地铁车厢内无线组网可靠性研究

王 佳 陈 瑞 曹雪虹

地铁车厢内无线组网可靠性研究

王 佳 陈 瑞 曹雪虹

摘 要：介绍地铁车厢内信号传输损耗的模型，提出3种组网方案并分析不同方案的优劣，最后利用OMNET++仿真软件对组网方案的可靠性进行了对比，并利用无线收发模块在实际运行的地铁车厢内进行了点对点的测试，验证了组网方案的设计是可行的也是有意义的。

关键词：地铁车门;网络方案;链式;分簇;可靠性

地铁安全运行系统中，车门的正常开启尤为重要，需要对车门的工作状态进行监控并掌握其故障信息。南京地铁1号线采用A型车标准，车体由6节车厢组成，每节车厢有10扇车门。每个车门都带有门控器，执行来自列车控制系统的指令，并将门系统的工况信息通过车辆通信总线报告给列车控制系统。但这种方式无法做到实时监测。故为地铁车门装上门监测器，采用“链式+分簇”的拓扑结构组成一个Ad hoc网络，通过TDMA机制，按时隙分配信道资源，保证各节点数据信息在其专有时隙及时、可靠地发送，最后将数据汇集到带有CDMA模块的门监测器上传至服务器。维护人员根据上传的信息分析故障原因，指挥现场人员解决问题，保证列车的可靠运行。

1 传输损耗模型及优化

无线信号在建筑物内传播会受到如建筑物的布置、材料结构和建筑物类型等因素的影响。而地铁车厢内部环境比较特殊，在人拥堵的情况以及人稀少的情况下，无线模块的通信质量相差很大，这是因为信号经过人体会有一个穿透损耗。这里仅针对一节车厢的情况进行分析，将地铁运行过程中车厢内部的环境分为空闲、正常和拥堵3种情况。一节车厢最大载客量为300人，当一节车厢人数小于100人时为空闲情况，200人及以上为人流比较密集的情况。因此，针对地铁车厢环境，传播损耗Lp模型为：

Lp= －27.56+20lgf+10γlgd+Lx(n) (1)

其中，f为频率 (MHz)，d为发射端至接收端的距离 (m)，γ为路径损耗指数。Lx(n)为根据地铁车厢环境不同所引起的损耗值，n为车厢内乘客数。An，Bn，Cn分别对应地铁空闲、正常、拥挤3种

环境下的基础损耗值，λ1，λ2，λ3分别对应3种环境的损耗系数。

考虑到地铁车厢内的无线传播情况，可以设An=5，λ1=0.7，Bn=12，λ2=0.6，Cn=18 ，λ3=0.5，乘客人数以10人为参考量。仿真中，设乘客人数n服从正态分布(E，σ2)：

图1 不同环境下无线电波的传输损耗 (f=2.4GHz)

衰减因子取γ=2.5，频率f=2.4 GHz。

仿真结果如图1所示，频率为2.4 GHz的无线电波，在相同的传播距离下，随着车厢乘客的增多，传输损耗也会随之增大。

2 组网方案的设计

为了获得有关车门的信息，在门控制器旁边设计、安装一个体积很小的门监测器，收集和传输每个车门的状态信息。为了有效、可靠地将这些信息发送到远端的后台服务器，采用“链式+分簇”的拓扑结构，将门监测器组成无线局域网，将监测数据汇集到一个或几个门监测器上，再通过公网传输，降低成本。

可将门监测器看作是网络中的无线节点，根据其在网络中所起的作用可分为3种节点：①网络节点，数据采集和发送;②汇集节点，数据采集、汇集、检错和发送;③网关节点，接入移动互联网，以及数据采集、检错和发送。有以下3种组网方案。

方案一，如图2，将整个网络分成2个自治网，车厢1，2，3为网络1，车厢4，5，6为网络2;分别选其中的一个网络节点兼作网关节点，收集本网络中的网关节点的数据，然后上传至远端服务器。这种方案的优点在于网络节点无需通过转发，而是直接将采集到的数据传给网关节点，整个网络简单;网络节点只负责在分配的时隙内完成数据采集和发送，不用考虑数据的汇集和转发，这样网络控制开销比较低。缺点在于距网关节点远的节点，在人流密集时这些节点的传输可靠性会降低。

方案二，如图3所示，每节车厢分别设置汇集节点，采用链式收集本车厢数据并分析丢包情况。在整列车辆设置2个自治网，车厢1，2，3组成网络1，车厢4，5，6组成网络2;每个网络中选择1个汇集节点兼作网关节点，用来收集本网络中汇集节点的数据，然后上传至服务器。通过链式加分簇的网络结构，将数据传输至最近的节点，这样缩短了网络节点之间的通信距离，减少了传输损耗，降低了相邻节点传输的丢包率，在地铁拥堵的情况下也能很好的控制传输质量，提高可靠性。另外，2个网关节点可以均衡负荷，减少网关节点故障。但是网关节点发生故障时，相应网络内的数据将无法上传至服务器，为避免这种情况，需要为网络1和网络2分别再增设一个备用网关节点，这样，整个网络需要4个网关节点，增加了设计的成本。

方案三，如图4所示，地铁车厢两侧的网络节点分别组成2条链式加分簇的网络，每节车厢内部一侧5个网络节点构成1个汇集子网，由汇集节点收集本子网内所有节点的数据、保证本子网内数据的正确性;数据的传送方向如图4所示，车厢1～3的汇集节点位于车厢最右侧;车厢4～6的汇集节点位于车厢的最左侧;在车厢3和4分别设置1个网关节点，使得设备型监测器网络能够接入移动互联网，并将数据传送至公司总部。这种网络的优点在于2条链式网络独立工作，在终端的网关节点靠的比较近，当一个网关节点失效时，另一个网关节点可以充当备用网关节点的作用，提高可靠性。缺点在于车厢1和车厢6内汇集节点距离网关节点有2节车厢的距离，相应的数据需要经过2跳才能传至网关节点处，当地铁拥挤运行时，车厢1和车厢6内网络节点传输的可靠性会相应下降。

图2 组网方案一

图3 组网方案二

图4 组网方案三

3 方案的实施和实验结果分析

3.1 仿真环境及结果分析

首先进行两点仿真测试。基于传输速率需求，选择2.4 GHz频段，节点发送功率为0 dBm，接收灵敏度为－85 dBm，收发端天线增益各5dB，数据包大小设置为32字节，车门间距为5 m，相邻车厢过道间距为3 m，在车空闲、正常运行、人拥堵3种情况下，分别测试传输距离 5 m，10 m，15 m，20 m，23 m的丢包率情况，仿真结果如图5所示。

可以看出，通过一节车厢距离，空闲运行的丢包率维持在1%以内，正常运行的丢包率大概在1.5%，拥挤运行时丢包率则在4.5%左右。在地铁拥挤运行的情况下，丢包率会比正常运行和空闲运行要高3%～3.5%，并且随着传播距离的增加，拥挤运行的丢包情况会更加严重，此时传输可靠性下降。

采用OMNET++仿真软件，就3种组网方案及3种地铁运行环境(空闲、正常及拥挤)，对6节车厢的门监测器数据传输情况分别进行统计。每节车厢共有10个节点，每个节点设置1000个数据包待发送，6节车厢待发送数据包是60000个，最后在网关节点处统计收到的数据包总数，根据仿真数据，绘制了不同情况下3种方案的丢包率统计图，如图6所示。

图5 两点丢包测试图

图6仿真结果表明，在地铁空闲运行时，由于人比较少对信号传播的影响比较小，信号能传输的距离比较远，3种方案的可靠性都比较高，丢包率分别为0.54%、1.37%、1.45%;在地铁正常运行时，3种方案的总体可靠性差不多，丢包率分别为2.13%、1.46%、1.84%，在可接受范围之内;在地铁拥挤的情况下，丢包率分别为25.75%，2.89%，8.19%，说明方案二可以明显降低网络节点的丢包率，提高了信号传输的可靠性。

图6 不同运行环境下3种方案的对比

3.2 实测

在实际运行的地铁车厢内，分别采用NRF905以及NRF24L01无线模块进行测试。NRF905是单片射频收发芯片，工作于433 MHz ISM频段，适用于多种无线通信的场合，如报警及安全系统、家庭自动化、无线门禁系统等。NRF24L01是一款工作在2.4～2.5 GHz ISM频段的单片无线收发器芯片，输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。

在实测过程中，按图7所示为车厢内的节点进行编号，测试内容包括地铁列车空闲、正常及拥挤3种运行环境下，节点1-2，1-3，1-4，1-5，3-8，3-13之间的传输速率以及丢包情况。NRF905模块由于频率比较低，传输损耗比较低，传播距离比较远，但是相应的传输速度也低，达不到需求。NRF24L01模块传输损耗较大，传播距离较短，但是传输速率较高，通过组网缩短节点通信距离可以解决这一问题。发送功率0 dBm，数据包大小32B，调制方式FSK，NRF24L01模块的丢包测试结果如表1、表2和表3所示。

图7 车厢节点编号示意图

表1，表2，表3反映了NRF24L01无线模块在地铁实测的结果，在空闲运行的情况下，1节车厢的传输可靠性比较高，丢包率比较低;在正常运行的情况下，车厢内信号传输可靠性有所下降，在1节车厢内信号传输的可靠性在可接受范围内，但信号通过2节车厢后，丢包率达到了30.82%;在拥挤运行的情况下，节点1-4，1-5之间的丢包率上升的比较多，并且随着传播距离的增加，丢包情况会更加严重，节点3-13的传输丢包率达到了79.72%，超过2节车厢的距离已经基本接收不到信号了，此时传输可靠性下降。构建链式网络以后，相邻2个车门的间距是5 m，丢包率在3种情况下都比较低，这样可以保证离网关节点较远处的网络节点也能通过链式网络将数据发送至网关节点，从而提升网络整体传输的可靠性。

表1 地铁空闲运行NRF24L01测试数据情况表

表2 地铁正常运行NRF24L01测试数据情况表

表3 地铁拥挤运行NRF24L01测试数据情况表

4 总结与研究展望

通过组网方案的设计，旨在提高地铁车厢内信息传输的可靠性，在进行了软件仿真后，对无线模块在实际运行的地铁车厢内进行了2点收发实测，验证了列车运行环境对系统传输的影响。之后需考虑个别监测器失效后，正常工作的监测器依然能够通过网络传输数据，还应考虑列车重新编组，门控器、门监测器的维修更换，以及2列列车行驶交汇过程中的复杂情况等。通过进一步完善组网方案，保证门监测器数据的有效上传以确保地铁安全运行。

［1］肖玉荣．“人文地铁”在新起点上创造新辉煌——写在南京地铁安全运营七周年之际［J］．江苏地方志，2012(5)．

［2］郑少仁，王海涛，赵志峰，米志超，黎宁．Ad Hoc网络技术［M］．北京：人民邮电出版社．

［3］S．Kumar，V．S．Raghavan and J．Deng．Medium Access Control Protocols for Ad－Hoc Wireless Networks：A Survey．Elsevier Ad － Hoc Networks Journal［J］，Vol．4(3)：326 －358，May 2006．

［4］Bezawada Bruhadeshwar，Kishore Kothapalli．A Fully Dynamic and Self－Stabilizing TDMA Scheme for Wireless Ad－hoc Networks［C］．IEEE International Conference on Advanced Information Networking and Applications，2010：511 －518．

［5］陈一天，余爱民．2.4GHz无线局域网在室内外传播的路径损耗分析［J］．电讯技术，2005．1：35 －39．

［6］MOHAMMED Y．E，ABDALLAH A．S，L IU Y．A．Measurements of In － Building Penetration Loss at 2．4 GHz［J］．Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications，2004，27(2)：98 －102．

［7］任智，李晴阳，陈前斌．无线网络衰落和损耗的建模与仿真研究［J］．系统工程与电子技术，2009，31(12)：2813－2819．

［8］赵永利，张杰．OMNET++与网络仿真［M］．北京：人民邮电出版社，2012．

［9］王卫疆，李腊元，郑锋．基于OMNET++的Ad Hoc网络跨层协议栈仿真［J］．计算机工程，2009，35(9)：4－7．

Abstract:The model of transmission loss of signals inside subway vehicle is introduced and three networking scenarios are proposed and their advantages and disadvantages are analyzed．In the end，the reliability of those networking scenarios is compared using the simulation software OMNET++．Point－point tests were conducted using wireless sending and receiving module in subway car in operation，which verified that the designs of those networking scenarios are feasible and significant．

Key words:Door of subway car;Network scheme;Chain;Clustering;Reliability

王 佳：南京邮电大学 硕士研究生 210003 南京

陈 瑞：南京工程学院 副教授 211167 南京

曹雪虹：南京工程学院 教授 211167 南京

南京工程学院创新项目 (CKJ2011006)

2013-06-18

(责任编辑：诸 红)