CN102118813B

CN102118813B - 一种基于ap切换的列车通信系统及通信方法

Info

Publication number: CN102118813B
Application number: CN 201110024155
Authority: CN
Inventors: 黑新宏; 张志刚; 王磊; 高金梨; 马维纲
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2031-01-21
Also published as: CN102118813A

Abstract

本发明公开了一种基于AP切换的列车通信系统及通信方法，包括依次通过无线通信的中心层、轨旁层及车载层，中心层包括分别通过主干网与服务器相连接的主无线控制器及从无线控制器，轨旁层包括在轨道旁线性分布的两个或两个以上AP，车载层通过STA与AP通信。本发明基于AP切换的列车通信系统及通信方法，首先从CBTC系统体系架构上进行了改进，在列车的控制中心层引入了无线控制器，简化了AP的功能配置，使得AP其他的功能配置往上移交，集中在无线控制器中实现；其次是设计了AP和STA的通信信道，无需使STA在探测阶段去寻找合适的信道。

Description

一种基于AP切换的列车通信系统及通信方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于AP切换的列车通信系统，本发明还涉及采用该通信系统进行通信的方法。

背景技术

基于通信的列车运行控制系统（CBTC）通过车-地双向数据通信方式对列车进行控制和监督，增强了列车运行安全的操作与管理，提高了列车的安全性和运输效率，是列车运行控制系统的发展方向。欧洲一些国家已经将无线通信技术应用于CBTC的通信子系统，其中IEEE802.11B技术由于其成熟、成本低廉、高带宽等特点，逐渐成为了无线CBTC通信子系统的首选。但是将无线通信技术应用到CBTC通信子系统的过程中，由于无线易受环境（地形、同频干扰）影响、覆盖范围有限的缺点，无线CBTC通信子系统的稳定性、漫游能力都受到极大的考验。

在目前已有的大多数基于WLAN的CBTC通信系统中，各无线接入点之间是相互独立的，即将无线局域网的物理层功能、用户数据加密、用户认证、QoS、网络管理和漫游技术等功能集于一身。而且AP之间各自独立，互相之间没有直接联系，STA（列车车载无线单元）需要给每个AP进行单独的配置，给网络服务质量和效率造成了很大的麻烦，这就是传统的基于FAT AP架构的CBTC系统。选择FAT AP架构的CBTC系统，是因为该架构技术成熟，且初期资金投入不多，但是随着列车的运行速度的提高、无线网络规模逐渐扩大，基于FAT AP架构的CBTC系统的实际运行和维护过程面临的问题逐渐显现：

（1）面对逐渐增加的AP时，缺乏集中的配置管理手段；

（2）缺乏智能的RF管理，难以进行RF设置；

（3）各AP“冷热”不均，无法实现负载均衡；

（4）缺乏对漫游的很好支持；

（5）难以定制有效的接入和控制策略。

根据IEEE 802.11协议规范，一个STA切换逻辑上可分为三个阶段，即探测阶段（Probe）、认证阶段（Re-authentication）和重新关联阶段（Re-association）。其中探测时间占到总切换时间的90%左右。近年来，国内外学者对AP快速切换策略进行了研究，这些策略主要集中在减少信道扫描时间和AP的负载均衡上，但都是基于FAT AP架构的，即各个AP将所有的功能基于一身、相互独立，随着列车速度的提高和无线网络的规模的扩大，无线网络的扩展能力、漫游能力就成了提高列车行车安全的瓶颈。因为在基于FAT AP架构的CBTC系统中，随着列车的高速移动，沿轨道分布的AP数量较多，各自独立的工作，缺乏集中管理和配置，当STA（列车车载无线单元）移动到AP覆盖边缘时，STA将会与下一个已知的AP关联（AP是沿轨道线性分布的），但在关联前，必须首先探测合适的信道，这个探测过程不仅影响无线网络的扩展能力和漫游能力，增加了高速行驶的列车所经过的盲区距离，还导致CBTC系统面临通信时延、报文重传、甚至丢失等威胁，直接威胁到轨道交通对高速行驶中的列车安全。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于AP切换的列车通信系统，通过在该架构下的控制中心层加入无线控制器以及在轨旁层的无线网络中的通信信道的规划，解决了现有控制系统AP切换的时延较大的问题。

本发明的另一目的是提供一种基于AP切换的列车通信方法。

本发明所采用的技术方案是，一种基于AP切换的列车通信系统，包括依次通过无线通信的中心层、轨旁层及车载层，中心层包括分别通过主干网与服务器相连接的主无线控制器及从无线控制器，轨旁层包括在轨道旁线性分布的至少两个的AP，车载层通过STA与AP通信。

本发明所采用的另一技术方案是，一种基于AP切换的列车通信方法，采用基于AP切换的列车通信系统，该系统的结构为：包括依次通过无线通信的中心层、轨旁层及车载层，中心层包括分别通过主干网与服务器相连接的主无线控制器及从无线控制器，轨旁层包括在轨道旁线性分布的至少两个AP，

所述的基于AP切换的列车通信方法是车载层通过STA与AP通信来实现，具体按照以下步骤实施：

STA不发生AP切换时，车载层通过AP将列车位置、速度和线路参数信息传输给服务器；服务器通过AP将列车的目标位置、速度和线路参数信息发送给列车；

STA发生AP切换时，当列车移动到AP边缘，STA连接到当前的AP信号强度减小，信噪比增大，不能满足STA的需求，STA选择相邻的AP关联，完成列车与控制中心的双向通信，其中STA选择相邻的AP关联，具体按照以下步骤实施：

步骤1：STA选择与相邻的AP预连接：STA向AP发送预连接请求；

步骤2：AP与无线控制器连接；

步骤3：STA认证；

步骤4：STA与AP重关联。

本发明的特点还在于，

其中STA不发生AP切换时，车载层通过AP将列车位置、速度和线路信息传输给服务器，具体按照以下步骤实施：

步骤1：STA将列车位置、速度和线路信息发送给轨旁层中的AP；

步骤2：轨旁层中的AP通过LWAPP隧道将列车信息发送给主无线控制器；

步骤3：主无线控制器通过主干网将列车信息传输到中心层；

步骤4：中心层对车载层发送的信息进行计算。

其中STA不发生AP切换时，服务器通过AP将列车的目标位置、速度和线路信息发送给列车，具体按照以下步骤实施：

步骤1：中心层通过主干网将列车的目标位置、速度和线路信息传输到主无线控制器；

步骤2：主无线控制器与AP建立LWAPP隧道进行信息传输；

步骤3：STA通过AP接受中心层发送的列车信息。

其中STA发生AP切换时，AP与无线控制器连接，具体按照以下步骤实施：

步骤1：AP发起DHCP服务请求以获得IP地址；

步骤2：AP发送接入无线控制器请求，获取可供接入的控制器列表；

步骤3：AP从控制器列表中选择主无线控制器和从无线控制器，并将选择的主无线控制器地址信息发送到从无线控制器中；

步骤4：AP分别同主无线控制器和从无线控制器建立LWAPP隧道；

步骤5：AP在与主无线控制器连接正常时，选择与主无线控制器建立的LWAPP隧道进行通信，在与主无线控制器连接中断时，选择与从无线控制器建立的LWAPP隧道进行通信，转到步骤8开始执行；

步骤6：主无线控制器同AP建立LWAPP隧道，响应AP的通信请求，通过建立的LWAPP隧道与AP进行通信；

步骤7：主无线控制器将默认的配置模板下载到与它通信的AP上；

步骤8：AP与无线控制器完成连接；

步骤9：从无线控制器接受AP发送的主无线控制器的地址信息；

步骤10：从无线控制器与AP处于非通信状态时，从主无线控制器同步AP信息以及用户信息；

步骤11：从无线控制器同AP建立LWAPP隧道，响应AP的请求，通过建立的LWAPP隧道与AP进行通信，转到步骤8开始执行。

其中STA发生AP切换时，STA认证，具体按照以下步骤实施：

如果STA是刚进入无线网络，则STA向第一个AP发送请求，该AP把该STA的信息发送给无线控制器，请求无线控制器对STA进行认证，AP根据无线控制器的认证结果来对STA做出“接受”或“拒绝”的响应；

如果STA已经成功的通过其他AP的验证，仅是从一个AP切换到另一个AP，该STA在向新AP提出认证请求的同时，将自己的信息传送给该AP，AP根据传送消息中是否包含前一个AP的信息来做出对STA的“接受”或“拒绝”。

其中STA发生AP切换时，STA与AP重关联，具体按照以下步骤实施：STA认证成功后，向新AP发送重新关联的请求帧，当STA移动到AP的覆盖范围后，AP向STA发送重新关联的响应帧，STA与AP完成了重新关联，进行数据传输。

本发明的有益效果是，首先从CBTC系统体系架构上进行了改进，在列车的控制中心层引入了无线控制器，简化了AP的功能配置，使得AP其他的功能配置往上移交，集中在无线控制器中实现；其次是设计了AP和STA的通信信道，无需使STA在探测阶段去寻找合适的信道。

附图说明

图1为本发明基于AP切换的列车通信系统的结构示意图；

图2为本发明基于AP切换的列车通信系统中信道的设计图；

图3为本发明基于AP切换的列车通信系统中无线控制器与沿轨道线性分布的AP之间的连接图；

图4为本发明基于AP切换的列车通信方法的STA的认证机制图；

图5为本发明基于AP切换的列车通信方法的切换时延结果图。

图中，1.中心层，2.轨旁层，3.车载层，4.服务器，5.主干网，6.主无线控制器，7.从无线控制器，8.AP。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明基于AP切换的列车通信系统的结构，如图1所示，包括依次通过无线通信的中心层1、轨旁层2及车载层3，中心层1包括通过主干网5与控制中心服务器4相连接的主无线控制器6及从无线控制器7，轨旁层2包括在轨道旁线性分布的多个AP8，车载层3包括采集列车运行的状态信息的设备以及无线通信设备，车载层3通过STA（列车车载无线单元）与多个AP8通信。

一、车载层3中的STA（列车车载无线单元）在不发生AP切换时，正常的通信步骤如下：列车在轨道上正常高速行驶时，车载层3通过沿轨道线性分布的AP8，将列车位置、速度和线路参数等信息实时地传输给列车控制中心的服务器4；服务器4通过AP8周期地将列车的目标位置、速度和线路参数等信息发送给列车，以实现双向连续、大容量的车-地之间数据通信。具体按照以下步骤实施：

步骤1：列车在轨道上高速行驶时，车载层3将实时采集到的列车位置、速度和线路等信息，利用轨旁层2中的无线网络设备AP8传递给中心层1；具体按照以下步骤实施：

（1）车载层3中的STA（列车车载无线单元）将列车位置、速度和线路等信息发送给轨旁层2中的AP8；

（2）轨旁层2中的AP8通过LWAPP隧道将列车信息发送给主无线控制器6；

（3）主无线控制器6通过与中心层1连接的主干网5将列车信息传输到列车控制中心层1；

（4）列车控制中心层1对车载层3发送的信息进行计算；

步骤2：中心层1通过AP8周期地将列车的目标位置、速度和线路参数等信息发送给后行列车，以实现双向连续、大容量的车-地之间数据通信。具体通信按照以下步骤实施：

（1）中心层1通过主干网5将列车的目标位置、速度和线路参数等信息传输到主无线控制器6中；

（2）主无线控制器6与AP8建立LWAPP隧道进行信息传输；

（3）车载层3中的STA（列车车载无线单元）通过AP8接受中心层1发

送的列车信息。

二、车载层3中的STA（列车车载无线单元）切换到相邻AP8，保证继续连续的通信：列车在轨道上高速行驶时，通过轨旁层2中的AP8将列车的位置、速度和线路等信息实时地传输给中心层1；中心层1通过AP8周期地将列车的目标位置、速度和线路参数等信息发送给列车，以实现双向连续、大容量的车-地之间数据通信。当列车移动到AP8边缘，STA（列车车载无线单元）连接到当前的AP8信号强度会减小，信噪比会增大，不能满足STA（列车车载无线单元）的需求，如果STA不能及时切换到下一个AP8上，就会使得通信中断。为了保证车-地之间的双向连续、大容量的数据通信，STA（列车车载无线单元）会选择相邻的AP8与之关联。具体按照以下步骤实施：

步骤1：车载层3中的STA（列车车载无线单元）选择与相邻的AP8预连接：STA（列车车载无线单元）向AP8发送预连接请求。此时STA（列车车载无线单元）无需选择会与哪个AP8（AP8沿轨道线性分布）连接。

步骤2：AP8与无线控制器的连接；

参见图3，此图为无线控制器与沿轨道分布的AP的连接图。

（1）AP8发起DHCP服务请求以获得IP地址；

（2）AP8发送接入无线控制器请求（Request），获取可供接入的控制器列表；

（3）AP8从控制器列表中选择主无线控制器6和从无线控制器7，并将选择的主无线控制器6地址信息发送到从无线控制器7中；

（4）AP8分别同主无线控制器6和从无线控制器7建立LWAPP隧道；

（5）AP8在与主无线控制器6连接正常时，选择与主无线控制器6建立的LWAPP隧道进行通信，在与主无线控制器6连接中断时，选择与从无线控制器7建立的LWAPP隧道进行通信，转到步骤（8）开始执行；

（6）主无线控制器6同AP8建立LWAPP隧道，响应AP8的通信请求，通过建立的LWAPP隧道与AP8进行通信；

（7）主无线控制器6将默认的配置模板下载到与它通信的AP8上；

（8）AP8与无线控制器完成连接；

（9）从无线控制器7接受AP8发送的主无线控制器6的地址信息；

（10）从无线控制器7与AP8处于非通信状态时，从主无线控制器6同步AP8信息以及用户信息；

（11）从无线控制器7同AP8建立LWAPP隧道，响应AP8的请求，通过建立的LWAPP隧道与AP8进行通信，转到步骤（8）开始执行。

此步骤中无线控制器需将默认的配置模板下载到AP8上，此模板参数包括：服务集标识符、安全参数、数据传输速率、无线信道和发射功率等。其中无线信道规划原理为：在民用无线局域网中，AP8的排布是呈蜂窝状的，为了避免相邻小区之间的干扰，相邻AP8之间采用不同的信道，即在多个有相邻AP8的重叠的区域内，同一个信道内不能出现两个或两个以上的AP8。沿轨道分布的AP8排布方式，与民用无线网络中AP8的不同，它是呈线性分布的。IEEE 802.11b标准工作在2.4GHz~2.483GHz频率之间，共有13个无线频点，只有1，6，11频点不相互重叠，如果相邻的两个AP8设置为同一个频点或者相互重叠的频点，那么这两个AP8小区就互相干扰，影响正常的AP8切换。因此如果给相邻的AP8分别设置不相交的频点，则可以减少AP8间的相互干扰。

因此，考虑到CBTC系统中的AP8沿轨道呈线性分布及WLAN的信道设计频点多这些特点，为了减小相邻的AP8之间相互干扰，本发明在无线控制器里，为相邻的AP8静态配置无频率交叉的频道，如1，6，11频道。如图2所示。

步骤3：STA（列车车载无线单元）的认证；

参见图4，此图为STA（列车车载无线单元）的认证机制

STA的认证机制是根据STA是否跟前一个AP8认证过而设计的，具体的认证过程为：

（1）如果STA是刚进入无线网络（WLAN），即STA是第一次提出请求加入或者以前没有跟任何一个AP8进行过认证，则STA向第一个AP8发送请求，该AP8把该STA的信息发送给无线控制器，请求无线控制器对STA进行认证，AP8根据无线控制器的认证结果来对STA做出“接受”或“拒绝”的响应。

（2）如果STA已经成功的通过其他AP8的验证，仅是从一个AP8切换到另一个AP8。该STA在向新AP8提出认证请求的同时，将自己的信息传送给该AP8，AP8根据传送消息中是否包含前一个AP8的信息来做出对STA的“接受”或“拒绝”。

步骤4：STA（列车车载无线单元）与AP8重关联；

STA（列车车载无线单元）认证成功后，就向新AP8发送重新关联的请求帧，当STA（列车车载无线单元）移动到AP8的覆盖范围后，AP8就向STA（列车车载无线单元）发送重新关联的响应帧，这样STA（列车车载无线单元）就与AP8完成了重新关联，STA（列车车载无线单元）就可以在网络间进行数据传输了。

图5为使用本发明方法后，各次AP8切换试验及时延图，本发明使用OPNET仿真工具模拟了10次AP8切换，表1是仿真结果数据，其中Start time（s）是开始时间，End time（s）是本次切换结束时间，Last time（ms）是本次AP8切换延时。从表1中可以得出，优化后的AP8切换时延远远小于优化之前的，取得了良好的效果。图5为各次AP8切换实验及其时延图，可以看出本发明提出的AP8切换方法是有效的、可行的。

Claims

1.一种基于AP切换的列车通信方法，其特征在于，采用基于AP切换的列车通信系统，该系统的结构为：包括依次通过无线通信的中心层（1）、轨旁层（2）及车载层（3），所述的中心层（1）包括分别通过主干网（5）与服务器（4）相连接的主无线控制器（6）及从无线控制器（7），所述的轨旁层（2）包括在轨道旁线性分布的至少两个AP（8），

所述的基于AP切换的列车通信方法是车载层（3）通过STA与AP（8）通信来实现，具体按照以下步骤实施：

STA不发生AP切换时，车载层（3）通过AP（8）将列车位置、速度和线路参数信息传输给服务器（4）；服务器（4）通过AP（8）将列车的目标位置、速度和线路参数信息发送给列车；

STA发生AP切换时，当列车移动到AP（8）边缘，STA连接到当前的AP（8）信号强度减小，信噪比增大，不能满足STA的需求，STA选择相邻的AP（8）关联，完成列车与控制中心的双向通信，其中STA选择相邻的AP（8）关联，具体按照以下步骤实施：

步骤1：STA选择与相邻的AP（8）预连接：STA向AP（8）发送预连接请求；

步骤2：AP（8）与无线控制器连接；

步骤3：STA认证；

步骤4：STA与AP（8）重关联。

2.根据权利要求1所述的基于AP切换的列车通信方法，其特征在于，所述STA不发生AP切换时，车载层（3）通过AP（8）将列车位置、速度和线路信息传输给服务器（4），具体按照以下步骤实施：

步骤1：STA将列车位置、速度和线路信息发送给轨旁层（2）中的AP（8）；

步骤2：轨旁层（2）中的AP（8）通过LWAPP隧道将列车信息发送给主无线控制器（6）；

步骤3：主无线控制器（6）通过主干网（5）将列车信息传输到中心层（1）；

步骤4：中心层（1）对车载层（3）发送的信息进行计算。

3.根据权利要求1所述的基于AP切换的列车通信方法，其特征在于，所述STA不发生AP切换时，服务器（4）通过AP（8）将列车的目标位置、速度和线路信息发送给列车，具体按照以下步骤实施：

步骤1：中心层（1）通过主干网（5）将列车的目标位置、速度和线路信息传输到主无线控制器（6）；

步骤2：主无线控制器（6）与AP（8）建立LWAPP隧道进行信息传输；

步骤3：STA通过AP（8）接受中心层（1）发送的列车信息。

4.根据权利要求1所述的基于AP切换的列车通信方法，其特征在于，所述STA发生AP切换时，AP与无线控制器连接，具体按照以下步骤实施：

步骤1：AP（8）发起DHCP服务请求以获得IP地址；

步骤2：AP（8）发送接入无线控制器请求，获取可供接入的控制器列表；

步骤3：AP（8）从控制器列表中选择主无线控制器（6）和从无线控制器（7），并将选择的主无线控制器（6）地址信息发送到从无线控制器（7）中；

步骤4：AP（8）分别同主无线控制器（6）和从无线控制器（7）建立LWAPP隧道；

步骤5：AP（8）在与主无线控制器（6）连接正常时，选择与主无线控制器（6）建立的LWAPP隧道进行通信，在与主无线控制器（6）连接中断时，选择与从无线控制器（7）建立的LWAPP隧道进行通信，转到步骤8开始执行；

步骤6：主无线控制器（6）同AP（8）建立LWAPP隧道，响应AP（8）的通信请求，通过建立的LWAPP隧道与AP（8）进行通信；

步骤7：主无线控制器（6）将默认的配置模板下载到与它通信的AP（8）上；

步骤8：AP（8）与无线控制器完成连接；

步骤9：从无线控制器（7）接受AP（8）发送的主无线控制器（6）的地址信息；

步骤10：从无线控制器（7）与AP（8）处于非通信状态时，从主无线控制器（6）同步AP（8）信息以及用户信息；

步骤11：从无线控制器（7）同AP（8）建立LWAPP隧道，响应AP（8）的请求，通过建立的LWAPP隧道与AP（8）进行通信，转到步骤8开始执行。

5.根据权利要求4所述的基于AP切换的列车通信方法，其特征在于，所述的AP（8），相邻静态配置为无频率交叉的频道，优选1，6，11频道。

6.根据权利要求1所述的基于AP切换的列车通信方法，其特征在于，所述STA发生AP切换时，STA认证，具体按照以下步骤实施：

如果STA是刚进入无线网络，则STA向第一个AP（8）发送请求，该AP（8）把该STA的信息发送给无线控制器，请求无线控制器对STA进行认证，AP（8）根据无线控制器的认证结果来对STA做出“接受”或“拒绝”的响应；

如果STA已经成功的通过其他AP（8）的验证，仅是从一个AP（8）切换到另一个AP（8），该STA在向新AP（8）提出认证请求的同时，将自己的信息传送给该新AP（8），该新AP（8）根据传送消息中是否包含前一个AP（8）的信息来做出对STA的“接受”或“拒绝”。

7.根据权利要求1所述的基于AP切换的列车通信方法，其特征在于，所述STA发生AP切换时，STA与AP（8）重关联，具体按照以下步骤实施：STA认证成功后，向新AP（8）发送重新关联的请求帧，当STA移动到该新AP（8）的覆盖范围后，该新AP（8）向STA发送重新关联的响应帧，STA与该新AP（8）完成了重新关联，进行数据传输。