车地无线局域网可靠通信的研究＊

2012-01-16赵麟杰王志麟郑国莘

城市轨道交通研究 2012年1期

赵麟杰王志麟郑国莘

（1.中国铁路通信信号上海工程集团有限公司，200436，上海；2.上海大学，200436，上海∥第一作者，高级工程师）

车地无线局域网（WLAN）技术因其可为车地间提供宽带数据传输的解决方案而在城市轨道交通中越来越多地被应用。其中以基于通信的列车控制系统（CBTC）、旅客信息系统（PIS）、列车安防监控系统中的应用最为广泛。802.11a/b/g/n技术制式的车地无线局域网系统已经应用于北京、上海、广州、深圳等国内大中城市的轨道交通中。

车地无线局域网可覆盖城市轨道交通的车站、隧道、高架、地面线路和停车场等区域，可使列车在行驶区域内实现列车与车站、停车场、控制中心之间的双向数据通道，具有通信带宽大、延时小、支持的业务类型灵活等特点。例如，可以实时视频流的上下行传输，紧急情况下旅客疏导信息、与列车运行安全相关的实时状态信息等可直接传至相关车站和运行控制中心（OCC），便于运营管理部门第一时间内处置紧急状况。尤其在CBTC系统中，在列车具备自动驾驶（ATO）之后，车地 WLAN对信息有效、可靠的传输作用，显现得更加明显［1］。

在实际工程建设过程中，如何保障车地WLAN数据信息实现实时、可靠传输等方面还存在一些问题。本文将从保证系统可靠性通信的角度展开分析。

1 车地间数据通信特点分析

目前，城市轨道交通车地 WLAN应用最为广泛的是CBTC、PIS以及列车安防系统。信息数据经应用系统处理后，以IP的数据报文的方式通过车地无线局域网传送，不同的应用系统中数据报文的传送各具特点。图1为城市轨道交通中的WLAN通信系统。

1.1 系统安全性

从运营安全的角度出发，CBTC、PIS、列车安防系统在城市轨道交通运营上扮演了不同等级的角色。CBTC系统为信号控制系统，关系着整个旅客运输的安全问题，为最高安全等级。列车安防系统主要功能为采集车内视频图像和列车关键数据状态，疏导旅客和应急信息数据发布，相对CBTC系统安全性次之。PIS系统为车厢内乘客提供视频图像信息服务，安全级别最低。

从安全的角度来说，车地 WLAN中数据包的丢失率，将直接关系到CBTC系统安全性。数据包若丢失严重，即便有对应的重传机制，信息处理将可能产生不确定性和处置的滞后性，从而造成列车控制命令传递的延误和丢失，严重时可能将导致列车急停甚至停驶。

图1 城市轨道交通中的WLAN通信系统

1.2 传输实时性

CBTC、PIS、列车安防系统这三种应用对于数据传输实时性要求均较高，以TCP或UDP通信方式灵活应用。PIS系统中通过UDP数据包来传输流媒体数据，对实时性有一定要求，时延一般要求在5s左右，可视为准实时；而对时延抖动的要求更高，抖动严重将造成应用系统流媒体缓存的溢出或者清空，而出现视频中断或马赛克现象。列车安防系统中对数据通信需要保持实时的TCP虚连接状态，以侦听来自此列车（客户端）的报警数据传输，其实时性要求一般在0～2s之间。CBTC系统对于实时性要求更高，以TCP和UDP混合应用的方式传输数据包，处理数据时延要求需控制在1s以内，甚至是毫秒级。各类应用系统对传输实时性的要求见表1。

表1 各类应用系统对传输实时性的要求

1.3 数据包格式

车地无线局域网中的数据包格式多样，不同应用的数据包长度特点明显（见表2）。CBTC系统和列车安防系统中关键数据传输，主要以TCP、UDP短包为主。其主要原因是由于所承载信息量不大、发送间隔较长，一般一条信息仅使用一个数据包。短数据包具有占用带宽低、数据发送接收端无须分拆重组的特点，信息丢损率低的优势，以及数据转发时延相对较短的优点，对系统传输数据带宽要求低。而在PIS等流媒体应用中，数据包主要以UDP的长包为主，甚至是巨大（Jumbo）包，由于视频帧所携带的信息量较大，对带宽的要求也越高。MPEG2流一般占用5～8Mbit/s带宽，MPEG4/H.264流占用2～4Mbit/s带宽。数据包可能大于车地WLAN设备的最大传输单元MTU值，而造成在数据包在发送和接收端进行数据包分拆和重组，从而进一步占用更多的设备处理资源，造成系统网络整体性能的下降。

表2 各类应用系统对数据包长度的要求

2 车地WLAN承载能力关键指标分析

车地WLAN承载能力，是保障各种车地间应用系统效果的基础。本节将借鉴IP数据通信中网络基准测试标准RFC 2544，分析体现车地网络承载能力的关键指标，包括吞吐量、转发延迟、丢包率、背靠背等。车地WLAN性能指标主要参考前3项指标，背靠背主要考察设备的数据接口缓存能力而与网络系统测试指标无关［2］。

2.1 数据传输吞吐量

吞吐量在网络中主要体现了某一节点到另一节点之间的数据传输能力。即每秒能够传输的最大数据量，一般也称为网络传输带宽，用 Mbit/s表示。在检测车地无线网时，可利用专用测试仪器分别在地面和车载系统之间收发数据包来验证其最大吞吐量。以某城市轨道交通1号线隧道内802.11g车地WLAN吞吐量测试结果为例，如图2所示。

图2 PIS数据吞吐量实测

从图2中可看到，列车在无线信号覆盖较佳的区域，数据传输能力一般均稳定在18Mbit/s左右，覆盖不佳区域带宽陷落在13Mbit/s左右。传输带宽突然陷落将使得PIS系统视频播放出现马赛克现象。而对于CBTC系统，数据传递包的带宽占用率较低，车地WLAN若能够提供更大宽度的数据传输通道，实现较大的传输占空比，即传输通道带宽远大于系统正常工作带宽，有利于保障此类信息系统的传输可靠性。因此，在考虑车地WLAN可承载对象时，应给各种应用系统提供足够的富余量，以保证数据能够游刃有余地传输，避免出现严重阻塞情况。

2.2 数据转发时延和抖动

数据从发送至接收所需要的时间，一般可理解为时延，单位用s来表示。抖动则表现为每次时延之间的偏差。偏差越大表明抖动较大。受测试条件所限，一般车地 WLAN用响应时间指标来体现。该指标略大于2倍的数据转发时延，是数据双向时延＋响应端数据处理时间（可忽略）。以某城市轨道交通1号线隧道内802.11g车地WLAN响应时间测试结果为例，如图3所示。

图3 响应时间

从图3中可以看出，车地 WLAN的响应时间一般＜1ms，正常情况下网络传输延迟相对而言较短，抖动也不明显。较短的时延也保障应用系统的实时性。

但是，实际情况并非如此简单。图3中所出现的突兀的峰值指标，在测试过程中基本发生在车地WLAN AP漫游切换时，响应时间一般为200～300 ms之间，个别的响应时间达到1s甚至2s以上，主要是在AP切换中由于信号的不稳定而形成了反复切换和信号中断。这就意味着应用系统在这个时间段内是无法正常转发数据的。这对于一个实时性要求非常高的CBTC系统而言有严重的影响，使得控车命令在此过程中被阻塞，严重影响实时性，甚至导致ATO系统作出错误判别，出现列车间断急停快启现象。

通过对多条城市轨道交通车地WLAN的现场测试，在不断优化和完善车地WLAN的前提下，发现在漫游切换过程中，出现这种较大延迟的事件概率较大，大部分时延是在1s之内，个别数据超出1 s。如何让这些较长时间的中断所造成的影响减少至最小是关键。一是通过优化无线网络部署，减少漫游切换过程中的反复切换和信号丢失现象的发生，尽量将数据包中断时间控制在500ms以内；二是通过应用系统的数据缓存技术、开发上考虑TCP连接的优化等措施，来减少时延和时延抖动的影响。

2.3 丢包率

丢包率，体现了数据包在网络传输过程中的丢失情况，为丢失包与发送数据包之间的比值，用百分比表示。从图3中可以看到，响应时间一般在200～300ms之间时，车地WLAN设备自身的缓存能力足够应付，可能不一定会发生丢包现象；也有可能会由于缓存区的溢出而发生丢包现象；在响应时间更大的情况下（如2s以上），数据包丢失的情况是必然会发生的。

丢包即意味着信息传递的不完整性。数据残缺将极大地影响到应用系统的效果。在车地WLAN中不可能避免丢包现象不发生，因此，必须要在应用系统开发实施时以一种有效的处理手段来弥补。CBTC系统中在TCP连接的三次握手的基础上进行优化，增强数据包校验、快速重连接机制、减少TCP窗口轮询周期等一系列措施，弥补丢包所造成影响。

3 建议

通过分析车地WLAN所承载不同应用系统的特点和网络承载能力关键指标，可从两个方面来提升整体效果：其一，优化车地 WLAN的部署，实现无缝覆盖，避免干扰，尽量以最佳网络性能来承载；其二，优化应用系统的数据发送接收方式，以可靠连接、数据缓存、数据重传机制等方式来进一步确保。

3.1 优化车地WLAN部署

车地WLAN的部署效果将直接关系到应用系统的使用效果。为使网络带宽、时延及抖动、丢包率这三项指标能够符合应用系统的最低要求，需要综合优化无线信号部署技术。建议可以采取以下措施：

1）对隧道、高架、停车场等开阔区域，以及不同的车站环境条件，制定不同的无线网络覆盖方案。隧道环境中的多径效应和多普勒频移体现得较为明显，高架区域车辆对信号的阻挡和同频干扰问题需要克服，停车场区域信号覆盖范围和接入容量限制之间需平衡处置，车站环境复杂需要做到无中断覆盖。对于802.11制式的视距无线传输技术，应根据不同区域的环境特点有针对性地部署，在实施前做好现场的模拟测试。

2）提升AP漫游切换效率，降低乒乓效应的发生概率。数据包转发丢包、时延增长、抖动加剧，乒乓效应将时刻影响到网络的安全性和实时性。建议在两个相邻AP信号扇区边缘信号强度的落差明显，有助于提升AP端切换判断执行效果。

3）避免系统内和系统间的干扰。载频信号的频率需安全隔离。在建设CBTC和PIS系统时，鉴于各自系统安全性等级差别较大，必须选择不同频点为两个系统分别配置，做到无线信号频率的完全隔离。若存在较为明显的同频干扰，将诱发系统传输带宽下降、漫游切换效率下降、客户端无法注册等问题的出现。

4）车地WLAN的设备配置。需根据应用系统的要求选择合适的网络管理结构。网络信号必须安全隐藏并有加密措施。灯塔信号发送频率和探针请求数据包发送间隔设置也将影响到网络性能，需在现场调试中进一步优化。

5）其他辅助措施，如室外设备的防雷、防尘、防水措施，以及隧道内AP的架设、信号天线的俯仰角位置等一系列工程措施，将帮助提升网络部署效果。

3.2 应用系统数据处理优化建议

1）面向TCP连接的数据通信机制应用优化。UDP是一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。一旦网络的丢包、延迟现象较为严重，则必然使得应用系统发生数据残缺。因此，对于实时可靠性传输的车地应用系统，不建议采用UDP通信方式实现安全级别较高的系统。

TCP通信的三次握手机制和报文确认机制，可实现数据报文的重发，当无线网络发生瞬断，如AP漫游切换过程阶段所产生的数据包丢失，可以有效实现数据恢复能力。TCP通信技术可以胜任少量丢包情况发生，具有可靠通信能力。在点对多点网络组网结构下，在TCP多连接通信机制下，多客户端终端连接至同一个服务器端，会出现服务器TCP侦听轮训周期加长、缓存溢出等问题，因此在应用软件开发上，尤其是CBTC系统软件中，应尽量分散TCP连接分布。

2）强化流媒体缓存技术领域的优化。目前基于UDP传输的流媒体技术，在互联网上应用较为广泛，但是在车地WLAN这种可靠性较低的网络中，传输质量效果并不佳。在应用系统的收发端设定合适的可接受缓冲，可在一定程度内减弱时延和时延抖动所造成的影响［3］；在流媒体数据包中插入序列编号，利用数据包校验技术和重传机制，可以弥补丢包所造成视频帧丢失的问题。为了更好地提升流媒体效果，可以采用基于TCP的流媒体技术的应用。