基于WLAN的车地无线通信设备研究

王萌淮，李 波

(西安邮电大学 通信与信息工程学院，陕西 西安 710061)



基于WLAN的车地无线通信设备研究

王萌淮，李 波

(西安邮电大学 通信与信息工程学院，陕西 西安 710061)

针对当前WLAN技术应用在地铁监控领域存在的网络容量、负载均衡等问题，设计了基于FPGA和接入点AP的一种无线数据传输设备，其中 FPGA负责对接收的视频数据的缓存转发处理以及AP的工作状态信息的收集，并以FPGA作为负载均衡处理的核心。同时文中还提出了一种切换式的负载均衡策略，根据当前的负载状况等信息对WLAN设备的负载进行再次调整。吞吐量测试表明，系统的吞吐量能达到160 Mbit·s-1，同时各个WLAN设备的负载较为均衡，系统的资源得到充分利用。

WLAN；车地无线通信；网络传输；负载均衡

在地铁监控领域，列车入库之后，为防范城市轨道交通意外事件发生，地面控制中心人员需要实时调取列车车厢内车载摄像头拍摄的监控图像信息，以保障入库车辆的安全[1]。同时地面控制中心为了对突发性异常事件的过程进行及时的监视和记忆，用以高效、及时地指挥和调度应急处理，需要一种新的无线传输技术来满足快速、稳定的、容量越来越大的监控图像信息的传输要求。目前应用在地铁监控领域的宽带无线技术主要有TDD/FDD-LTE[2]、定制OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)、WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)、WLAN(Wireless Local Area Networks)等4种技术，相对于其他几项技术，WLAN[3]技术产品链比较成熟，应用较为广泛，同时WLAN技术的终端设备的成本比较低，采用WLAN技术进行车地视频图像的传输时，可大幅降低成本。同时现有的WLAN设备均可较好地支持二次开发，研发设计成本较低。

目前国内外基于WLAN技术的地铁监控视频数据无线传输存在几个问题，一方面是WLAN网络容量问题，当前地铁环境下，WLAN设备密集覆盖时，若邻近的多个工作于AP(Access Point)模式的WLAN设备共享同一信道，造成WLAN设备相互间干扰严重，网络传输性能不能充分发挥。另一方面是无线局域网负载均衡[4]问题，由于无线局域网采用的802.11协议[5]标准中没有对负载均衡方面做出描述和规定，网络负载的分布完全由客户端设备自由随意的切换。在多个AP的重叠区域内，客户端设备通常选择与信号强度 (Received Signal Strength Indication，RSSI)最大或者通信时延最小的AP[6]建立网络连接，这种网络建立机制并未考虑AP的实际负载，易产生网络拥塞风险，造成网络效率和性能下降、系统的资源利用率变差等问题。本文在研究当前存在问题的基础上，设计了一种基于FPGA和接入点A的适合监控视频数据无线传输的WLAN设备。

1 WLAN设备系统框架

WLAN设备系统框架主要由电源模块、以太网模块以及AP模块组成。其中电源模块主要是给双网口的以太网模块以及AP模块供电，分别提供1.2 V，2.5 V，3.3 V，48 V，5 V的电压。以太网模块包括串口通信模块、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、物理接口收发器、网络变压器、时钟电路、配置电路等部分，主要功能包括对AP模块上电的参数配置、负载均衡算法的实现以及对以太网数据的处理。AP模块工作在802.11n[7]模式，主要用于实现车载与地面间的无线通信。WLAN设备的系统框架如图1所示。

图1 WLAN设备系统框架

2 WLAN设备应用场景

车地无线传输组网配置，如图2所示。

图2 车地无线传输场景组网配置

图2中AP1，AP2，AP3为工作于AP模式的WLAN设备，C1，C2，C3为工作于Client模式的WLAN设备，N1为地面服务器端，N2，N3，N4为车厢内的终端设备。N1与AP1、AP2、AP3之间通过交换机连接在一个有线网络中，C2与N2连接在一个有线网络中，C1与N4，C3与N3分别连接在另外两个有线网络中。图中显示的C2和AP2已连接成功，C1和C3同时成功的连接到AP1上。AP3上面则未接入任何Client模式的WLAN设备。

2.1 车地无线传输场景中的数据处理

(1)Client模式WLAN设备接入时的端口号的分配。Client模式的WLAN设备上电后，会根据信号选择RSSI[8]较强的AP模式的WLAN设备建立连接，该AP模式的WLAN设备会从自身的空白端口中选一个分配给这个Client模式的WLAN设备，其中可分配的端口为3001～3015；

(2)AP模式的WLAN设备的接入状态上传。AP模式的WLAN设备会每间隔5 s(配置决定)向所连的N1发送如图3所示的内容。N1端就认为C2是关联在AP2的第一个通讯端口(3000)上，C1时关联在AP1的3000通讯端口，C3关联在AP1的3004通讯端口；

(3)服务器端指令数据的下发。假若N1此时有数据要下发到N2，则N1选择以网段1所示的数据包格式将数据发送到AP2的3000端口，然后AP2将数据转发给C2，C2选择以网段2所示数据包的格式将帧数据发送到N2。

(4)客户端监控视频数据的上传。N2对接收到来自于N1的数据包实时检测，若N2检测到数据上传命令之后，N2选择以网段3所示的数据包的格式将数据发送给C2，C2将数据转发给AP2，AP2选择以网段1所示的数据包的格式将数据发送给N1的相应端口；

(5)当客户端N1将UDP数据发送到AP3的某个端口后，AP3发现自身未连接到任何客户端，于是将收到的所有的数据全部丢弃。

图3 状态信息上传格式

2.2 WLAN设备的负载均衡处理

在图2典型应用场景中，WLAN设备内的以太网模块通过与AP模块命令的交互，收集接入的Client[9]模式WLAN设备的状态信息，然后通过相互交流邻居AP模式的WLAN设备的负载状态信息，判断出超载与非超载的AP模式的WLAN设备，对超载的WLAN设备关联的客户端执行切换操作。负载均衡的实现需AP模式的WLAN设备与Client模式的WLAN设备共同参与，其中AP模式的WLAN设备的算法流程如图3所示，图中AP表示AP模式的WLAN设备，STA表示Client模式的WLAN设备，具体描述如下：

(1)区域内工作于AP模式[10]的WLAN设备上电之后，N1端上位机发送广播消息，配置各个AP模式的WLAN设备的状态信息上传的时间间隔，其中AP模式的WLAN设备上传的信息内容包括设备序号、接入的Client模式WLAN设备的IP、本地流量信息以及AP模式的WLAN设备所分配的端口号信息。各AP模式的WLAN设备相互交流负载状态信息；

(2)AP模式的WLAN设备将当前自身流量与区域内各个AP模式WLAN设备的流量总和的比值作为负载占比LOAD，如若APi(i=1,2,3…)的LOAD超过一定限值，则根据AP模式WLAN设备之间的负载交流，判断出当前存在的一个非超载的其他AP模式WLAN设备APj(j=1,2,3…,j≠i)，则此时超载的APi构造超载指示帧，并向与之关联的所有Client模式的WLAN设备发送；

(3)若APi收到非关联Client模式的WLAN设备的探测请求帧，则构造含有RSSI、负载占比LOAD等负载信息的探测响应帧回复给Client模式的WLAN设备。若搜到的是关联Client模式的WLAN设备的探测响应帧，则提取响应的负载信息；

(4)超载的APi根据负载均衡控制模块通知的负载占比信息，判断出若当前LOAD最小，且APi处于正常状态时，则超载APj选取自身关联的WLAN设备中负载占比最小的Client模式的WLAN设备，向负载最轻的APi发送切换请求，APj根据请求的次序逐个接纳Client模式的WLAN设备；

(5)若超载的APj接收到APi的允许接收回复，则本次切换成功，超载AP在权值队列中删除切换到其他WLAN设备的Client模式的WLAN设备相关的LOAD值，避免以后再次分流Client模式的WLAN设备时，AP无用的计算。若APi拒绝接收，则表明由于其他AP模式的WLAN设备的切换，导致此AP临近超载，则应该继续寻找下一个最大的LOAD值，重复步骤(4)。若没有一个AP模式的WLAN设备肯接纳Client模式的WLAN设备，则说明所有原本正常的AP模式的WLAN设备均处于临界超载或者超载状态，此时不再进行任何切换；

(6)若AP模式的WLAN设备在切换后仍超载，则转，(2)，否则算法结束。

图4 AP端算法实现框图

客户端的控制流程图如图4所示，具体描述如下：

(1)Client模式的WLAN设备收到AP模式的WLAN设备的超载广播后，在信道上向所有可视AP模式的WLAN设备发送探测请求帧，启动定时器，开始计时；

(2)若定时器未超时，且收到了来自AP模式的WLAN设备的探测响应帧[11]，则转步骤(4)，否则转步骤(3)；

(3)若Client模式的WLAN设备探测的次数超过最大探测时间，则自动终止，不再发送任何帧，算法结束。否则继续向AP模式的WLAN设备发送请求帧，转步骤(2)；

(4)Client模式的WLAN设备从探测响应帧中提取RSSI的流量、接入客户端的数目等信息，根据RSSI的阀值进行判断，选取当前RSSI大于阀值的AP模式的WLAN设备发送给进行广播的AP模式的WLAN设备。

图5 客户端算法实现框图

3 性能测试

3.1 吞吐量测试

利用两台WLAN设备，两台计算机搭建吞吐量测试平台，组网示意图如图2所示。在N1端设定网络性能测试工具IPerf的发送UDP数据流的带宽为80 Mbit·s-1，发送数据的端口号为7000，接收数据端口号为7001；在N2端设定发送UDP数据流的带宽为80 Mbit·s-1，发送端口号为7001，接收数据端口号为7000。间隔50 s分别对收到的数据流的带宽进行统计，系统吞吐量统计如图6所示，系统吞吐量稳定约在160 Mbit·s-1，能满足地铁环境下对传输带宽的要求。

图6 双向传输时系统吞吐量统计

3.2 无线局域网的负载均衡效果测试

为便于进行系统的负载均衡效果测试，采用3台AP模式的WdLAN设备与13台Client模式的WLAN设备做组网测试[12]，组网示意图如图2所示。其中3台AP模式的WLAN的分别工作在不同的信道，且AP模式的设备的信号覆盖区域之间有重叠区域。各个Client模式的WLAN设备选择AP模式的WLAN设备关联[13]之后，通过调节各个Client模式的WLAN设备的数据包生成时间间隔，使得各Client模式的WLAN设备的业务负载量各不相同。优化前各个AP模式的WLAN设备的吞吐量如图7所示。

图7 系统均衡优化前各WLAN设备吞吐量

由图7可看出，由于AP1和AP2所关联的Client模式WLAN设备数量较多，所以其吞吐量也较高。而AP1负载的Client模式的WLAN设备个数虽远多于AP2负载的Client模式的WLAN设备的个数，但AP1的吞吐量和AP2的吞吐量却相差较小，由此说明AP1上的无线频带上的冲突严重，因此严重影响了通信的质量，此时需要对AP1采取负载均衡的方法来降低AP1的负载，从而减轻冲突，提高通信质量[14]。

采用本文的负载均衡算法后，由于AP1吞吐量超过既定的阀值，所以处于超载状态AP1需要做负载分流[15]，此时均衡的结果就是将AP1的一部分Client模式的WLAN设备分配到AP3上去，使得AP3的吞吐量得到大幅提升，且在切换的过程中，根据吞吐量不断进行调整负载分配。每隔10 s统计的各WLAN设备吞吐量如图8所示，其中3个AP模式的WALN设备之间的吞吐量基本分布在50 Mbit·s-1与60 Mbit·s-1左右，系统的资源得到充分利用。

图8 负载均衡后各WLAN设备吞吐量

4 结束语

本文设计并实现了一种适合地铁监控领域的无线数据传输的WLAN设备，测试结果表明系统吞吐量能达到160 Mbit·s-1，能够满足地铁监控视频传输的需求，同时与传统采用RSSI最大的选择接入的策略相比，本文提出的负载均衡策略能有效均衡系统的负载，提高系统吞吐量。

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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，硕士研究生。研究方向：宽带无线通信技术。李波(1980-)，男，博士，教授，硕士生导师。研究方向：宽带无线通信技术。

TN92；TP393.1

A

1007-7820(2016)12-012-05