與舊AP（如APn）脫離前與新AP（如APn+1）建立連接，即在中斷前連接。再加上相鄰AP彼此重疊足夠的區(qū)域，就能夠?qū)崿F(xiàn)零切換時(shí)間。所有與切換有關(guān)的處理，在列車運(yùn)行在相鄰AP重疊區(qū)域內(nèi)都會(huì)完成，而重疊區(qū)域的大小應(yīng)該按照列車全速運(yùn)行來設(shè)計(jì)，最快切換時(shí)延可以小于5ms，可以做到“0”丟包切換。
3.3 無線網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力分析
由于無線信號(hào)在傳播過程中會(huì)存在多個(gè)通過不同路徑到達(dá)接收點(diǎn)的信號(hào)分量，使得到達(dá)接收點(diǎn)的信號(hào)分量在相位和幅度上發(fā)生了變化。當(dāng)所有在接收點(diǎn)的信號(hào)分量疊加后，合成信號(hào)的幅度就會(huì)減小或增加，同時(shí)導(dǎo)致嚴(yán)重的符號(hào)間干擾，其結(jié)果是產(chǎn)生多徑衰落，造成通信的不穩(wěn)定。而地鐵沿線很容易產(chǎn)生多徑信道。IEEE 802.11a要求采用正交頻分復(fù)用（OFDM）的技術(shù)，將高速數(shù)據(jù)流分配到數(shù)十個(gè)相互正交的子載波上，而在每個(gè)子載波上是窄帶調(diào)制，使得信號(hào)傳輸對(duì)于多徑效應(yīng)具有選擇性衰落。其次，在高速移動(dòng)環(huán)境中，由于發(fā)送機(jī)與接收機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)的頻率偏移，出現(xiàn)誤碼。根據(jù)理論計(jì)算，2.4GHz的802.11a應(yīng)用頻段所引起的頻偏在±250Hz以內(nèi)，這就要求提供的系統(tǒng)頻率容量達(dá)到±1kHz即可正常使用。
結(jié)語
通過在地鐵隧道內(nèi)設(shè)置AP天線，在列車內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的交換設(shè)備，可以構(gòu)建成天津地鐵1號(hào)線無線視頻傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可用性。對(duì)于需要傳輸15M帶寬以及具有抗干擾能力的的需求，需要在軟件上采用正交頻分復(fù)用，確保系統(tǒng)的可靠性。
參考文獻(xiàn)
[1]宋文偉.關(guān)于鐵路運(yùn)輸高速無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯縖J].世界軌道交通，2008.
1．1組網(wǎng)建設(shè)目標(biāo)針對(duì)應(yīng)急通信領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)，短波電臺(tái)網(wǎng)應(yīng)滿足多點(diǎn)交互通信功能，對(duì)上可以及時(shí)匯報(bào)災(zāi)情以及日常運(yùn)營情況，對(duì)下及時(shí)指揮下級(jí)單位，平級(jí)單位可以聯(lián)合作業(yè)。最終形成一套完整的通信指揮網(wǎng)絡(luò)，滿足處置突發(fā)事件時(shí)可以上傳下達(dá)，平時(shí)可以進(jìn)行相關(guān)情況通報(bào)。下面以省級(jí)應(yīng)急通信為例，介紹省級(jí)應(yīng)急通信領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。
1．2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所謂網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)是指依據(jù)所給定的信息流特性———通信業(yè)務(wù)量和終端節(jié)點(diǎn)的位置，確定中間節(jié)點(diǎn)的位置和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間連接的方式。最佳的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)是網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)性的可靠保證，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)也將影響到網(wǎng)絡(luò)的可靠性、鏈路的容量及分配、流量控制及網(wǎng)絡(luò)延時(shí)等主要指標(biāo)。針對(duì)應(yīng)急通信領(lǐng)域垂直管理的工作特點(diǎn)，適合采用樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每個(gè)結(jié)點(diǎn)與其子結(jié)點(diǎn)有連接，并根據(jù)實(shí)際需要確定是否與同級(jí)其他子結(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限連接，在指揮調(diào)度過程中，通常每個(gè)機(jī)構(gòu)聽命于一個(gè)上級(jí)部門，涉及到同級(jí)子節(jié)點(diǎn)聯(lián)合行動(dòng)時(shí)，一般都由共同的上級(jí)單位負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)，所以同級(jí)子節(jié)點(diǎn)直接通信的情況并不是很多，但是為了提高整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的抗毀能力，可以考慮將幾個(gè)重點(diǎn)子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同級(jí)有限連接。樹形結(jié)構(gòu)是天然的分級(jí)結(jié)構(gòu)，與其他拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)相比通信線路總長度短，成本較低，節(jié)點(diǎn)擴(kuò)充靈活，尋徑方便，便于管理。省級(jí)應(yīng)急通信領(lǐng)域短波通信網(wǎng)由省級(jí)應(yīng)急通信部門、市級(jí)應(yīng)急通信部門和縣級(jí)應(yīng)急通信部門3層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。整個(gè)短波通信網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)全省地域的全部覆蓋，必要時(shí)還能夠與其他職能部門，以及周邊省份的救援單位跨區(qū)聯(lián)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急救援指揮無線通信逐級(jí)或越級(jí)的實(shí)時(shí)指揮調(diào)度?？h區(qū)臺(tái)、市臺(tái)和省臺(tái)之間在結(jié)構(gòu)層次上形成短波樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)業(yè)務(wù)處理的需要，在同層次上還可組成網(wǎng)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這樣每個(gè)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)之間有多條路徑可供選擇，具有較高的可靠性，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
2設(shè)備選型情況分析
針對(duì)短波通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的層次構(gòu)成，在設(shè)備選型上，從實(shí)際需要出發(fā)，以設(shè)備功能先進(jìn)性、穩(wěn)定性為重，同時(shí)權(quán)衡設(shè)備的性價(jià)比，在滿足系統(tǒng)功能需求的基礎(chǔ)上，達(dá)到系統(tǒng)功能先進(jìn)，運(yùn)行穩(wěn)定、易于操作、升級(jí)維護(hù)方便、兼容性好，性價(jià)比高。
2．1電臺(tái)種類選型短波電臺(tái)按用途和使用條件，分為固定式、車載式和便攜式電臺(tái)。固定式電臺(tái)主要用于戰(zhàn)略通信，通常組成發(fā)信集和收信集，其功率為數(shù)百瓦至數(shù)千瓦，甚至到數(shù)十千瓦，一般使用性能較好的大型天線;車載式電臺(tái)用于組成指揮所通信樞紐或作移動(dòng)通信使用，其功率為數(shù)十瓦至數(shù)千瓦，一般使用鞭形天線和雙極天線;便攜式電臺(tái)主要用于保障戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)的通信聯(lián)絡(luò)，具有體積小和重量輕等特點(diǎn)，一般采用鞭形天線，利用地波進(jìn)行近距離通信，功率通常為數(shù)瓦至數(shù)十瓦。針對(duì)應(yīng)急通信領(lǐng)域不同級(jí)別的特點(diǎn)和功能，建議采用如下方式配備短波電臺(tái)設(shè)備:省級(jí)應(yīng)急通信部門建議由125W或者400W固定基地站臺(tái)、125W動(dòng)中通車載臺(tái)以及背負(fù)電臺(tái)組成;在市級(jí)應(yīng)急通信部門配備125W固定基地站臺(tái)和背負(fù)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全市范圍的遠(yuǎn)距離報(bào)、話通信能力;在縣應(yīng)急通信部門配備背負(fù)臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)全縣的覆蓋，必要時(shí)可以裝到通信車或者指揮車上進(jìn)行通信。
2．2天線種類選型固定臺(tái)建議采用全向三線基地寬帶天線，可實(shí)現(xiàn)1500～2000km半徑內(nèi)的語音、報(bào)文傳輸，對(duì)全省的地級(jí)市和縣實(shí)現(xiàn)無縫隙覆蓋。全向三線基地寬帶天線采用寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)和加載技術(shù)，天線具有工作頻帶寬、電壓駐波比小、輻射效率高、免天調(diào)等技術(shù)特點(diǎn)。全向三線基地寬帶天線采用三線偶極結(jié)構(gòu)，具有性能穩(wěn)定、抗風(fēng)能力強(qiáng)、不易損壞等特點(diǎn)。全向三線基地寬帶天線根據(jù)不同的應(yīng)用場景可以采用平拉方式架設(shè)或者倒V方式架設(shè)，平拉方式架設(shè)適用于固定臺(tái)的遠(yuǎn)距離通信，倒V方式架設(shè)適用于固定臺(tái)的中、近距離全向通信。固定臺(tái)除了全向三線基地寬帶天線外，也可使用高增益，低仰角對(duì)數(shù)周期天線(LP)，但天線價(jià)格昂貴。通信距離較長，在實(shí)踐中100W短波自適應(yīng)電臺(tái)配這種天線，可基本實(shí)現(xiàn)北京至昆明，烏魯木齊甚至拉薩全天候通信。如果通信質(zhì)量要求不是太高，也可使用價(jià)格相對(duì)便宜的天線如八木天線，長線天線，但長線天線需用天調(diào)。距離在600km以內(nèi)時(shí)采用水平雙極天線可取得較好效果，但水平雙極天線占地較大，中心站電臺(tái)較多不適合布天線陣。車載式和背負(fù)式短波電臺(tái)根據(jù)電臺(tái)的不同功能配備不同的電臺(tái)天線，通常配置為車載鞭天線和便攜天線桿等。
2．3其他考慮因素車載式和背負(fù)式短波電臺(tái)建議選用具有雙天線插口、能夠?qū)崿F(xiàn)一機(jī)多用(可用于基地、車載、背負(fù)等多種方式)的數(shù)字化背負(fù)電臺(tái)，便于系統(tǒng)改造升級(jí)和節(jié)約以后的建設(shè)經(jīng)費(fèi)。在日常情況下配備雙極或三線天線作為基地電臺(tái)使用，與上級(jí)單位保持暢通;在緊急情況下可去掉基地天線接頭，移至應(yīng)急車或者通信車上配合車載天線作為車載電臺(tái)趕赴現(xiàn)場并在行進(jìn)中與上級(jí)單位保持暢通;當(dāng)車載鞭狀天線處于短波近距離通信盲區(qū)無法與指揮中心通信時(shí)，可利用電臺(tái)的雙天線插口臨時(shí)架設(shè)簡易固定天線實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)通信;當(dāng)?shù)缆分袛?，車輛無法繼續(xù)前進(jìn)，取下車載電臺(tái)轉(zhuǎn)作背負(fù)電臺(tái)徒步到達(dá)救災(zāi)現(xiàn)場，即可在徒步行進(jìn)中與上級(jí)單位保持暢通，也可在到達(dá)現(xiàn)場后臨時(shí)架設(shè)簡易天線作為現(xiàn)場通信中心(作為現(xiàn)場指揮部的現(xiàn)場通信保障手段)與上級(jí)單位保持暢通，將前端實(shí)時(shí)情況傳回指揮中心，指揮中心給予相應(yīng)的指揮調(diào)度，最大限度地保證人民生命財(cái)產(chǎn)安全。
3多網(wǎng)系融合設(shè)備的配備
為了解決短波通信網(wǎng)與其他通信的融合問題，同時(shí)提高整個(gè)短波通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，必要時(shí)可以配備多網(wǎng)系融合設(shè)備，通過該設(shè)備可以將短波無線通信和有線通信、衛(wèi)星通信及超短波通信等通信手段進(jìn)行融合，通過其他制式的承載網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)短波系統(tǒng)的延伸和擴(kuò)展，從而可以大幅度提高通信效率。多網(wǎng)系融合系統(tǒng)通信示意圖如圖2所示。圖2多網(wǎng)系融合系統(tǒng)通信示意圖
4網(wǎng)絡(luò)遙控設(shè)備的配備
圖3遠(yuǎn)端架設(shè)電臺(tái)示意圖由于短波電臺(tái)發(fā)射時(shí)有較強(qiáng)的輻射，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)周圍的人員和設(shè)備形成傷害，為了避免該情況的發(fā)生，必要時(shí)可配備網(wǎng)絡(luò)遙控設(shè)備，如圖3所示。通過該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)將短波電臺(tái)及天線架設(shè)在遠(yuǎn)離指揮中心的地方，網(wǎng)絡(luò)遙控轉(zhuǎn)換設(shè)備與短波電臺(tái)相連，同時(shí)通過通信傳輸光纜將控制信號(hào)和音頻信號(hào)傳輸?shù)街笓]中心，操作人員可以在指揮中心對(duì)短波電臺(tái)進(jìn)行遙控操作，從而可以增加人員的安全性。
5短波通信網(wǎng)人員配備
針對(duì)目前應(yīng)急通信部門工作人員的現(xiàn)狀，需要配備短波通信網(wǎng)系統(tǒng)日常維護(hù)和操作人員，短波通信由于需要較高的操作和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，只有專門從事該領(lǐng)域的工程師，才能夠?qū)ο到y(tǒng)較了解，鑒于這種情況，需要對(duì)整個(gè)通信網(wǎng)進(jìn)行定期的維護(hù)和定期演習(xí)，使得操作人員對(duì)系統(tǒng)更加熟悉，經(jīng)過長期的經(jīng)驗(yàn)積累，才能夠掌握短波通信領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)。
6結(jié)束語
關(guān)鍵詞：無線Mesh網(wǎng)絡(luò)；列車局域網(wǎng)；旅客列車；信息服務(wù)
Development of Broadband Network of Passenger
Train based on Wireless Mesh Network Technologies
ZHANG Qiuliang1，ZHOU Xing2
（1.Institute of Computing Technologies，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081， China；
2.Department of Passenger Transportation，Jinan Railway Administration，Jinan 250001，China）
Abstract：Along with development of high-speed railways， the mobile network access technology needs to be improved. In view of the developing status of the public mobile communication network and dedicated railway mobile communication network， this paper put forward to build an Broadband Network of passenger train based on the wireless mesh network technology， and then analyzed the network structure， key technologies and applications of the System.
Key words：wireless mesh network（WMN）；Train LAN；passenger trains；information service
1 引言
根據(jù)我國第31次互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告，截至到2012年年底，我國網(wǎng)民規(guī)模達(dá)5.64億，其中手機(jī)網(wǎng)民數(shù)達(dá)到4.20億。該報(bào)告顯示，Internet應(yīng)用在我國迅速普及，已經(jīng)融入到社會(huì)的各個(gè)層次和方面，特別是寬帶和手機(jī)這兩種接入方式發(fā)展加快，顯示隨時(shí)、隨地、隨意的寬帶Internet應(yīng)用需求成為新的增長點(diǎn)。
根據(jù)鐵道部2012年鐵道統(tǒng)計(jì)公報(bào)，2012年我國鐵路運(yùn)輸發(fā)送量達(dá)到18.93億人次，完成旅客周轉(zhuǎn)量9812.33億人公里，鐵路旅客運(yùn)輸規(guī)模位于世界第一。其中客運(yùn)專線建設(shè)全面推進(jìn)，特別是自2007年4月“和諧號(hào)”動(dòng)車組列車開行以來，以其安全、快速、舒適、方便的運(yùn)輸品質(zhì)，開創(chuàng)了我國鐵路旅客運(yùn)輸新局面。
然而，在信息社會(huì)的今天，行進(jìn)中的旅客列車卻依然是信息的孤島，每年有十幾億旅客在列車上度過數(shù)百億小時(shí)與Internet隔離的時(shí)光。如今，越來越多的旅客隨身攜帶筆記本電腦、平板電腦、智能手機(jī)等移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，有在列車上隨時(shí)上網(wǎng)的需求。因此，旅客列車寬帶Internet應(yīng)用研究不僅可提升鐵路服務(wù)質(zhì)量、滿足旅客日益強(qiáng)烈的寬帶Internet服務(wù)的需要，同時(shí)也是一個(gè)潛力巨大的市場[1-3]。
2 旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)概述
國內(nèi)對(duì)鐵路無線的前期研究主要集中在采用GSM-R/GPRS等移動(dòng)蜂窩通信技術(shù)為列車提供窄帶連接，應(yīng)用領(lǐng)域主要為鐵路信號(hào)傳輸和列控等。然而該技術(shù)的頻率帶寬目前只有4MHZ，該網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上仍然是2G移動(dòng)通信技術(shù)，在移動(dòng)環(huán)境下，其帶寬也只有幾kbit/s，根本就無法滿足列車上旅客訪問互聯(lián)網(wǎng)的需求。針對(duì)于這種情況，本文提出了一種基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案。
旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)是基于Wi-Fi的鐵路專用無線Mesh（網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一種新型網(wǎng)絡(luò)，可提供寬帶高速移動(dòng)的無線網(wǎng)絡(luò)，支持基于IP的話音、視頻和數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。網(wǎng)絡(luò)具有自我組織、自動(dòng)配置、性能自動(dòng)調(diào)節(jié)、鏈路自動(dòng)修復(fù)等特性，支持負(fù)載均衡和冗余備份，為高速列車上互聯(lián)網(wǎng)接入、數(shù)據(jù)傳輸和語音服務(wù)提供穩(wěn)定可靠的承載平臺(tái)。
它提供帶寬高達(dá)300M的無線鏈路通道，以無線基站系統(tǒng)所構(gòu)成的無線鏈路為骨干網(wǎng)與鐵路有線傳輸網(wǎng)相結(jié)合。該網(wǎng)絡(luò)的的實(shí)現(xiàn)不僅可以滿足高速列車上旅客對(duì)寬帶Internet服務(wù)的需求，而且可以作為鐵路運(yùn)營維護(hù)管理的輔助手段，能夠提供定點(diǎn)視頻監(jiān)控、移動(dòng)視頻監(jiān)控、機(jī)車車輛數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互、突發(fā)事件的應(yīng)急指揮、話音通信及編組場應(yīng)用等功能，可提高運(yùn)營維護(hù)管理效率、減人增效。
旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D如圖1所示。
3 旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)由列車無線局域網(wǎng)、車-地寬帶連接、地面無線Mesh網(wǎng)絡(luò)3層結(jié)構(gòu)組成，如圖2所示。
根據(jù)數(shù)據(jù)流的源和目的地址，可以將旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分類兩大類：車內(nèi)數(shù)據(jù)流和車-地間數(shù)據(jù)流。對(duì)于車內(nèi)數(shù)據(jù)流，直接在列車無線局域網(wǎng)內(nèi)部高速轉(zhuǎn)發(fā)。對(duì)于車-地間數(shù)據(jù)流，由車-地寬帶連接實(shí)現(xiàn)車地?cái)?shù)據(jù)快速交互。由于我國鐵路現(xiàn)有的交互網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)三大基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)一般還只到達(dá)主要站段，沿線部署的無線基站難以實(shí)現(xiàn)直連，它們可以通過地面無線Mesh網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)匯聚。
基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的最大的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信號(hào)，每個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或者多個(gè)對(duì)等的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行通信，每個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都可以同時(shí)作為AP和路由器。因此，在組建無線Mesh網(wǎng)絡(luò)時(shí)，列車上只需設(shè)置一個(gè)接入點(diǎn)（車載Mesh設(shè)備）即可，每節(jié)車廂中設(shè)置的AP與車廂內(nèi)旅客使用的智能手機(jī)、筆記本電腦等移動(dòng)終端均可視為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，這樣可以很好的保證網(wǎng)絡(luò)的連通性和穩(wěn)定性。
旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)的核心部分是地面無線Mesh網(wǎng)絡(luò)以及列車內(nèi)部的無線局域網(wǎng)的組建。
3.1 地面無線Mesh網(wǎng)絡(luò)
鐵路無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的核心部分是鐵路沿線架設(shè)的無線Mesh基站，固定Mesh基站的間距平均為2公里--直線區(qū)域Mesh基站間距離略大，而山區(qū)和隧道區(qū)域所需要的Mesh基站間距在1.5公里左右。固定Mesh基站之間的互聯(lián)采用5.8GHz技術(shù)，對(duì)車輛的接入也采用5.8GHz頻段技術(shù)。固定Mesh基站經(jīng)過多跳無線組網(wǎng)之后，進(jìn)入到就近的光纖節(jié)點(diǎn)處。為了保證車輛高速移動(dòng)的情況下能夠在固定Mesh基站之間快速切換，必須在車輛上安裝移動(dòng)車載Mesh設(shè)備。該網(wǎng)絡(luò)支持移動(dòng)速度高達(dá)300公里時(shí)速的漫游切換。
鐵路無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中主要使用兩種Mesh基站。一是，光纖落地節(jié)點(diǎn)固定基站采用GCM8622 Mesh基站，即每個(gè)光纖落地點(diǎn)均需放置一套GCM8622。該Mesh基站內(nèi)置了3塊802.11n模塊，可以為系統(tǒng)提供更高的整體性能。按照實(shí)際環(huán)境的經(jīng)驗(yàn)值，每個(gè)802.11n扇區(qū)在1公里內(nèi)可提供70Mbps以上的匯聚吞吐量。二是，沿線的無線中繼節(jié)點(diǎn)基站采用GCM8632 Mesh基站，即在鐵路沿線光纖無線中繼基站使用GCM8632設(shè)備，該設(shè)備內(nèi)置3塊802.11n模塊，其中兩塊5.8GHz模塊分別處理Mesh上行和Mesh下行的通信，保證了無線網(wǎng)絡(luò)多跳的高寬帶和低時(shí)延，另一個(gè)5.8GHz模塊處理移動(dòng)車載Mesh設(shè)備的無線接入，支持第三方太陽能電池供電。地面無線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。
3.2 列車無線局域網(wǎng)
在每節(jié)車廂設(shè)置一個(gè)AP接入點(diǎn)，在整列車最中央的那節(jié)車廂設(shè)置一臺(tái)車載Mesh設(shè)備、一臺(tái)路由器和流媒體服務(wù)器，整列車通過車載Mesh設(shè)備與鐵路兩邊的基站建立連接，形成一個(gè)無線局域網(wǎng)絡(luò)。而車廂內(nèi)部以車載流媒體服務(wù)器為中心，以各車廂AP接入點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)，組成一個(gè)車域無線網(wǎng)絡(luò)。目前，我國的動(dòng)車組在出廠時(shí)已經(jīng)部署了內(nèi)部的AP接入點(diǎn)，只需在中央控制部分增加一套流媒體服務(wù)器設(shè)備即可滿足列車內(nèi)部無線局域網(wǎng)的組網(wǎng)需求。
車載Mesh設(shè)備采用GCM8300設(shè)備，該設(shè)備保證列車在高速移動(dòng)和快速切換下依然保證無間斷的通訊，提供至少40Mbps車地通信帶寬。GCM8300設(shè)備內(nèi)置1個(gè)5.8GHz 802.11n無線模塊，并提供1個(gè)千兆以太網(wǎng)接口用于連接車載路由器。
4 旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用場景
4.1 旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)
⑴車地互聯(lián)的實(shí)現(xiàn)。旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)采用集中接入的模式，在旅客列車內(nèi)部組成一個(gè)局域網(wǎng)，由車載通信網(wǎng)關(guān)集中負(fù)責(zé)與地面基站的車-地互聯(lián)。車載網(wǎng)絡(luò)終端均是接入到列車局域網(wǎng)，當(dāng)需要與地面網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)再由車載通信網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼。
⑵車載通信網(wǎng)絡(luò)在不同的Mesh節(jié)點(diǎn)間實(shí)現(xiàn)無縫的AP間切換。在鐵路沿線的無線寬帶覆蓋中，AP采用方向性天線沿鐵路線進(jìn)行定向覆蓋，其覆蓋半徑可超過1公里。旅客列車是沿著鐵軌按照規(guī)定的運(yùn)行軌跡移動(dòng)，并且鐵路沿線的AP部署也是已知的，即車載通信網(wǎng)關(guān)可以預(yù)知其即將接入的下一個(gè)AP。同時(shí)，由于車載通信網(wǎng)關(guān)往往是一個(gè)獨(dú)立的WIFI設(shè)備，比一般移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以更方便地集成多個(gè)無線模塊。
⑶無線網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制。旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)的安全機(jī)制主要由車地互聯(lián)層實(shí)現(xiàn)，即車載通信網(wǎng)關(guān)只能接入合法的地面Mesh節(jié)點(diǎn)，而地面Mesh節(jié)點(diǎn)只允許合法的車載通信網(wǎng)關(guān)接入。車載通信網(wǎng)關(guān)和地面Mesh節(jié)點(diǎn)都與用戶無關(guān)，可以采用特殊的身份識(shí)別機(jī)制達(dá)到更高效更安全的身份認(rèn)證。
⑷網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)。旅客列車寬帶的網(wǎng)絡(luò)管理涉及到車地互聯(lián)層的車載通信網(wǎng)關(guān)、地面接入層的Mesh節(jié)點(diǎn)、匯聚層的匯聚網(wǎng)關(guān)和交換控制中心。交換控制中心定期采集每個(gè)Mesh節(jié)點(diǎn)和車載通信網(wǎng)關(guān)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)操作人員指令或動(dòng)態(tài)最小生成樹算法等生成包含網(wǎng)絡(luò)管理信息的配置腳本，然后將相關(guān)配置腳本傳送給對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)。各節(jié)點(diǎn)定期或根據(jù)指令隨機(jī)向交換控制中心報(bào)告節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，接收并應(yīng)用交換控制中心下達(dá)的配置腳本，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的集中管理和性能優(yōu)化。
4.2 旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景
⑴列車車廂應(yīng)用。列車寬帶網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用：列車內(nèi)部視頻監(jiān)控；旅客語音通信；客運(yùn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸；旅客互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)訪問。
⑵站場應(yīng)用。可以實(shí)現(xiàn)在途列車與調(diào)度之間的通信、地面工作人員之間的通信、車上與地面工作人員的通信。
5 結(jié)束語
我國正處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展時(shí)期，各種運(yùn)輸方式發(fā)展迅速，要想在激烈的運(yùn)輸市場中取得有利地位，除了需要升級(jí)硬件設(shè)施外，也應(yīng)以旅客為本，為旅客提供人性化的信息服務(wù)?？梢源_信，基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)將極大提高鐵路旅客服務(wù)質(zhì)量，改善鐵路形象，為我國鐵路信息化建設(shè)做出貢獻(xiàn)。
[參考文獻(xiàn)]
[1]張霞，趙瑜.關(guān)于鐵路旅客綜合服務(wù)信息系統(tǒng)的研究[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2004（2）64-67.
