CN102497655B - 基于列车位置的双网卡协同切换方法 - Google Patents

Abstract

一种基于列车位置的双网卡协同切换方法，其特征是通过两种方法得到列车的当前位置信息，即通过背景扫描得到区域内车载STA扫描到的所有轨旁AP的信息，结合轨旁AP信息数据库进行车载STA的单网卡快速主动漫游切换；同时双网卡通过互斥锁协同工作，确保同一时刻最多只有一块网卡发生漫游切换，至少一块网卡保持可靠的数据传输，使得车载STA为轨道交通上层应用系统提供零切换时间、零丢包的快速漫游切换功能，实现稳定、可靠的车-地数据双向传输。本发明的切换算法切换时间为零，不会出现因切换产生丢包的现象。

Description

基于列车位置的双网卡协同切换方法

技术领域

本发明涉及一种轨道交通技术中的IEEE802.11系列标准的无线切换算法，尤其是一种轨道交通中零切换时间、零丢包的快速主动切换技术，具体地说是一种基于列车位置的双网卡协同切换方法。

背景技术

早期的铁路信号系统主要利用联锁设备来确保列车在固定的轨道上按指定方向安全、有效地运行。当前，随着计算机、通信以及自动控制的技术的迅速发展，城市轨道交通信号系统已发展成为一个先进的自动控制系统——即列车自动控制系统（简称ATC系统），它是列车安全、高效运行的主要保证。ATC系统由早期的固定闭塞体制发展到目前的移动闭塞体制——即基于通信的列车控制（CBTC），数据通信系统（DCS）旨在解决CBTC系统中车-地传输中的关键问题，即在列车高速移动过程中保证列车与轨旁网络连接的稳定可靠，当车载移动点在不同轨旁接入点间切换时，双向数据通信保持通畅，为上层的各类应用提供稳定的宽带接入。性能优异的无线切换算法是车-地稳定可靠通信的保障。

目前为了减少漫游切换时间，主要采用的方法包括单频点覆盖、单信道扫描、缩减/合并认证流程等方法，但WLAN系统都是采用先断开当前连接再重新进行关联的方式，因此，从微观上讲，存在链路中断的瞬间，一般在几十毫秒到几百毫秒，会产生因切换引起的丢包现象。

无线连接切换的主要功能是完成高速移动的子网和无线接入点AP的MAC层切换。移动子网移动过程中会远离/接近当前正在连接的AP，不断变化的距离导致移动子网的STA接收到AP的信号强度的变化，当AP的信号强度减小到一个阀值时，AP不能为STA提供稳定的接入服务导致移动子网与轨旁应用系统的通信中断。为保证持续可靠的连接和通信，移动子网必须快速与能够提供稳定接入服务的AP建立连接。每个STA都可以在物理层接收到其他终端的信息，MAC层根据BSSID等信息丢弃那些对自己无用的数据帧。若STA加入了某BSS，收到管理或数据帧后，首先判断此帧的BSSID，如果不属于当前BSS则直接丢弃此帧，其中就包括了其他AP所广播的信标帧，信标帧主要作用是扫描和时间同步。无线连接切换机制通过背景扫描功能，获得非当前关联BSS信标帧，监控邻居AP状态，根据各AP信号强度变化趋势、列车（STA）当前位置、轨旁AP数据信息等适时触发切换，降低切换时延和提高链路质量。

发明内容

本发明的目的是针对现有的轨道交通信号切换过程中存在链路中断，易发生因切换引起的丢包现象的问题，发明一种零切换时间、零丢包的基于列车位置的双网卡协同切换方法。

本发明的技术方案是：

一种基于列车位置的双网卡协同切换方法，其特征是通过两种方法得到列车的当前位置信息，即通过背景扫描得到区域内车载STA扫描到的所有轨旁AP的信息，结合轨旁AP信息数据库进行车载STA的单网卡快速主动漫游切换；同时双网卡通过互斥锁协同工作，确保同一时刻最多只有一块网卡发生漫游切换，至少一块网卡保持可靠的数据传输，使得车载STA为轨道交通上层应用系统提供零切换时间、零丢包的快速漫游切换功能，实现稳定、可靠的车-地数据双向传输。

本发明的零切换时间、零丢包方法具体来说包括线路轨旁AP数据库的建立、邻居AP发现、切换触发和双网卡协同四个步骤，所述的线路轨旁AP数据库的建立的数据库主要包括AP名称、位置信息、股道信息、天线信息、ESSID、BSSID、工作信道和覆盖区域；数据库的建立时结合DCS系统设计和轨旁AP布置工程实际数据，每一个车载STA都需要存储该线路轨旁AP数据库，轨旁AP数据库更新后，车载STA需要从DCS中心设备下载更新后的数据库，进行重置工作；车载STA当前位置的获取，可以通过以下两种方式之一获得：

1.  应用系统提供，通过接收上层应用系统定时发送的位置、速度、方向报文计算出STA当前位置，这些信息是CBTC车载设备能获得的基本信息，因此，承载CBTC应用数据时采用此方式；

2.  车载STA根据接收到的多个轨旁AP的无线信号质量并结合轨旁AP数据库计算得到当前位置信息，同时结合站台区等特殊位置对计算值进行动态修正。承载非CBTC应用数据时采用此方式，实际应用中，这些车载应用系统可以向STA发送当前驾驶端信息，因此，STA能获得当前列车行驶方向信息；

所述的邻居AP发现是指：通过接收当前关联AP和其他非关联AP的广播信标帧，获得STA区域内所有AP的无线信号质量信息；

切换触发是指：采用基于列车位置和信号质量两种触发机制；

所述的双网卡协同是指：同一个STA的两个无线网卡连接轨旁不同的AP，一个时刻只有一个无线网卡处于切换状态，确保至少有一个无线网卡与轨旁AP保持稳定可靠的连接。

本发明的有益效果：

1、本发明的切换算法切换时间为零，不因切换产生丢包现象。

2、本发明的切换算法既能适用于采用定向天线进行无线覆盖的工程应用，也能适用于采用泄露电缆或裂缝波导进行无线覆盖的工程应用。

3、本发明的切换算法能提供稳定可靠的数据传输链路，切换时机准确，有效降低因无线信号质量随机波动引起的频繁切换、乒乓切换现象。

附图说明

图1是本发明基于的轨道交通线路无线覆盖模型示意图。

图2是本发明基于列车位置的切换算法原理图。

图3是本发明的移动切换效果示意图。

图4是本发明切换队列单元建立与更新流程图。

图5是本发明的双网卡协同切换流程图。

图6是本发明的切换实施流程图。

  图7是本发明的用户空间控制关联管理操作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

    如图1-7所示。

一种基于列车位置的双网卡协同切换算法，该算法通过两种方法得到列车的当前位置信息，即通过背景扫描得到区域内车载STA（Station 无线电台）扫描到的所有轨旁APAP（Access Point 无线接入点）的信息和同时双网卡通过互斥锁协同工作，背景扫描时结合轨旁AP信息数据库进行车载STA的单网卡快速主动漫游切换，而双网卡通过互斥锁协同工作时，确保同一时刻最多只有一块网卡发生漫游切换，至少一块网卡保持可靠的数据传输，使得车载STA为轨道交通上层应用系统（如CBTC,PIS/CCTV）提供零切换时间、零丢包的快速漫游切换功能，实现稳定、可靠的车-地数据双向传输。具体步骤包括：

线路轨旁AP数据库的建立：轨旁AP数据库主要包括AP名称、位置信息、股道信息、天线信息、ESSID、BSSID、工作信道、覆盖区域等基本数据。数据库的建立需要结合DCS系统设计、轨旁AP布置等工程实际数据，每一个车载STA都需要存储该线路轨旁AP数据库，轨旁AP数据库更新后，车载STA需要从DCS中心设备下载更新后的数据库，进行重置工作。

车载STA当前位置的获取，可以通过以下两种方式之一获得：

1.  应用系统提供，通过接收上层应用系统定时发送的位置、速度、方向报文计算出STA当前位置，这些信息是CBTC车载设备能获得的基本信息，因此，承载CBTC应用数据时采用此方式。

2.  车载STA根据接收到的多个轨旁AP的无线信号质量并结合轨旁AP数据库计算得到当前位置信息，同时结合站台区等特殊位置对计算值进行动态修正。承载非CBTC应用数据时采用此方式，实际应用中，这些车载应用系统可以向STA发送当前驾驶端信息，因此，STA能获得当前列车行驶方向信息。

邻居AP发现：通过接收当前关联AP和其他非关联AP的广播信标帧，获得STA区域内所有AP的无线信号质量信息，这些邻居AP将可能成为STA下一次切换的候选AP。

切换触发：主要有基于列车位置和信号质量这两种触发机制。

双网卡协同：同一个STA的两个无线网卡连接轨旁不同的AP，一个时刻只有一个无线网卡处于切换状态，确保至少有一个无线网卡与轨旁AP保持稳定可靠的连接。

    详述如下：

由于轨道走向为线性路径，无线覆盖为狭长的带状区域，采用定向天线，可以扩大覆盖区域，降低轨旁AP数量。针对定向天线进行自由覆盖的工程应用，本发明所基于的轨道交通无线信号覆盖模型如图1所示，定向天线将大部分传输能量集中于单个方向，为了达到信号系统所要求的系统可用性与可靠性指标，无线覆盖须达到全冗余覆盖，使得车载STA在全线任意位置至少能和主瓣方向上的2个轨旁AP进行连接。列车头部STA迎着某个AP行驶，其信号强度会逐渐增强，到越过轨旁AP时，信号强度突然变弱；列车尾部STA背离某个AP行驶，其信号强度会逐渐减弱到突然变强，其变化趋势与头部情况相反。由于列车沿轨道上行线和/或下行线行驶，从图可知，轨道交通中的无线信号的覆盖有非常强的线性性和可预知性。

MAC层切换在逻辑上可分为信道扫描，下一跳AP（NAP）发现和注册连接三个部分。基于列车位置的双网卡协同切换算法的原理如图2所示。其中轨旁AP数据库为STA启动加载项，为切换算法的外部输入信息。我们将轨旁AP无线信号强度变化的线性性和可预知性用数据的形式描述出来；STA的当前位置度量可以从上层应用系统获得或由STA动态计算得到；信道扫描模块主要实现STA对工作信道的扫描，以发现邻居AP。以上这几个模块为实施切换提供基础信息数据。NAP确定模块主要实现NAP的发现，实现该模块主要结合两个方面的数据：一是通过信道扫描模块产生的邻居AP的信息，并比较邻居AP的信号强度及变化趋势；另一方面是通过切换队列单元来确定NAP，切换队列单元通过轨旁AP数据库、STA当前关联AP信息及列车当前位置等信息来建立切换AP队列。切换完成后，当前连接的AP信息通过反馈单元更新切换队列。触发模块主要有两种触发模式，一是结合轨旁AP数据库，直接根据列车位置进行触发，到指定位置，主动触发切换；另一种触发模式是根据当前连接的信号质量产生触发，在信号质量满足切换条件时产生触发，这种触发模式是在STA位置失效时采用。切换触发后，从切换队列中选取下一跳AP，实施切换。

在我们的系统中，STA配置两块无线网卡，分别记为W1、W2，为减小无线干扰，两块网卡设置不同的工作信道（如W1工作于信道1，W2工作于信道11），其工作的网络号可以相同也可以不同。两块网卡协同工作，完成无缝切换。由于列车运行，STA需要不断地在轨道沿线AP间切换，而切换过程中耗时最多的是搜索、确定下一跳的AP节点，两块网卡在layer2.5程序的控制下进行协同工作，在实施基于列车位置的双网卡协同切换后，列车沿线路运行，两个无线链路的工作状态如图3所示。从图中可以看出，同一时刻只有一块网卡处于切换状态，保证至少有一块网卡处于数据传输状态，保证通信链路不中断；同时，切换的时机是在刚要驶离当前AP的前方，全线都能维持较好的无线链路质量，保证了数据传输的高可靠性。在整个漫游切换过程中，STA不会产生丢包或通信中断等现象，保证了上层应用的稳定可靠运行。

图4描述了本发明切换队列的建立与更新流程，其建立与更新是一个动态的周期性的自确定过程。STA将扫描的结果保存于如下的结构体中，通过读取扫描结果，主要获取信号质量、网络名称与BSSID等信息，结合STA的设置、轨旁AP数据库及列车当前位置及行驶方向等信息遴选扫描到的AP。对扫描结果实施筛选与判断，将满足条件的候选AP加入切换队列，同时删除切换队列中的历史AP，使得切换队列新鲜有效。切换队列是下一步进行MAC切换的重要数据单元。

struct ieee80211req_scan_result {

  u_int16_t isr_len;

  u_int16_t isr_freq;

  u_int16_t isr_flags;

  u_int8_t isr_noise;

  u_int8_t isr_rssi;

  u_int8_t isr_intval;

  u_int16_t isr_capinfo;

  u_int8_t isr_erp;

  u_int8_t isr_bssid[IEEE80211_ADDR_LEN];

……

}

图5描述了本发明双网卡协同切换的流程，切换过程由切换触发模块触发，启动切换流程。首先获得无线网卡当前关联的AP BSSID，依据当前关联的AP、列车运行位置、运行方向及AP信号质量等信息，从切换队列中选择下一跳AP，在确定下一跳AP后，等待切换运行信号量，实施切换。

图6、图7描述了本发明切换实施的流程，对req结构体初始化后，实施用户空间的802.11（重新）关联操作，若关联成功，则完成一次成功的轨旁AP切换，若关联不成功，在下一个运算周期将再次触发切换，启动切换关联流程。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种基于列车位置的双网卡协同切换方法，其特征是通过两种方法得到列车的当前位置信息，通过背景扫描得到区域内车载STA扫描到的所有轨旁AP的信息，结合轨旁AP信息数据库进行车载STA的单网卡快速主动漫游切换；同时双网卡通过互斥锁协同工作，确保同一时刻最多只有一块网卡发生漫游切换，至少一块网卡保持可靠的数据传输；所述的双网卡协同切换方法包括线路轨旁AP数据库的建立、邻居AP发现、切换触发和双网卡协同四个步骤，所述的线路轨旁AP数据库主要包括AP名称、位置信息、股道信息、天线信息、ESSID、BSSID、工作信道和覆盖区域；数据库的建立是结合DCS系统设计和轨旁AP布置工程实际数据，每一个车载STA都需要存储该线路轨旁AP数据库，轨旁AP数据库更新后，车载STA需要从DCS中心设备下载更新后的数据库，进行重置工作；车载STA当前位置的获取，通过以下两种方式之一获得：（1）应用系统提供，通过接收上层应用系统定时发送的位置、速度、方向报文计算出STA当前位置；（2）车载STA根据接收到的多个轨旁AP的无线信号质量并结合轨旁AP数据库计算得到当前位置信息，同时结合站台区特殊位置对计算值进行动态修正；承载非CBTC应用数据时车载应用系统向STA发送当前驾驶端信息，因此，STA能获得当前列车行驶方向信息；所述的邻居AP发现是指：通过接收当前关联AP和其他非关联AP的广播信标帧，获得STA区域内所有AP的无线信号质量信息；切换触发是指：采用基于列车位置和信号质量两种触发机制；所述的双网卡协同是指：同一个STA的两个无线网卡连接轨旁不同的AP，一个时刻只有一个无线网卡处于切换状态，确保至少有一个无线网卡与轨旁AP保持稳定可靠的连接。