時間：2023-07-02 08:23:59
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關鍵詞：計算機網絡；移動服務量；車載網絡；資源調度算法；二分圖
中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.05.012
0 引言
車載網絡（Vehicular Ad Hoc Networks，VANETs）是支撐智能交通系統（Intelligent Transportation System，ITS）的關鍵技術，由具有無線通信能力的車輛節點或路邊基礎設施（Roadside Infrastructure Unit，RIU）構成。與傳統移動自組織網絡不同，車載網絡管理的是公路上高速移動的機動車輛，網絡拓撲隨車輛移動動態變化，基于車載網絡的交通應用對通信實時性要求較高。資源調度是提高車載網絡數據吞吐量、降低數據傳輸時延的重要技術手段，是車載網絡的重點研究內容。
為改進傳統智能交通系統低效的通信模式，車載網絡以更直接、高效的方式收集、傳播和分發信息。資源調度是提高車載網絡數據傳輸能力的重要技術手段，車載網絡資源調度的主要挑戰在于如何有效利用車載網絡物理層條件（車輛移動性、車輛無線信道、車輛相對位置）滿足應用層的需求。
Liu等人研究了如何利用RIU作為協作中繼幫助車載網絡車輛傳輸數據。Wu等人提出了一種從路邊基站到行駛車輛的下行調度算法，對車載網絡下行信道資源進行有效管理。Zhang等人提出了同時考慮上行和下行請求的調度算法。2013年Li針對WiMAX網絡和WAVE網絡中資源調度方式不同，提出一種基于反饋的兩級資源調度機制。H.Ilhan等人提出了一種基于放大轉發的自組織Ad Hoc網絡的車載網絡架構。M.Seyfi等人提出了一種兩跳車載網絡的中繼選擇策略。M.F.Feteiha等人提出了一種基于多天線放大中繼的車載網絡資源調度策略。Zheng等人基于圖論提出了一種車輛與基礎設施之間的鏈路V2I（Vehicle-to-Infrastructure）和車輛與車輛之間的鏈路V2V（Vehicle-to-Vehicle）并存的車載網絡資源調度方法。文獻[18]基于多選擇的聯合鏈路調度與資源優化方法。文獻[19]基于LTE-Advanced架構提出了中繼車載網絡的一種傳輸方法。
這些研究從車載網絡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，現有車載網絡資源調度方法大多都基于車輛的瞬時狀態，沒有考慮車輛的移動性，難以準確刻畫車載網絡鏈路傳輸能力并充分發揮車載網絡移動下的系統性能。
1 異構車載網絡
如圖1所示，一個典型的異構車載網絡結構包含公路上高速行駛的車輛節點和RIU，所有的車輛都可通過V2I/V2V兩種鏈路與RIU通信，進而接入Internet。同時，車輛與車輛之間通過V2V鏈路互相通信，共享路面信息。本文研究的異構車載網絡由V2I（采用LTE-Advanced協議）和V2V（采用Dedicated Short RangeCommunication，DSRC協議）兩部分鏈路組成；采用的調度算法是通過調度管理車載網絡傳輸鏈路資源（V2I與V2V），幫助車載網絡范圍內各車輛互相協作，從而提高車載網絡整體數據傳輸性能。
針對車載網絡中網絡節點是高速移動的機動車輛，本文提出了一種基于移動服務量的異構車載網絡資源調度算法（Moble Services Resource Scheduling algorithm，MSRS）。MSRS算法中，由基站對兩種網絡資源進行統一調度。與現有算法（Achievable Rate-based Resource Scheduling algorithm，ARRS）使用車輛瞬時可達速率調度不同，MSRS算法首先依據車輛的運行軌跡計算調度周期內V2I和V2V鏈路移動服務量；根據V2I移動服務量分配車輛使用直接與基站通信還是通過協作轉發車輛與基站通信；若車輛為協作通信方式，基站利用圖論中的二分圖最大權重匹配算法為車輛分配協作轉發車輛，車輛作為二分圖頂點、V2I和V2V鏈路為二分圖邊、V2I和V2V移動服務量為邊的權重。MSRS算法為異構車載網絡數據傳輸提供最大總吞吐量傳輸方案。仿真實驗表明，與現有基于瞬時速率的資源調度算法相比，在不同車輛數量、車速、基站覆蓋范圍條件下MSRS算法都可以提供更高的數據吞吐量，與窮舉資源調度算法相比，MSRS算法復雜度更低。
2 車載網絡鏈路誤差分析
車載網絡中由于車輛快速移動，從而導致網絡拓撲快速變化，節點間的通信鏈路質量變化也很快。采用基于瞬時可達速率的車載網絡資源調度算法，為了適應網絡的這種快變特點，必須縮短調度周期，不斷計算并更新調度結果。這會帶來調度計算和網絡信令的開銷大幅增長，降低車載網絡有效傳輸能力。
如圖2所示場景，V1遠離RIU行駛，V2、V3與V1相對行駛靠近RIU。在圖2（a）時刻車載網絡進行資源調度，此時若采用傳統的瞬時可達速率作為優化目標效用函數，由于V1此時離RIU近、信道條件好，則V3的最大可達速率策略為選擇V1作為協作節點協助V3與RIU通信。圖2（b）所示為調度周期結束時車輛的所在位置。比較圖2（a）與（b）可以看出，由于V3與V1相對行駛且V1逐漸遠離RIU，V3通過V1協助與RIU的可達速率不斷減少，調度周期內V3獲得的通信速率大大少于預期。可見，圖2（a）調度獲得的最優調度方案在實際運行時并不是最優方案，調度方案預期性能與實際效果有較大誤差。
造成這種誤差的原因是資源調度方案只考慮車載網絡的瞬時靜態可達速率狀態，并以此為依據進行資源調度。而車載網絡是不斷運動變化的網絡，節點相互位置動態變化，以靜態方案規劃動態變化的網絡必然造成誤差，難以達到最優配置網絡資源的目的。為減少誤差，現有資源調度方案大多通過增加調度頻率、減少調度周期的方法減少網絡在調度周期運行期間與方案規劃時狀態的差異。這種方法增加了通信開銷，減少了算法有效持續時間，越來越不適應車輛密度越來越大、車速越來越快的現代交通網絡。
因此，本文提出基于移動服務量的車載網絡資源調度算法，通過計算調度周期內車輛能獲得的移動服務量代替調度時的瞬時可達速率進行車載網絡資源調度。該算法能反映調度周期內車輛位置變化帶來的車輛可達速率改變，從而更精確的描述車載網絡狀態變化，減少車載網絡資源調度算法在實際應用中出現的誤差。
3 移動服務量
為設計更精確的資源調度方案，采用移動服務量代替瞬時可達速率，計算車輛在一個調度周期可以獲得的移動服務量，從而更精確的描述車載網絡鏈路狀態，為更精確的資源調度方案設計打下基礎。定義第k個調度周期可以獲得的移動服務量為：
圖7仿真車輛數目對MSRS算法的影響。20、40、60、80、100、120、140、160、180、200輛車輛隨機分布在道路上，車輛最大時速35m/s，RIU覆蓋半徑500m，每種車輛數目進行200次實驗取均值。從圖7可以看出，十字路口場景下，無論車輛數目如何變化，MSRS算法相比ARRS算法所獲得的資源分配方案更優，能使車載網絡達到更大的數據吞吐量。
圖8仿真車速對車載網絡資源調度算法的影響。100輛車隨機分布在道路上，RIU覆蓋半徑500m，車輛最大時速為22-52m/s，每種車速進行200次實驗取均值。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，能使車載網絡達到更大的數據吞吐量。隨著最大車速增加，MSRS算法相對ARRS算法的總吞吐量也呈現不斷增長趨勢；在最大車速大于40米/秒后，MSRS算法相對ARRS算法的性能優勢更明顯，說明隨著車速增加，車輛在一個調度周期移動的距離增大，ARRS算法描述車輛鏈路性能的誤差也越大，因此MSRS算法相對ARRS算法的性能優勢更加明顯，MSRS算法更適合高速移動車載網絡。
圖9仿真RIU覆蓋范圍對車載網絡資源調度算法的影響。100輛車輛隨機分布在道路上，車輛最大時速為35m/s，RIU覆蓋半徑500-1500m，為每種覆蓋半徑進行200次實驗取均值。
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。這是因為RIU發送功率不變，當RIU覆蓋范圍增加時場景面積相應變大，車輛間、車輛與RIU間距離也相應增加，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算法都優于ARRS算法，MSRS算法使車載網絡達到更高的數據吞吐量。
關鍵詞：混雜感知車載網；表述性狀態轉移；車載感知服務；服務資源
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
隨著物聯網技術的不斷發展，以感知、互聯為特征的物聯網應用越來越得到重視，一個重要的應用領域就是車聯網。和傳統的物聯網一樣，車聯網的基礎也是無線傳感網(WSN)，它為車輛的感知、互聯提供基礎支持。由于車輛移動的特性，車輛之間通常形成以自組織為特點的車載自組網(VANET)。WSN和VANET的結合形成一種混雜感知車載網(HSVN)[1-2]。在VANET或HSVN中，車輛非靜態地與基礎網絡進行鏈接(與傳統的計算機網絡方式不同)，這使得車輛網絡必須考慮如何將車輛作為節點集成到基礎網絡當中，以便網絡能夠通過路由設施尋址獲得對車輛節點的交互服務。
由于VANET和HSVN的移動和自組織性，在物聯網的應用層，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，對其所運行的信息系統也有不同的要求。在Web服務當中，表述性狀態轉移(REST)作為一種軟件架構約束或者設計原則，其目標在于避免服務器使用資源服務的應用狀態，通過確保服務當中的重要資源能夠以統一標識符(URI)的方式得以指示，進而使得客戶端的所有交互能夠從服務器上獲得所有必需的服務狀態信息，同時服務器端不用保存來自客戶端的資源會話狀態信息[3-4]。與傳統的基于狀態的應用相比，REST的這種工作方式大大提高了Web服務的可伸縮性、通用性和組件獨立性，這對于需要處理海量的不同信息類型的無線車輛網絡無疑具有一定的適用性。
本文結合HSVN信息服務的典型應用，給出一種基于REST設計思想的車載感知信息服務的設計框架，它能夠以較經濟的方式滿足車載感知信息服務需求。
1 混雜感知車載網信息服務
1.1 混雜感知車載網信息服務場景
車輛在道路上行駛，在經過道路交叉口臨時停靠和進入停車場后停靠情況下，車輛和外在單元的信息交互服務應用，可以看作是典型的具有WSN和VANET特征的HSVN應用。圖1表示了這種HSVN應用的一個典型場景。
圖1中，架設在道路邊上的道路終端，以及在停車場上的停車場終端，構成了一個“靜態”的無線傳感器網絡(WSN)，靜態WSN的主節點可以以有線的方式接入主干網(如Internet)。而車輛自身的感知服務加入到這個靜態WSN中，形成了“動態”的WSN
行駛在道路上的車輛之間構成一個自組織的VANET。車輛處在VANET和WSN兩個網絡之中。這兩個網絡能夠實現道路交通信息的共享以及進行快速的數據交換。車輛自發組成的VANET，并不是保持持續的狀態而是在可能的條件下以點對點的模式進行互聯，尤其是在兩輛車相互靠近的時候。車輛一方面能夠采集自身的狀態信息，另一方面當車輛經過道路終端時能夠下載存儲于網絡當中的道路信息，而車輛也能實時地將自身的信息上傳到WSN進行覆蓋更新。圖1給出的典型場景當中存在著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 混雜感知車載網服務模型
通過對典型場景的分析，可以把一個HSVN內信息交互對象分成車載終端用戶、道路交通服務基站、交通安全服務中心和PC用戶四大類。其中，PC用戶是指通過高速接入(一般為有線網絡)方式接入到主干網的靜態終端用戶，這部分用戶的應用模式和傳統的PC應用模式相同，本文中不加專門討論。
HSVN應用目的之一是保障交通安全，為用戶提供“平安出行”的服務。交通安全服務中心作為整個服務系統的核心，維護了各項服務的獨立性和安全性。一般它具有專門的數據庫系統。數據庫系統和交通路況信息系統、地理信息系統(GIS)等進行互聯，結合HSVN中道路交通傳感器網絡，能夠存儲從各個節點收集來的各項數據，進行有效地數據分類規劃并對各分類服務進行有效地管理控制。典型的服務內容見表1。
圖2中的道路交通服務基站是由一系列道路終端、停車場終端等組成的傳感器網絡。根據交通安全設計的需要，這些基站(終端)可以是簡單的信息收發單元(類似于接入點(AP))，也可以是自帶系統的智能單元。從安全感知的需求出發，道路交通服務基站會被設計成為帶有數據庫的小型計算機系統，既可監測路況信息又可作為數據的接入點。它能夠從任何的車輛節點接收、存儲數據，也能夠為車輛提供一定的信息服務。其擁有屬于自己的資源控制規則。基于基站感知元件的感知能力不同，不同的道路交通服務基站有不同的覆蓋范圍。在移動應用中，車載終端用戶形成車載自組網(VANET)，網內車輛為點對點的通信模式。隨著車輛在道路上的行進，一般這個網絡會動態地進行改變。
車載終端和交通安全服務中心以及道路交通服務基站的通信會比較復雜一些。一方面，車輛通過道路終端或停車場終端等服務基站來獲取信息服務。如果車輛在行駛過程中，其和道路終端的關系動態地改變，服務會根據車輛行駛的路線分段進行。車載終端會進行網絡接入點的監測，選擇便于接入的道路交通服務基站。車輛終端用戶從中獲取路況信息。道路交通服務基站會定期與交通安全服務中心進行交互以更新信息。道路交通服務基站扮演著無線網絡和固定網絡的接口角色，其自身也相應搜集氣象等信息。圖2顯示了場景的服務結構。車載終端用戶所在的車輛節點擁有獨立的信息展示系統，沿其行駛路線進行數據收集，一方面接受服務基站和安全中心的各種服務，一方面將自身的數據與基站和中心進行共享。車輛節點與其所在的車載自組網同樣也會進行信息的共享。
對于沒有道路交通服務基站覆蓋的區域，車載終端可以通過移動網絡(2G/3G網絡)和主干網進行通信，直接從交通安全服務中心獲取服務。
1.3 混雜感知車載網信息服務的特點
根據上面分析，結合HSVN中車載終端的移動特性，可以得知HSVN中信息服務有如下特點：
(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，獲取交通安全服務中心的服務，也可以通過移動網絡直接接入主干網獲取服務。數據傳輸路由的選擇則與道路終端的部署情況、車輛無線網絡的信號強度、服務的內容等因素有關系。
(2)客戶/服務角色的統一。一個節點(車載終端、道路終端等)在整個網絡中既可能是客戶(獲取服務)，也可以是服務者(提供信息服務)。每個終端都有一定的信息處理能力，需要對不同的信息進行融合分析處理。
(3)信息可以分成緊急和非緊急兩大類。對于緊急信息，需要實時傳播。例如，前面車輛的突發故障信息需要及時傳遞給后續車輛，發出警示。緊急信息一般可以被設計成短幀格式，便于傳送。而非緊急信息，如道路的實時路況視頻信息，一般需要更大的帶寬來進行傳輸。
(4)服務傳送信息越簡潔越好。由于移動過程中車輛和道路終端的連接會頻繁切換，因此一個服務最好是車輛在一個道路終端的覆蓋范圍內完成。服務信息涉及的字節數越少，完成服務的時間越短，其涉及的信息單元就越少。
2 表述性狀態轉移信息
交互設計
針對跨平臺、松耦合的客戶/服務體系，面向服務的架構(SOA)是一種普遍的解決方法。2000年Microsoft公司正式提出Web服務概念，并且隨后聯合其他公司共同制訂了簡單訪問對象協議(SOAP)，Intel、IBM、Microsoft等公司指定了Web服務描述語言(WSDL)和統一描述、發現和集成(UDDI)協議，形成了完整的SOAP Web服務體系架構[5]。在該模式下，超文本傳輸協議(HTTP)只是用來進行信息傳遞的協議。在這協議之上有SOAP協議對數據進行封裝[6]。一個Web服務通過WSDL來進行描述，一般包含了多個可以被調用的方法。調用方法可以使用多種數據類型，甚至是數組等復雜數據類型。
這種面向傳統計算機平臺的Web服務架構主要缺點是實現復雜，一個URI對應的Web服務包含很多方法，各個方法調用形式不同，參數類型不同，導致訪問的編程復雜。同時，由于信息傳遞是通過基于SOAP規范的可擴展標記語言(XML)文件實現，數據傳遞過程必須進行必要的打包操作，帶來了數據傳送量的增大。
2000年，Roy Thomas Fielding提出了REST風格的Web服務。服務在Web級規模交互上存在優勢，其具有以下特征[6-7]：
?帶有狀態的服務被抽象成資源。
?每個資源都對應唯一的資源標識(URI)。
?所有資源通過通用的連接器接口(HTTP)進行通信和操作，限制在CRUD(Create、Retrieve、Update和Delete)4種操作。
?所有REST交互都是無狀態的。
?采用Client-Server結構，用戶界面與數據存儲分開。
?架構是分層的。
?服務器端響應強制標志出是否可以緩存。
在SOAP式的Web服務架構中，關注點在于方法；在REST式的架構中，關注點在于資源。服務架構使用標準方法檢索并操作信息片段，同時需要制訂信息的表示方法[8]。REST利用簡單的HTTP、URI標準和XML語言構建起輕量級的Web服務，從而大幅度地提升了開發效率和程序性能，也為構建下一代高性能、高可伸縮性、簡單性、可移植性、可靠性的Web程序提供了一個架構風格上的準則。
3 混雜感知車載網信息
服務的表述性狀態轉移
風格的服務設計
REST風格的服務設計，可以被稱為面向資源的應用(ROA)風格的應用。在REST當中，資源的定義起到了基礎性的作用。資源設計可借鑒的方法有很多種，這里主要從上面提到的服務對象和服務過程來歸納。
3.1 感知信息數據規劃
在REST當中，進行數據規劃的真正作用在于提出系統想要提供或者說暴露的數據集，也就是系統的服務類。表2是HSVN場景下所定義的典型數據集，每一數據集擁有其根據實際需要而統一的數值類型和命名方式。
3.2 感知信息資源設計
REST的資源設計和命名是通過設計URI來體現的，同時URI也表明了資源的地址[9-10]。URI是客戶端與服務端之間接口的重要部分，保持其穩定性和永久性是相當重要的，為此設計時應該按照一定的規范來保障URI的一致性。本文按文獻[11]所提的慣例來設計。
首先對于整個服務來講，服務首頁也就是根資源，定義其URI為省略。接下來，可對每個子服務進行設計，其URI分別定義如下：
?車輛預警模塊――省略/vehicle-warning
?路況預警模塊――省略/road-warning
?氣象服務模塊――省略/weather-services
?定位服務模塊――省略/localization-services
?路徑規劃模塊――省略/path-plan
在此基礎上，以路況預警為例，進一步進行設計，具體如表3所示。
3.3 感知信息資源表述
確定資源并設計好URI以后，必須考慮當客戶端發送服務請求時，服務器應返回什么數據。在REST風格中，資源有多種表示形式，包括XML/JSON/ATOM等等。該資源格式應要能夠：傳達資源的當前狀態；鏈接到可能的下個應用狀態或資源狀態。
路況預警資源的組織形式，表現為層次結構，每一層次就是一項數據報告，以屬性名進行命名。同時為實現連通性，在路況預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，有利于降低網絡的負載要求[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定HTTP的請求報頭和請求實體，并且實體的格式必須和連接類型聲明一致。
4 表述性狀態轉移式的混雜
感知車載網服務架構
建立針對HSVN的REST風格的服務，需要通過分析服務當中的邏輯實體，建立服務信息模型，從而規劃出滿足HSVN條件的REST風格的服務。圖4是根據HSVN信息服務特征及REST約束規則設計的HSVN軟件服務架構。架構以資源服務控制器為核心。
客戶端是各類需要服務的應用系統。客戶端包括移動終端以及靜態終端，其涉及的操作系統平臺也各不相同。
感知服務層提供各類服務。其中，資源服務控制器負責管理客戶端的服務請求(在其內部擁有一個路由設備)，根據URI將每個收到的請求路由到適合的服務節點(找到適合的HSVN網絡接入點)。各個服務節點通過規范化的REST接口去執行具體的信息服務請求。
服務節點運行在道路終端、車載終端或者服務中心的異構計算機平臺上。各類服務節點提供的服務能力不同。
資源服務層提供整個網絡服務共享的數據和資源服務，其運行于服務中心的計算機平臺上。
5 結束語
HSVN作為未來車載網絡的發展方向，其混合式的框架決定了其在處理車載感知信息時的復雜性和多樣性，對信息服務的數據融合、表示、存儲等各方面提出了較高要求。本文在分析HSVN應用場景和服務模型的基礎上，結合REST架構設計準則，給出了HSVN中車載感知信息服務的設計方法，可以生成具有良好可伸縮性、通用性和組件獨立性的車載網絡服務系統。
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收稿日期：2012-01-03
作者簡介
關鍵詞：車載網絡；發動機電控系統；故障診斷
一、引言
為了實現很多系統的信息共享，很多汽車廠商把車上的各控制單元通過網線連接起來，形成車載網絡系統。當車載網絡系統故障引起電控發動機故障時，如何少走彎路，快速判斷故障原因，找出故障所在，不僅是學校在校師生教學的難點，也是很多汽車修理廠技師面臨的一個難題。本文以通用車系（雪佛蘭科魯茲）為例，介紹基于車載網絡系統故障的電控發動機故障診斷方法和思路。
二、通用車系（雪佛蘭科魯茲）車載網絡系統的特點
通用雪佛蘭科魯茲車載網絡系統主要包括高速GMLAN、低速GMLAN、底盤擴展總線、線性互聯網(LIN)四部分。由于發動機電控系統屬于高速GMLAN范疇，故本文只討論高速GMLAN。高速GMLAN通過網線（雙絞線）把車身控制模塊、電子控制模塊、動力轉向控制模塊、自動變速器控制模塊、發動機控制模塊串聯在一起，網絡兩端的電子控制單元內，有終端電阻，目的是防止信號反射造成信號干擾，如圖所示。電子控制單元串聯使各模塊能實現快速信息傳輸和共享，但相比電子控制單元并聯，有個明顯的缺陷：如果其中一個控制模塊損壞或某一段網線出現故障（開路）會導致整個網絡系統無法傳輸信息而癱瘓。在雪佛蘭科魯茲發動機電控系統中，發動機控制模塊K20正常工作與否受車身控制模塊K9控制，由高速GMLAN網絡示意圖可知，如果車身控制模塊K9、電子控制模塊、動力轉向控制模塊、自動變速器控制模塊或他們之間的網線故障均會影響發動機電控系統工作。
三、通用車系（雪佛蘭科魯茲）車載網絡系統（高速GMLAN）故障現象
對于通用車系（雪佛蘭科魯茲）車載網絡系統發生故障時，一般都有一些明顯的故障特征：其一，整個車載網絡不工作或多個控制單元ECU有故障，導致起動機不能運轉，進而影響發動機起動。其二，通過專用的故障診斷設備與個別或多個控制單元ECU通信，現象變現為無法與診斷設備連接通訊。
四、通用車系（雪佛蘭科魯茲）車載網絡系統故障的故障診斷與排除的方法
當人們通過上述故障現象初步判斷出是車載網絡故障引起發動機電控系統故障時，可以通過下面步驟作進一步判斷，并進行故障排除：第一，通過測量終端電阻的方法確定是否為車載網絡系統故障。由通用雪佛蘭科魯茲高速GMLAN網絡示意圖可知，網絡兩端的電子控制單元內，有終端電阻。通過發動機故障診斷接口的4和16號腳，可以測量終端電阻的阻值，正常應為60Ω左右；如果測出的阻值大于60歐姆（120歐姆左右），則可以確定為該網絡出現網線開路或者某電子控制單元損壞導致內部開路[1]。第二，通過專用的故障診斷設備讀取網絡上各發動機電子控制模塊數據確定故障范圍。由通用雪佛蘭科魯茲高速GMLAN網絡示意圖可知，如果讀不到某個控制單元的數據，則可以判斷該控制單元之前的控制單元及其網絡線有問題。舉個例子：如果通過專用的故障診斷設備不能讀取Q6控制電磁閥總成（自動變速器控制單元）的數據，則說明該控制單元之前的控制單元（包括車身控制模塊、電子制動控制模塊、動力轉向控制模塊）及其網絡線都可能有問題。通過再進一步讀取身控制模塊、電子制動控制模塊、動力轉向控制模塊的數據，這時，如果身控制模塊、電子制動控制模塊都可以讀到數據，則可以把故障范圍鎖定在動力轉向控制模塊及其網線上[2]。第三，通過萬用表測通斷、示波器讀取波形或更換控制單元的方法確定故障點。通過步驟2，人們可以把故障范圍縮小到某個控制單元及其網絡線，那到底是控制單元故障還是其網絡線故障，還需進一步判斷。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量或通過示波器讀取波形的方法來判斷網絡線是否正常，如果網線正常則是控制單元故障[3]。
五、結束語
總之，裝載有車載網絡的發動機電控系統的診斷是十分復雜的，需要人們在學習工作中不斷地總結經驗，這樣才能夠提高故障診斷效率，達到事半功倍的效果。
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【關鍵詞】異構網絡 上下文感知 垂直切換
doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.12.012 中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010（2016）12-0055-04
引用格式：郭穩濤. 基于異構網絡上下文感知垂直切換判決策略的研究[J]. 移動通信， 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行聯網形成車聯網，能有效減少城市擁堵，無線通信技術的發展使得這一設想變為現實。然而車載移動終端處于運動狀態，不可能長期處于一個獨立的網絡，因此車聯網的發展趨勢一定是多種網絡并存的異構網絡。為了保證車載移動終端在異構網絡環境下服務的連續性，要求移動終端進行網絡接入切換時必須做到無縫切換，所以在研究垂直切換技術時，解決問題的關鍵是切換時的時延，可選擇一種合適的上下文感知垂直切換判決策略應用到切換當中，能夠有效提高垂直切換的性能。
2 基于SCTP協議的垂直切換技術
2.1 SCTP協議
SCTP（Stream Control Transmission Protocol，流控制傳輸協議）是一種點對點、面向傳輸層的協議，它能夠使兩個端點之間的數據傳送更加穩定、有序。SCTP在一定程度上是TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協議）的改進，它保留了TCP較為完善的擁塞控制，同時對TCP的不足之處進行了改進，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聯，關聯指的是兩個端點之間的通信關系，任何時候兩個端點之間只有一個關聯，SCTP用傳輸地址唯一識別。但是SCTP的多宿主性允許每個端點有多個IP地址，通過IP關聯，一個關聯有多個實現路徑。
SCTP關聯示意圖如圖1所示：
2.2 mSCTP協議
SCTP協議與DAR擴展一起被稱為mSCTP（移動SCTP），為了滿足SCTP協議移動性的要求，IETF（The Internet Engineering Task Force，國際互聯網工程任務組）專家對協議進行了動態地址擴展重置，使得SCTP協議滿足點對點的移動性。
在mSCTP協議中，一個點可以同時綁定多個IP，能對IP地址進行動態刪減或增加，當IP地址發生改變時，動態地告知關聯的連接點。關聯路徑可以通過主路徑和備選路徑實現，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協議通信服務，當這個主IP發生故障時，備選IP地址中信號最好的可作為此時的主IP繼續完成數據傳送。
從上述過程來看，在傳輸層垂直切換過程中，信號的強弱仍然是傳統的判決策略選擇依據。但是在異構網絡環境下，來自不同的網絡在物理層采用的技術不一樣，導致信號的強弱也不一樣，以信號的強弱作為垂直切換的依據顯然不能滿足異構網絡的需求，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絡通信的核心技術之一，控制系統能夠根據上下文的環境變化隨時調整自身行為，解放人對控制系統的管理，上下文感知是智能控制的有效實施途徑。
在車聯網環境下，車載移動終端、用戶的需求喜好和不同網絡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。它包含自適應管理和上下文背景資料庫兩個主要部分。自適應管理負責垂直切換的判決，以上下文背景的變化為依據自適應調整切換執行過程；來自不同網絡、不同層級的上下文背景信息則由上下文背景資料庫負責收集和管理，同時上下文背景資料庫對信息進行評估。在此基礎上，終端位置的變化、網絡QoS（Quality of Service，服務質量）都是評估對象，通過評估來判決切換的時間和切換的目標網絡。
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、用戶喜好信息和網絡信息等，這些信息都是判決的依據；然后利用AHP（Analytic Hierarchy Process，層次分析法）和SAW（Simple Additive Weight，簡單加權法）對收集的信息進行分析，在上下文背景信息庫中進行查詢，如果有相同的案例則直接進入切換過程，如果沒有則采用層次分析法對當前的網絡權值進行計算，針對用戶的喜好信息，利用簡單加權法分析后選擇最適宜的網絡進行切入；最后對通信連接進行垂直切換判決，同時對連接信息表進行維護，控制網絡信息和移動節點。
基于上下文感知的執行流程圖如圖3所示：
3.2 層次分析法規范網絡參數權值
層次分析法（AHP）是20世紀70年代由美國運籌學家匹茨堡大學教授薩蒂提出，它的特點是把復雜問題的關聯因素進行層次劃分，一般形成措施層、準則層和目標層等層次，然后對每個層次中的要素進行兩兩比較，形成重要性的定量描述，最后通過數學方法計算每層的重要性權值，把各層的結果求和得到總排序。本設計采用層次分析法（AHP）對網絡進行判決，選擇網絡信號強度、網絡延時和網絡帶寬3種關鍵因素參數作為分析依據，具體如下：
（1）建立層次結構模型。根據網絡屬性特點，將系統分為目標層、指標層和方案層。其中，把可選網絡的權重作為目標層；指標層則包括網絡信號強度、網絡延時和網絡帶寬三個內容；把UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移動通信系統）、WLAN（Wireless Local Area Networks，無線局域網絡）作為方案層。
（2）構造判斷矩陣。把指標層網絡信號強度、網絡延時和網絡帶寬三個網絡參數分別定義為a1、a2、a3，用1至9及其倒數標度的方法構造判斷矩陣，其中網絡參數變量的取值不同反映了車載移動終端對各要素重要性的認識。
（3）計算權值向量做出一致性判斷。根據之前構造的矩陣計算其權值向量，判斷矩陣的完全一致性，如果計算出矩陣不具有完全一致性，則需要重新構造矩陣，直至達到完全一致性，此時計算出來的權值向量就是相應的網絡權重。
（4）得出不同網絡的最終權值。各個可選網絡的權值都可以通過矩陣計算的方法得到，然而不同網絡的收費標準不一樣，服務質量也不盡相同，這些原因都造成了用戶對網絡的選擇有一定的主觀性，所以層次分析法計算出來的權值也不能作為最終的切換依據，必須把用戶的喜好等因素考慮進來，利用簡單加權法對信息進行綜合分析，最終得到每個不同網絡的權值，然后再選擇最優網絡進行切入。
3.3 策略實現過程
本方案設計選擇的異構網絡環境為WLAN和UMTS兩種無線網絡重疊區域，當車載移動終端從WLAN網絡區域駛入UMTS網絡區域時，收集滿足切換條件的各種信息，如網絡信息、用戶喜好等，采用層次分析法和簡單加權法進行分析判決，看所處網絡是否滿足切換條件，一旦滿足切換條件，則車載移動終端自動切換到最優目標網絡。基于上下文感知的垂直切換過程具體如下：
（1）關聯通信
車載移動終端作為移動節點，在WLAN網絡中訪問到接入點信號后分配IP地址，在WLAN網絡中與通信對端建立SCTP關聯，SCTP進行初始化，把分配的IP地址設置成主IP地址并進行通信。
（2）判決切換
車載移動終端在通信的過程中同時收集一些相關信息，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。如果發現有相同的案例，那么車載移動終端直接按照相同的切換過程進行切換；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法進行分析、計算，最終得到綜合權值，車載移動終端再根據權值結果在網絡中選擇最優的網絡進行切入。切入后，再從最新的網絡重新獲得IP，通知SCTP協議棧，與現有的SCTP進行關聯綁定，實現通信。
（3）新增IP關聯
當車載移動終端從WLAN進入UMTS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，將參數的地址配置變化信息向通信對端發送，同時把新的地址信息進行關聯，通信對端接收后向移動終端發送確認信息進行確認。
（4）重新關聯通信
當車載移動終端繼續向UMTS網絡覆蓋的區域移動時，由于先前的WLAN網絡不能再用，需要把IP地址進行變更，從UMTS網絡重新獲得新的IP，將這個IP作為主IP進行通信關聯，IP的更換過程通過移動終端與通信對端的應答實現，當新的IP關聯形成之后，車載移動終端就能夠在新的UMTS網絡環境中進行新的通信。
（5）刪除舊的IP
隨著車載移動終端的繼續移動，UMTS網絡信號可能越來越弱甚至不能再用時，移動終端必須在IP地址列表中把在UMTS網絡獲得的IP地址進行刪除，這一過程可以通過與通信對端的應答得以實現。當移動終端成功地從WLAN網絡中接收到第一個數據包時，切換過程完成。當車載移動終端繼續前進，進入到新的無線網絡覆蓋區域時，重復執行上述相同的切換過程。
4 結束語
本文通過對目前mSCTP協議進行修改，引入上下文感知的垂直切換技術，對車載移動終端、用戶的喜好、通信網絡等因素綜合考慮，采取層次分析法和簡單加權法優化判決策略，將垂直切換中的目標發現、判決決策和切換執行三個關鍵過程有效融合，對垂直切換的時延和吞吐量等問題進行了有效地改善，提高了異構網絡中的垂直切換性能。
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1常見的車載網絡技術
車載網路技術的發展和應用大幅的簡化了汽車線路,降低了線束的用量,同時車載網絡技術也提高了信息傳輸的速度,增強了汽車控制系統的穩定性和可靠性[3]。不同的汽車制造商發展了很多的車載網絡技術,不同類型的車載網絡需要通過網關進行信號的解析交換,使不同的網絡類型能夠相互協調,保證車輛各系統正常運轉[4]。控制器局域網(CAN)是國際上應用最廣泛的網絡總線之一,其數據信息傳輸速度最大可達1Mbit/s,采用雙絞線作為傳輸介質,屬于中速網絡,在現實應用中能向控制器局域網中接入很多的電子器件,大幅降低線束用量,目前控制器局域網主要應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,在汽車整車中多應用于發動機電控單元、ABS電控單元、組合儀表電控單元等[5]。局部連接網絡(LIN)信息傳輸速度較低為20Kbit/s,它屬于低速網絡,在現實應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,目前主要應用于轉向盤、車門、座椅、空調系統、防盜系統等。局部聯結網絡的先進之處在于數字信號代替了之前的模擬信號,滿足了汽車對低速網絡的需求。多媒體定向系統傳輸具有較高的數據傳輸速度,在低成本的條件下棋數據傳輸速度可達24.8Mbit/s,采用塑料光纜作為傳輸介質,屬于高速網絡,主要應用于對數據傳輸速度較高的汽車多媒體系統,例如連接車載導航器、無線設備、車載電話等。由于使用的是塑料光纖,其信號比較可靠,維護也比較簡單。線控技術最初源于航空航天領域,線控技術使用電子器件將控制單元和執行器連接起來,大大減少了機械連接裝置和液壓連接裝置的使用。線控技術屬于高速網絡,在汽車的安全性系統中有重要應用,線控系統能通過傳感器感知車輪的轉向角度,通過ECU判斷并進行數據處理,提高了車輪轉向的安全性。線控制動系統通過導線也能對汽車制動情況進行感知,使汽車制動系統的反應的速度和感知靈敏度得到大幅度提高。D2B總線技術是針對汽車多媒體和通信需求開發的一種車載網絡技術,采用光纖為傳輸介質,傳輸速度快,屬于高速網絡,可連接多媒體設備、語音電控單元等。D2B總線技術使用光纖進行數據傳輸,應用范圍廣,傳輸信號穩定性強,不受電磁、廣播、輻射等干擾。
2車載網絡的應用
車身系統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、電磁等其他信號的干擾,為了避免其他信號的干擾,在工程實踐應用中通常采用降低通信速度來解決,由于車身系統組成復雜,使用了大量的人機接口的模塊,相應的節點數量也比較大,通信速度控制難度不大,但是會提高汽車整車的組裝成本,目前車載網絡技術在車身系統的應用主要是利用直連總線和輔助總線來完成信號的傳遞。控制器局域網(CAN)的數據總線上一般連接有中央控制單元、四個車門的控制單元和車前車后各有一個控制單元等七個控制單元,實現對中控門鎖、電動車窗、照明、空調系統等部件的控制。其網絡形式為星狀形式,單一控制單元的故障不影響整個網絡的使用,其他控制單元仍能夠收發數據,提高了控制系統的穩定性。動力傳動系統作為汽車控制系統的核心,需要對汽車的啟動、運行、停止、拐彎等進行監測和控制,這對數據傳輸速度有較高的要求,需要使用高速網絡。現代汽車的動力CAN數據總線一般連接發動機、ABS/EDL和自動變速器三塊電腦,CAN數據總線能同時傳輸10組數據,在動力傳動系統中要求數據傳遞盡可能的快,所以常使用高性能的發送器,以便于點火系統間數據高速度傳輸。安全系統是指汽車的安全氣囊啟動系統,目前已成為小型汽車的標準配置,安全系統要實現對駕乘人員的有效保護,必須要多外界的碰撞等突況做出快速的反應,由于汽車的安全氣囊設置較多,感知外界碰撞強度的碰撞傳感器也較多,所以對通信速度和傳輸可靠性要求較高。信息系統是近年來在汽車上應用較多的新技術,主要是為了滿足駕乘人員的車載電話、音響、倒車雷達、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的要求。
3車載網絡技術的發展趨勢
3.1汽車線控技術的發展
汽車線控技術的應用有效解決了傳統的機械連接和液壓連接反饋時間長,裝置結構復雜等缺點,使用線控技術可以有效的減少液壓和機械控制裝置,提高控制系統的穩定性和靈敏度,有利于為汽車的重新設計和布局優化提供空間。目前線控技術在汽車控制和汽車制動系統中已經得到了廣泛使用,未來在汽車的遠程控制、防抱死等領域將發揮積極的作用。
3.2汽車光纖技術的發展
汽車光纖技術具有通信容量大、傳輸速度快、抗干擾能力強等特點,能有效滿足動力傳輸系統對數據傳輸高速度的要求,能滿足信息系統傳輸容量大的需要,必將在未來的汽車控制系統中得到應用。同時,光纖傳輸技術允許有較高的數據傳輸速率和較高的信噪比,在汽車發動機實時控制、車輛狀態監測和通斷負載的開關控制等方面有重要的應用。
4結語
摘 要：無線視頻傳輸系統（WLAN）是實現列車與地面通信的重要傳輸手段，本文通過分析WLAN系統的特點，重點研究天津地鐵1號線的實施該系統的可行性。
關鍵詞：地鐵；無線視頻傳輸系統WLAN；AP天線
中圖分類號：TD65 文獻標識碼：A
1 研究背景
2006年6月，天津地鐵1號線正式開通試運營。2008年8月為配合北京奧運會的安全召開地鐵公司在車廂內加裝了相應的電視監視系統，但是根據實際需要，指揮行車的調度員無法在線實時觀看到列車內的圖像信息，在車廂內出現問題時無法第一時間掌握現場情況，這就迫切要求天津地鐵1號線采取無線視頻傳輸技術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 系統功能及軌旁AP布設策略
無線視頻傳輸系統即WLAN系統是實時傳輸系統作為傳輸網絡的延伸，為天津地鐵1號線提供地面與列車之間的通信，無線視頻傳輸系統車地無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的速率在列車和運營控制中心服務器間雙向傳輸視頻影像，同時保證車載AP同軌旁AP切換時做到“0”丟包。
目前基于WLAN在隧道內的覆蓋方式有兩種：一種是AP的信號通過漏纜進行傳輸，還有一種是AP信號通過天線進行無線傳播，本次研究的是采用信號通過天線進行無線傳播的方式。在沿軌道設置無線接入點（AP）、設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絡實現與軌道無線接入點相連，在列車上設置車載無線網橋，以達到在全線范圍內實時無縫的列車與地面間的圖像和數據傳遞，并實現快速切換。
在區間和站臺根據無線信號覆蓋的要求設置分布式數據接入交換單元，實現與車載數據控制單元之間的無線數據通信。各軌旁AP通過光纖收發器，以100M光纖與車站交換機相連接，經車站數據控制器對數據進行處理后，通過通信傳輸系統提供的通道與控制中心連接。
2.2 無線傳輸網絡結構
車地無線雙向數據傳輸網絡是整個寬帶傳輸網重要組成部分，無線雙向數據傳輸網絡采用AP架構組網方案，主要組成包括有無線管理交換機、無線管理工作站、鋪設在軌旁及車輛段的無線基站（AP）和天線、車載無線網橋及天線以及車載交換機等部分，方案符合WLAN 802.11a標準。無線雙向數據傳輸網絡中無線系統硬件包括有AP和無線管理交換機。無線管理交換機和AP之間不需直接互聯，可以透過IP網絡（可由交換機、路由器或其它網絡設備組成）互通。
軌旁AP在直線隧道一般每間隔200米布設一個，在彎道或地面根據實際情況采用每間隔50米、100米布設一個，AP采用定向天線，雙向無線雙向數據傳輸網絡的無線系統采用標準為802.11a。
2.3 車載局域網
車載局域網絡由車載無線單元、車載交換機組成，車載視頻控制器、車載監控設備等接入該網絡。車載無線單元提供移動列車與軌旁AP的實時無縫連接，用以實現車載視頻設備與控制中心和車站的連接。車載交換機采用工業交換機，實現各節車廂互聯，每趟列車車頭車尾分別設置無線網橋，同軌旁AP實現互相冗余的車地無線通信。
在地鐵列車車頭、車尾分別安裝一臺10端口工業以太網交換機，與車輛提供的以太網接口構成列車內小型局域網，為車載信息顯示及車載圖像監控提供傳輸通道。車載局域網采用鏈網結構，在車頭、車尾設置兩套獨立的無線接收裝置，保證在局域網發生斷點故障時順利切換。
3 技術難點分析
3.1 網絡鏈路分析
軌旁AP與車載AP之間無線使用 802.11a用于覆蓋列車運行沿線。12路1M監控流，從列車通過無線信號至分布式數據接入交換單元再經車站上傳至控制中心。同時無線傳輸網絡必須提供滿足系統功能需求，并留有需求帶寬25%以上的冗余量，根據以上帶寬計算分析，總帶寬需求為12Mbps+3Mbps=15Mbps，因此，車地無線雙向數據傳輸網必須提供15Mbps的有效帶寬。
3.2 越區切換要求
由于無線網絡承載的是視頻信號，視頻顯示不能出現明顯斷點、失幀、抖動、馬賽克等，故要求列車即使在高速運行下，也要保持無線鏈路不能中斷。當車載AP從一個軌旁AP的覆蓋范圍移動到下一個軌旁AP的覆蓋范圍時，將發生切換。小區之間的無線切換操作是自動的，并且對于列車操作來說是透明的。
通常802.11a的越區切換時間在500ms到2s之間（包括重新鑒權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）。為達到零切換時間，采用WLAN基于預測的切換技術（簡稱，WHFT）。WHFT算法與標準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彼此重疊足夠的區域，就能夠實現零切換時間。所有與切換有關的處理，在列車運行在相鄰AP重疊區域內都會完成，而重疊區域的大小應該按照列車全速運行來設計，最快切換時延可以小于5ms，可以做到“0”丟包切換。
3.3 無線網絡抗干擾能力分析
由于無線信號在傳播過程中會存在多個通過不同路徑到達接收點的信號分量，使得到達接收點的信號分量在相位和幅度上發生了變化。當所有在接收點的信號分量疊加后，合成信號的幅度就會減小或增加，同時導致嚴重的符號間干擾，其結果是產生多徑衰落，造成通信的不穩定。而地鐵沿線很容易產生多徑信道。IEEE 802.11a要求采用正交頻分復用（OFDM）的技術，將高速數據流分配到數十個相互正交的子載波上，而在每個子載波上是窄帶調制，使得信號傳輸對于多徑效應具有選擇性衰落。其次，在高速移動環境中，由于發送機與接收機之間的相對運動，會導致接收信號的頻率偏移，出現誤碼。根據理論計算，2.4GHz的802.11a應用頻段所引起的頻偏在±250Hz以內，這就要求提供的系統頻率容量達到±1kHz即可正常使用。
結語
通過在地鐵隧道內設置AP天線，在列車內設置相應的交換設備，可以構建成天津地鐵1號線無線視頻傳輸系統，實現系統的可用性。對于需要傳輸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用，確保系統的可靠性。
參考文獻
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1．1組網建設目標針對應急通信領域的應用特點，短波電臺網應滿足多點交互通信功能，對上可以及時匯報災情以及日常運營情況，對下及時指揮下級單位，平級單位可以聯合作業。最終形成一套完整的通信指揮網絡，滿足處置突發事件時可以上傳下達，平時可以進行相關情況通報。下面以省級應急通信為例，介紹省級應急通信領域的網絡構成。
1．2網絡拓撲結構所謂網絡拓撲設計是指依據所給定的信息流特性———通信業務量和終端節點的位置，確定中間節點的位置和網絡節點之間連接的方式。最佳的網絡拓撲設計是網絡經濟性的可靠保證，同時網絡拓撲設計也將影響到網絡的可靠性、鏈路的容量及分配、流量控制及網絡延時等主要指標。針對應急通信領域垂直管理的工作特點，適合采用樹形網絡拓撲結構。在這種拓撲結構中，每個結點與其子結點有連接，并根據實際需要確定是否與同級其他子結點進行有限連接，在指揮調度過程中，通常每個機構聽命于一個上級部門，涉及到同級子節點聯合行動時，一般都由共同的上級單位負責協調，所以同級子節點直接通信的情況并不是很多，但是為了提高整個通信網絡的抗毀能力，可以考慮將幾個重點子節點進行同級有限連接。樹形結構是天然的分級結構，與其他拓撲網絡相比通信線路總長度短，成本較低，節點擴充靈活，尋徑方便，便于管理。省級應急通信領域短波通信網由省級應急通信部門、市級應急通信部門和縣級應急通信部門3層網絡構成。整個短波通信網能夠實現對全省地域的全部覆蓋，必要時還能夠與其他職能部門，以及周邊省份的救援單位跨區聯絡，實現應急救援指揮無線通信逐級或越級的實時指揮調度。縣區臺、市臺和省臺之間在結構層次上形成短波樹形拓撲結構通信網絡。根據業務處理的需要，在同層次上還可組成網形拓撲結構，這樣每個結構節點之間有多條路徑可供選擇，具有較高的可靠性，其網絡拓撲結構示意圖如圖1所示。
2設備選型情況分析
針對短波通信系統網絡的層次構成，在設備選型上，從實際需要出發，以設備功能先進性、穩定性為重，同時權衡設備的性價比，在滿足系統功能需求的基礎上，達到系統功能先進，運行穩定、易于操作、升級維護方便、兼容性好，性價比高。
2．1電臺種類選型短波電臺按用途和使用條件，分為固定式、車載式和便攜式電臺。固定式電臺主要用于戰略通信，通常組成發信集和收信集，其功率為數百瓦至數千瓦，甚至到數十千瓦，一般使用性能較好的大型天線;車載式電臺用于組成指揮所通信樞紐或作移動通信使用，其功率為數十瓦至數千瓦，一般使用鞭形天線和雙極天線;便攜式電臺主要用于保障戰術分隊的通信聯絡，具有體積小和重量輕等特點，一般采用鞭形天線，利用地波進行近距離通信，功率通常為數瓦至數十瓦。針對應急通信領域不同級別的特點和功能，建議采用如下方式配備短波電臺設備:省級應急通信部門建議由125W或者400W固定基地站臺、125W動中通車載臺以及背負電臺組成;在市級應急通信部門配備125W固定基地站臺和背負臺，實現全市范圍的遠距離報、話通信能力;在縣應急通信部門配備背負臺，能夠實現對全縣的覆蓋，必要時可以裝到通信車或者指揮車上進行通信。
2．2天線種類選型固定臺建議采用全向三線基地寬帶天線，可實現1500～2000km半徑內的語音、報文傳輸，對全省的地級市和縣實現無縫隙覆蓋。全向三線基地寬帶天線采用寬帶匹配網絡和加載技術，天線具有工作頻帶寬、電壓駐波比小、輻射效率高、免天調等技術特點。全向三線基地寬帶天線采用三線偶極結構，具有性能穩定、抗風能力強、不易損壞等特點。全向三線基地寬帶天線根據不同的應用場景可以采用平拉方式架設或者倒V方式架設，平拉方式架設適用于固定臺的遠距離通信，倒V方式架設適用于固定臺的中、近距離全向通信。固定臺除了全向三線基地寬帶天線外，也可使用高增益，低仰角對數周期天線(LP)，但天線價格昂貴。通信距離較長，在實踐中100W短波自適應電臺配這種天線，可基本實現北京至昆明，烏魯木齊甚至拉薩全天候通信。如果通信質量要求不是太高，也可使用價格相對便宜的天線如八木天線，長線天線，但長線天線需用天調。距離在600km以內時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，中心站電臺較多不適合布天線陣。車載式和背負式短波電臺根據電臺的不同功能配備不同的電臺天線，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式短波電臺建議選用具有雙天線插口、能夠實現一機多用(可用于基地、車載、背負等多種方式)的數字化背負電臺，便于系統改造升級和節約以后的建設經費。在日常情況下配備雙極或三線天線作為基地電臺使用，與上級單位保持暢通;在緊急情況下可去掉基地天線接頭，移至應急車或者通信車上配合車載天線作為車載電臺趕赴現場并在行進中與上級單位保持暢通;當車載鞭狀天線處于短波近距離通信盲區無法與指揮中心通信時，可利用電臺的雙天線插口臨時架設簡易固定天線實現無盲區通信;當道路中斷，車輛無法繼續前進，取下車載電臺轉作背負電臺徒步到達救災現場，即可在徒步行進中與上級單位保持暢通，也可在到達現場后臨時架設簡易天線作為現場通信中心(作為現場指揮部的現場通信保障手段)與上級單位保持暢通，將前端實時情況傳回指揮中心，指揮中心給予相應的指揮調度，最大限度地保證人民生命財產安全。
3多網系融合設備的配備
為了解決短波通信網與其他通信的融合問題，同時提高整個短波通信網絡的可靠性，必要時可以配備多網系融合設備，通過該設備可以將短波無線通信和有線通信、衛星通信及超短波通信等通信手段進行融合，通過其他制式的承載網絡，實現對短波系統的延伸和擴展，從而可以大幅度提高通信效率。多網系融合系統通信示意圖如圖2所示。圖2多網系融合系統通信示意圖
4網絡遙控設備的配備
圖3遠端架設電臺示意圖由于短波電臺發射時有較強的輻射，嚴重時會對周圍的人員和設備形成傷害，為了避免該情況的發生，必要時可配備網絡遙控設備，如圖3所示。通過該設備可以實現將短波電臺及天線架設在遠離指揮中心的地方，網絡遙控轉換設備與短波電臺相連，同時通過通信傳輸光纜將控制信號和音頻信號傳輸到指揮中心，操作人員可以在指揮中心對短波電臺進行遙控操作，從而可以增加人員的安全性。
5短波通信網人員配備
針對目前應急通信部門工作人員的現狀，需要配備短波通信網系統日常維護和操作人員，短波通信由于需要較高的操作和維護經驗，只有專門從事該領域的工程師，才能夠對系統較了解，鑒于這種情況，需要對整個通信網進行定期的維護和定期演習，使得操作人員對系統更加熟悉，經過長期的經驗積累，才能夠掌握短波通信領域的相關知識。
6結束語
關鍵詞：無線Mesh網絡；列車局域網；旅客列車；信息服務
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
根據我國第31次互聯網絡發展狀況統計報告，截至到2012年年底，我國網民規模達5.64億，其中手機網民數達到4.20億。該報告顯示，Internet應用在我國迅速普及，已經融入到社會的各個層次和方面，特別是寬帶和手機這兩種接入方式發展加快，顯示隨時、隨地、隨意的寬帶Internet應用需求成為新的增長點。
根據鐵道部2012年鐵道統計公報，2012年我國鐵路運輸發送量達到18.93億人次，完成旅客周轉量9812.33億人公里，鐵路旅客運輸規模位于世界第一。其中客運專線建設全面推進，特別是自2007年4月“和諧號”動車組列車開行以來，以其安全、快速、舒適、方便的運輸品質，開創了我國鐵路旅客運輸新局面。
然而，在信息社會的今天，行進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百億小時與Internet隔離的時光。如今，越來越多的旅客隨身攜帶筆記本電腦、平板電腦、智能手機等移動網絡設備，有在列車上隨時上網的需求。因此，旅客列車寬帶Internet應用研究不僅可提升鐵路服務質量、滿足旅客日益強烈的寬帶Internet服務的需要，同時也是一個潛力巨大的市場[1-3]。
2 旅客列車寬帶網絡概述
國內對鐵路無線的前期研究主要集中在采用GSM-R/GPRS等移動蜂窩通信技術為列車提供窄帶連接，應用領域主要為鐵路信號傳輸和列控等。然而該技術的頻率帶寬目前只有4MHZ，該網絡本質上仍然是2G移動通信技術，在移動環境下，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網的需求。針對于這種情況，本文提出了一種基于無線Mesh網絡技術的旅客列車寬帶網絡設計方案。
旅客列車寬帶網絡是基于Wi-Fi的鐵路專用無線Mesh（網狀網技術）網絡技術的一種新型網絡，可提供寬帶高速移動的無線網絡，支持基于IP的話音、視頻和數據傳輸業務。網絡具有自我組織、自動配置、性能自動調節、鏈路自動修復等特性，支持負載均衡和冗余備份，為高速列車上互聯網接入、數據傳輸和語音服務提供穩定可靠的承載平臺。
它提供帶寬高達300M的無線鏈路通道，以無線基站系統所構成的無線鏈路為骨干網與鐵路有線傳輸網相結合。該網絡的的實現不僅可以滿足高速列車上旅客對寬帶Internet服務的需求，而且可以作為鐵路運營維護管理的輔助手段，能夠提供定點視頻監控、移動視頻監控、機車車輛數據實時交互、突發事件的應急指揮、話音通信及編組場應用等功能，可提高運營維護管理效率、減人增效。
旅客列車寬帶網絡的拓撲圖如圖1所示。
3 旅客列車寬帶網絡結構設計
旅客列車寬帶網絡由列車無線局域網、車-地寬帶連接、地面無線Mesh網絡3層結構組成，如圖2所示。
根據數據流的源和目的地址，可以將旅客列車寬帶網絡應用分類兩大類：車內數據流和車-地間數據流。對于車內數據流，直接在列車無線局域網內部高速轉發。對于車-地間數據流，由車-地寬帶連接實現車地數據快速交互。由于我國鐵路現有的交互網、傳輸網、數據通信網三大基礎網絡一般還只到達主要站段，沿線部署的無線基站難以實現直連，它們可以通過地面無線Mesh網絡實現通信數據匯聚。
基于無線Mesh網絡技術的旅客列車寬帶網絡結構如圖3所示。
無線Mesh網絡的最大的特點是網絡中的每個節點都可以發送和接收信號，每個無線網絡節點都可以與一個或者多個對等的無線網絡節點直接進行通信，每個無線網絡節點都可以同時作為AP和路由器。因此，在組建無線Mesh網絡時，列車上只需設置一個接入點（車載Mesh設備）即可，每節車廂中設置的AP與車廂內旅客使用的智能手機、筆記本電腦等移動終端均可視為網絡中的節點，這樣可以很好的保證網絡的連通性和穩定性。
旅客列車寬帶網絡的核心部分是地面無線Mesh網絡以及列車內部的無線局域網的組建。
3.1 地面無線Mesh網絡
鐵路無線Mesh網絡的核心部分是鐵路沿線架設的無線Mesh基站，固定Mesh基站的間距平均為2公里--直線區域Mesh基站間距離略大，而山區和隧道區域所需要的Mesh基站間距在1.5公里左右。固定Mesh基站之間的互聯采用5.8GHz技術，對車輛的接入也采用5.8GHz頻段技術。固定Mesh基站經過多跳無線組網之后，進入到就近的光纖節點處。為了保證車輛高速移動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車載Mesh設備。該網絡支持移動速度高達300公里時速的漫游切換。
鐵路無線Mesh網絡中主要使用兩種Mesh基站。一是，光纖落地節點固定基站采用GCM8622 Mesh基站，即每個光纖落地點均需放置一套GCM8622。該Mesh基站內置了3塊802.11n模塊，可以為系統提供更高的整體性能。按照實際環境的經驗值，每個802.11n扇區在1公里內可提供70Mbps以上的匯聚吞吐量。二是，沿線的無線中繼節點基站采用GCM8632 Mesh基站，即在鐵路沿線光纖無線中繼基站使用GCM8632設備，該設備內置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，保證了無線網絡多跳的高寬帶和低時延，另一個5.8GHz模塊處理移動車載Mesh設備的無線接入，支持第三方太陽能電池供電。地面無線Mesh網絡結構如圖4所示。
3.2 列車無線局域網
在每節車廂設置一個AP接入點，在整列車最中央的那節車廂設置一臺車載Mesh設備、一臺路由器和流媒體服務器，整列車通過車載Mesh設備與鐵路兩邊的基站建立連接，形成一個無線局域網絡。而車廂內部以車載流媒體服務器為中心，以各車廂AP接入點為節點，組成一個車域無線網絡。目前，我國的動車組在出廠時已經部署了內部的AP接入點，只需在中央控制部分增加一套流媒體服務器設備即可滿足列車內部無線局域網的組網需求。
車載Mesh設備采用GCM8300設備，該設備保證列車在高速移動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設備內置1個5.8GHz 802.11n無線模塊，并提供1個千兆以太網接口用于連接車載路由器。
4 旅客列車寬帶網絡關鍵技術及應用場景
4.1 旅客列車寬帶網絡的關鍵技術
⑴車地互聯的實現。旅客列車寬帶網絡采用集中接入的模式，在旅客列車內部組成一個局域網，由車載通信網關集中負責與地面基站的車-地互聯。車載網絡終端均是接入到列車局域網，當需要與地面網絡通信時再由車載通信網關進行數據中繼。
⑵車載通信網絡在不同的Mesh節點間實現無縫的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定的運行軌跡移動，并且鐵路沿線的AP部署也是已知的，即車載通信網關可以預知其即將接入的下一個AP。同時，由于車載通信網關往往是一個獨立的WIFI設備，比一般移動節點可以更方便地集成多個無線模塊。
⑶無線網絡安全機制。旅客列車寬帶網絡的安全機制主要由車地互聯層實現，即車載通信網關只能接入合法的地面Mesh節點，而地面Mesh節點只允許合法的車載通信網關接入。車載通信網關和地面Mesh節點都與用戶無關，可以采用特殊的身份識別機制達到更高效更安全的身份認證。
⑷網絡管理技術。旅客列車寬帶的網絡管理涉及到車地互聯層的車載通信網關、地面接入層的Mesh節點、匯聚層的匯聚網關和交換控制中心。交換控制中心定期采集每個Mesh節點和車載通信網關的狀態數據，根據操作人員指令或動態最小生成樹算法等生成包含網絡管理信息的配置腳本，然后將相關配置腳本傳送給對應節點。各節點定期或根據指令隨機向交換控制中心報告節點狀態，接收并應用交換控制中心下達的配置腳本，從而實現網絡的集中管理和性能優化。
4.2 旅客列車寬帶網絡的應用場景
⑴列車車廂應用。列車寬帶網絡可以實現多種應用：列車內部視頻監控；旅客語音通信；客運業務數據傳輸；旅客互聯網數據訪問。
⑵站場應用。可以實現在途列車與調度之間的通信、地面工作人員之間的通信、車上與地面工作人員的通信。
5 結束語
我國正處于經濟高速發展時期，各種運輸方式發展迅速，要想在激烈的運輸市場中取得有利地位，除了需要升級硬件設施外，也應以旅客為本，為旅客提供人性化的信息服務。可以確信，基于無線Mesh網絡技術的旅客列車寬帶網絡的建設將極大提高鐵路旅客服務質量，改善鐵路形象，為我國鐵路信息化建設做出貢獻。
[參考文獻]
[1]張霞，趙瑜.關于鐵路旅客綜合服務信息系統的研究[J].交通運輸系統工程與信息，2004（2）64-67.
