基于无线通信的无缝漫游模型

郑万昀

（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

1 基于通信的列车控制系统是轨道交通的发展趋势

轨道交通是目前最具可持续发展的地面交通运输方式之一，具有运输效率高、排放低、能源利用率高、气候影响小、安全性能好等特点。未来20年是我国轨道交通高速发展的时期，北京、上海、广州等大城市及许多二、三线城市都有多条地铁、轻轨相继开工建设。为健康有序地发展我国的轨道交通，迫切需要具有自主知识产权的轨道交通技术装备，实现关键技术的国产化，其中列车控制系统作为保证列车安全运行、提高运输效率的关键技术，其国产化的进程势在必行。

基于通信的列车控制系统是目前技术领先的控制方式，通过列车和地面间的双向通信可以在确保列车运行安全的前提下，最大限度地缩短列车运行间隔，提高线路通过能力。这就为当今前沿的城轨交通信号技术在我国的应用提出了现实要求。

2 系统简介

基于通信的列车控制系统按照功能不同可划分为4部分：列车自动监督子系统、区域控制中心子系统、车载设备子系统和车地双向通信子系统。列车自动监督子系统位于中央，实现对列车自动监督和调度管理。区域控制中心子系统位于轨旁，它来自车载设备的列车位置、速度、运行方向等信息和轨旁设备（如道岔）的状态信息，计算每一列车的移动授权并发送给列车，实现列车在移动闭塞方式下安全运行。车载设备子系统给区域控制中心反馈列车的状态信息，并根据接收到的移动授权和自身的运行状态计算出列车运行的速度曲线，车载ATP保证列车在该速度曲线下安全运行。车载ATO在ATP的防护下，实现列车的速度调整和经济运行等功能。车地双向通信子系统分为无线通信系统和有线通信系统。无线通信系统负责向区域控制中心和车载设备提供透明的连续双向通信通道，有线通信系统负责向中央和轨旁设备提供大容量、安全的数据通信通道。

车地双向通信子系统主要由骨干网交换机、接入网交换机、无线接入点、车载无线通信单元、无线网络管理系统、有线网络管理系统构成。其中，车地无线通信网络成为车载无线通信单元和地面无线接入点之间的通信桥梁，无线通信采用无线局域网IEEE802.11g标准，并在此标准的基础上进行了改进，系统工作在2.4 GHz的开放频段。

3 当前技术缺陷分析

列车在高速行驶过程中，需要在不同的轨旁接入点之间进行快速切换，即列车物理位置在不断变化，其在网络拓扑结构中的位置也发生变化。列车与轨旁接入点间的每次切换都需要二者间重新建立通信，这会导致地面控制中心与车载单元的数据通路发生中断，如果中断时间超过系统允许范围，将会严重影响行车安全。

目前，主流的切换技术是互联网IETF（工程任务组）所制订的移动互联网协议MIPv6。MIPv6协议给出了移动检测、转交地址获取、绑定更新管理等基本切换过程。但是，MIPv6协议虽然对移动节点在网络中漫游提供了移动性支持，但移动节点在切换过程中的一些操作会造成切换时延，严重影响上层应用的通信质量。为了降低切换延时和减少通信中断的时间，IETF提出了两个MIPv6协议的扩展技术：快速切换互联网协议FMIPv6和层次型移动互联网协议HMIPv6。下面，就MIPv6协议切换延迟的原理以及FMIPv6协议和HMIPv6协议对MIPv6协议的改进情况作一介绍。

3.1 MIPv6协议切换延迟分析

对于IP网络，切换可以分为两个部分：二层切换和三层切换。在不同的MIPv6子网间进行切换时，首先进行的是二层L2切换，即链路层切换，然后才开始标准的MIPv6切换，即三层L3切换。标准MIPv6切换可以分为3个阶段：1）移动检测；2）转交地址配置；3）网络层注册。因此，造成切换时延的原因有4点，内容如下。

①Layer2切换时延；②移动检测MD时延；

③重复地址检测DAD时延；

④MIPv6注册时延。

其中，L2切换时延DL2是不可避免的，时延约为53.3～420.8 ms，平均约为237 ms。在移动IPv6中，L3的切换时延包括开始时的移动检测时延、中间的重复地址检测时延和最后移动IPv6注册时延。其中，移动检测时延与重复地址检测时延合称为IP连接时延DIPc。移动节点在检测到已经离开先前接入网络，并且收到接入网络中路由器所发通告的过程称为移动检测，而移动检测所造成的时延大小取决于路由通告发送的间隔DRA，在MIPv6的标准中建议为30～70 ms，平均为50 ms；重复地址检测时延DDAD应该是移动IPv6切换中份量最重的，IPv6基于多次发送邻居请求来检测此网络是否有地址相同的节点，然而为了避免冲突，根据IPv6的邻居发现标准，必须先要随机地延迟一段时间DNS1（0～1 000 ms，平均为500 ms）再发送邻居请求，然后重复发送邻居请求，预设发送1次，最多重发3次，每次间隔DNSr为1 000 ms。所以在还未开始移动IPv6注册前最少要延迟DIPc，平均为1 787 ms，对家乡代理时延DBUHA与通信对端时延DBUCN的注册合称为MIPv6注册时延DBU，而与通信对端进行注册时，若是路由优化模式，还需要加入返回路由可达所造成的时延DRR，上述MIPv6的切换时延为DHO。

3.2 FMIPv6概述

鉴于MIPv6在切换时有较长的延迟时间，IETF工作组提出FMIPv6是对MIPv6协议的改进，可以加快IPv6移动节点的切换过程，减少已有通信连接的中断时间，保证通信流的实时传输。FMIPv6使用链路层机制检测到新的接入路由器，将部分MD与DAD的操作提前到L2切换之前完成，并通过预先注册来降低切换时延，实现快速切换。

3.3 HMIPv6概述

上面介绍的FMIPv6没有对MIPv6的移动进行分类处理，忽略了MIPv6的层次性。对此，IETF工作组又提出HMIPv6管理模型，引入了一个新的实体，称为移动锚接点，从微观移动性方面来解决这些问题，其核心是层次移动性管理，减少冗余信息，并将家乡代理的移动性管理能力下放一部分到区域代理中。这就是分层的MIPv6，即HMIPv6。分层MIPv6可以通过使用本地层次结构，允许在不同的接入网之间和内部实现数据的快速转发，减少与外部网络的注册时间，减少切换中断的时间。

3.4 其他技术

HMIPv6网络结构复杂，无法提高宏观移动下的切换性能，移动锚点是全网的瓶颈。FMIPv6对切换性能（如切换延迟、丢包率等）的改进比较明显，但它的信令交互过程复杂，对沿途的各个路由器都有额外的要求，且它的实现依赖于链路层触发信息的及时获得，因此它不是最优的选择。所以又出现了一些改进方案。比较著名的有HMIPv6与FMIPv6的融合、进一步改善HMlPv6切换性能的HiMIPv6+的微移动管理方案等。

开放实验室是高校实验室发展和改革的大趋势，其目的是提高实验室设备的使用率和发挥实验室资源[13]。自动化实验实训与创新中心的实验室开放性体现在各类实验室资源面向自动化学院教师和各专业学生的开放性。2014年以来自动化实验实训与创新中心实行开放实验室管理，并建立实验室开放管理登记制度。利用课内实验、课外实验、设计性实验、综合性实验、创新型性实验等形式实现了实验内容的开放；另外学生根据自己的实际情况，可以自由地选择实验场所设备、实验内容、实验时间，独立制定实验方案并进行实验，得出实验结果，并对实验技术方法、知识点进行分析研判[14-15]。网上实验预约系统如图1所示。

但是，MIPv6以及在此基础上的改进方案，都只是在网络层协议上的范畴，无法缩短L2切换的延迟时间。因此并不能实现真正意义的无缝切换。

4 无缝漫游的模型设计

为了实现移动节点的无缝切换，仅仅通过改进网络层协议无法达到要求。必须找到一种方法，彻底解决L2切换和L3切换的时延。虽然现有技术具有局限性，不能满足列车在快速移动下的无缝漫游，但是可以通过在利用现有技术的基础上，改变系统结构，重新建模，最终达到无缝漫游的要求。

通过分析可以发现，高速运行的列车具有较长的长度、运动轨迹明确、运动速度相对稳定且容易获得、运动方向和途径的无线接入点（AP）顺序确定等特点，充分利用这些特点，用备份的硬件设备提前做预测切换，就可以从根本上解决切换延迟的问题。

为了实现列车的无缝漫游，可以利用列车的长度，在列车头部和尾部各放置两套车载无线接收设备，通过光缆把两路信号接入到网络接口模块的以太网接口模块，利用双链路将列车在不同子网间的切换转变为移动节点内部接口的切换，把新链路的网络连接延迟时间压缩为0，最终达到无缝漫游的要求。

模型利用以下图示说明，AP1、AP2、AP3分别表示依次相邻的3个轨旁接入点，3个AP使用的频率不同，分别是f1、f2、f3，为了加以区分，用不同的颜色表示3个AP以及它们分别覆盖的范围。为了防止因其中1个AP（如AP2）损坏，系统不能正常运行，在布设AP的时候，AP1和AP3的覆盖范围有交叠，这在后面的系统可靠性中会有更加详细的描述，这里不再赘述。

具体的切换过程如下。

1）列车行进过程中，首先头部车载单元与AP1建立连接，称之为链路1；列车继续前进，尾部车载单元检测到足够强的AP1信号，也与AP1建立连接，称之为链路2，但此链路暂时不启用，实际使用的是链路1，如图1所示。

2）当列车继续前行，头部检测到AP2的信号时，即进入网络重叠区后，当链路1的信号强度小于断开门限阈值，则断开链路1。启用链路2进行通信（此时的尾部比头部更加靠近AP1，因此链路2较链路1更加稳定）；断开链路1后，头部开始与AP2进行连接，按照标准MlPv6协议，进行移动检测、转交地址配置、绑定更新等一系列流程，建立链路3。此时，系统使用链路2进行通信，如图2所示。

3）列车继续前行，AP2的信号达到头部的连接门限值，链路3已稳定连接后，启用链路3进行通信，断开链路2，如图3所示。

4）列车继续前行，当尾部进入AP2占主导的信号范围时，即AP2的信号达到尾部的连接门限值时，尾部也与AP2进行连接，此处称为链路4。但是，此时仍使用链路3进行通信，如图4所示。

5）列车继续前行，头部检测到AP3的信号时，即再次进入网络重叠区后，此时，启用链路4进行通信；断开链路3，头部开始与AP3进行连接，建立链路5。此时，系统使用链路4进行通信，如图5所示。

如此循环往复，实现无缝漫游的过程。

5 模型的漫游延时

列车在行驶过程中的漫游延时是指，列车在不同的轨旁接入点间切换，导致地面与列车通信中断的时间。由于此系统应用于城市轨道交通，线路设计的最高速度为150 km/h，两个轨旁接入点在最不利情况下的布设距离最近为200 m。这会导致高速行驶的列车不停的在不同的轨旁接入点间进行切换，这是计算列车漫游时延的最不利情况。

由于轨旁接入点在沿线布设为不同频率信号交叉覆盖的形式，因此列车在本轨旁接入点处就可以收到下一轨旁接入点的信号，与下一轨旁接入点进行连接。此外，每列列车车头和车尾均需要与同一个轨旁接入点进行连接，只是连接的时机不同。为了满足列车的一端与轨旁接入点进行连接时，车地间仍能可靠通信，必须保证列车的另一端数据通道稳定，即列车的两端与轨旁接入点的连接时间不能有交集。也就是车头与车尾和同一个轨旁接入点连接时走行距离的总和必须大于两个轨旁接入点间的最短距离。

列车在速度150 km/h的情况下，每秒钟的运行距离为小于42 m，与轨旁接入点建立稳定通信的时延为小于2 s，即列车的一端最多需要84 m的距离建立与轨旁接入点的通信。车头与车尾需要与同一轨旁接入点建立通信的走行距离总和最大为168 m，显然小于两个轨旁接入点间的最小距离200 m。证明过程如下所示。

SAP=200 m

2×S连接=2×（Vmax×Tmax）

=2×（150 km/h×2 s）=168 m

SAP＞2×S连接

这种通信的连接为预连接，由于此时列车与地面建立通信的通道数目为两个，实际的数据流并不是发生在预连接的通道，而是之前已经建立连接并稳定传输的通信。因此预连接的时延实际并不影响列车的漫游延时。

在网络接口模块的软件程序中，一旦判断进行通道的切换时机成熟，即在本周期选用另一缓存数据，即完成了列车在不同轨旁接入点间的切换。网络接口模块的单周期指令执行时间为15 ns，因此，列车在不同轨旁接入点间进行切换导致的地面与列车通信的中断时间几乎为0，可以忽略不计。

6 结束语

为了实现列车控制上真正意义的无缝切换，可以通过低廉的硬件冗余来换取高质量的移动网络服务，使切换的延迟时间尽可能的降低，在此模型中，切换的延迟时间几乎为0（指令执行切换为纳秒级，可以忽略不计），做到了真正意义上的无缝漫游。这是一种新的尝试，具有很高的实用价值。但是，由于硬件的增加，在网络接口模块的程序设计实现上增加了难度，同时也增加了硬件设备的预算。