CN106131902A - 一种适用于高速客运专线的宽带移动智能通信网络的实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于高速客运专线的宽带移动智能通信网络的实现方法，将无线接入基站设备MIPv6‑AP(Mobile IPv6‑Access Point)，沿高速客运专线布置。负责与安装在列车上的无线收发路由设备之间的双向通信，同时MIPv6‑AP通过光纤等有线设备与Internet或其他专有网络建立连接。将移动无线路由设备MIPv6‑MR(Mobile IPv6‑Mobile Router)安装于客运列车车头和车尾位置，负责车内用户数据的中继转发以及列车发生切换时的数据处理工作。此高速列车上的无线路由设备之间可以建立隧道连接，进行协同路由。同时分别设计了车内移动路由器和沿线基站设备的切换机制和路由机制，保障列车网络的QoS(Quality of Service)服务。

Description

一种适用于高速客运专线的宽带移动智能通信网络的实现 方法
技术领域
本发明涉及高速移动环境下的无线通信领域，尤其是适用于高速客运专线的宽带移动智能通信网络的实现方法。
背景技术
铁路运输在我国各种现代化运输方式中占有头等重要地位，铁路运输的高速化、智能化发展已经成为当前铁路发展的必然趋势。我国铁路经过几次提速后，主要干线客运列车时速已经达到160km/h，高速客运专线设计时速为200-350km/h。铁路高速化对无线移动通信系统提出了更高的要求，尤其在数据传输的实时性、可靠性和带宽方面我国现有的铁路通信系统已无法满足高速客运专线的通信需求。为了保证高速客运列车的行车安全，提高运输效率，并实现有效的人机控制，迫切需要为高速客运专线建立一个功能完善的、技术构建新型的宽带移动智能通信网。
高速客运专线移动宽带智能通信网应综合先进的网络技术，能将列车通信网(TCN,Train Communication Network)、车载无线局域网和地面网通过移动宽带无线接入技术相联，为高速列车的安全高效运行提供可靠优质的多媒体通信服务，主要包括列车信息传输和旅客Internet接入服务。
与现有铁路通信网相比较，高速客运专线对通信网提出了新的要求：
1)高速客运专线的综合调度系统需要数字网络技术的支撑；
2)车地之间需要通过通信网传输的信息从运营调度指挥信息扩大到动车组状态信息数据与旅客访问Internet信息，通信网中的数据业务显著增加，且这些数据对通信网的带宽、可靠性和实时性提出了更高的要求；
3)由于列车高速行驶，频繁跨越小区，无线移动通信系统必须具有快速越区切换的功能；
4)通信网能够适应不同的地形环境(平原、丘陵、山区、桥梁、隧道和城市)；
5)充分利用频谱资源，具有较强的通用性，适应各种铁路运输的需要，在保证行车安全的基础上能为旅客提供更好的宽带Internet接入服务。
目前国内外铁路的专用移动通信网主要有：列车无线调度通信系统、GSM-R(Global System for Mobile Communications-Railway)和TETRA(Trans EuropeanTrunked Radio)系统。列车无线调度通信系统存在技术基础落后，功能扩展十分困难，同频干扰严重影响通信质量和可靠性，单信道体制投资效益低、功能简单等问题。GSM-R通过分组交换传输数据，可实现9.05kb/s-171.2kb/s的理论可变速率，但这个速率无法满足高速客运专线的数据传输带宽需求。而且GPRS的引入使得分组型的业务与电路型的话音业务相互影响，会对GSM-R网络的容量造成冲击。TETRA在通信方式、业务范围、接通速度和数据业务等方面都优于GSM-R系统，但由于目前TETRA系统尚未制定适用于铁路的诸如列车自动控制数据信息双向传输等用途的技术规范，目前主要应用于地铁、轻轨及公安等部门的无线调度和监控。其分组数据业务最高传输速率为384kbit/s，难以满足高速客运专线为旅客提供高质量Internet服务。
此外，国外有一些构想和倡议被提出，这些构想为提供高速列车旅客一个宽带Internet接入和移动电子商务M-Commerce提供了一个基础框架。
其中倡议之一就是FIFTH(对于快速列车的快速Internet)。在该构想中，乘客能够使用802.11b/g无线网卡同车载网关通信，车载网关通过卫星与Internet世界相连。
德国铁路公司DB最近提出了一个项目Railnet，为乘客提供宽带Internet接入。为了实现这个目的，UTMS(Universal Mobile Telecommunications System)和Wi-Fi技术被用到。
另外有一家电信公司也正在英国铁路测试一个WiFi/WiMax铁路网络解决方案。该方案中用户通过车厢内的Wi-Fi设备和车厢外顶部的未认证的WiMax设备与铁路沿线的基站相连。
分析表明，我国现有的铁路的专用移动通信系统在数据传输的实时性、可靠性和带宽方面已无法满足高速客运专线的通信需求。迫切需要为高速客运专线建立一个功能完善的宽带移动智能通信网。近年来涌现的无线网络技术，如802.11、802.16e和802.20等技术为铁路移动通信系统的建设提供了新思路，但由于高速列车的高速移动性、车地与车内网络多样性、列车运行环境复杂性等特点，为我们带来了新的挑战。
发明内容
为了解决高速客运专线上专用移动通信系统质量不佳的技术问题，本发明提供一种用于高速客运专线的宽带移动智能通信网络的实现方法。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，一种适用于高速客运专线的宽带移动智能通信网络的实现方法，包括以下步骤：
沿高速客运专线布置用于与安装在列车上的移动无线收发路由设备MIPv6-MR之间进行双向通信的无线接入基站设备MIPv6-AP；
在列车上每隔一段距离分别布置用于车内用户数据的中继转发的移动无线收发路由设备MIPv6-MR，且同一列车内的MIPv6-MR之间建立隧道连接进行协同路由；
当列车在移动并将要在两个不同的MIPv6-AP覆盖区域即新旧子网之间进行越区切换时，列车上将要首先越区的MIPv6-MR通过使用一条绑定更新消息建立作为原接入路由器PAR的MIPv6-AP和其他未越区的MIPv6-MR之间的本地隧道，并请求PAR把发送给它的数据包经过该本地隧道转发给列车上其它仍然位于旧子网的MR；
完成切换后首先越区的MR协助列车上其它MR执行到新子网的无缝切换：即把获得的作为新子网路由器的MIPv6-AP的公告消息转发给其它MIPv6-MR，使其它MIPv6-MR提前获得网络层信息进行三层切换。
所述的方法，运行列车上的MIPv6-MR与铁路沿线的MIPv6-AP建立双向通信后，MIPv6-AP从MIPv6-MR处获取列车线路和时间信息，建立路由表，从而可以在即将发生切换之前，进行预切换处理。
所述的方法，MIPv6-AP根据沿客运专线所布置的接入路由器AR的顺序以及列车行驶方向，当第一个MIPv6-MR进行跨区切换时，在对应的前后接入路由器AR之间建立固定隧道，用来转发因切换延迟较大造成的数据丢失。
所述的方法，在进行跨区切换时，利用上下文转移机制对基于线路信息的切换方案中的信令进行修改。
所述的方法，所述的预切换处理，是指MIPv6-AP在切换之前将QoS信息传递给线路前方的目的接入路由器，对接入路由器扩展移动代理功能，提前在为MIPv6-MR建立资源预留信息，MIPv6-MR到达后直接利用预留好的资源进行通信。
所述的方法，所述的接入路由器为MIPv6-AP或AR。
所述的方法，首个跨区的MIPv6-MR的切换过程如下：
(1)移动节点MN，即首个跨区的MIPv6-MR发送链路前缀请求消息给当前接入路由器PAR，通知其收到的链路层相关信息；
(2)PAR组建回应消息，包含一个NAR即新接入路由器的地址前缀，即MN切换的目标网络的地址前缀；
(3)MN配置好新链路转交地址即NLCoA，并产生绑定更新消息给PAR，通知PAR进行新旧地址对即NLCoA和PLCoA的绑定；
(4)PAR接收到快速绑定更新FBU，将MN的NLCoA和MN的QoS信息建立切换发起信息传递给NAR，NAR收到切换发起消息之后通过优化的Duplicate Address Detection即DAD算法检测NLCoA的可用性并通过QoS信息配置QoS，并发回切换确认即Hack消息给PAR确认；
(5)PAR接收到HAck后向PAR原来的PLCoA和NAR的NLCoA发送FBAck即快速绑定确认消息；
(6)MN接入到NAR，发送快速信息通告FNA，接收NAR缓存的报文，并完成新的本地链路转交地址NLCoA的绑定更新，如果QoS上下文配置成功，MN上的实时业务就将享受有保证的服务。
所述的方法，在进行切换之前，移动节点MN持续检测链路信号，如果下一个目标路由器的链路信号强度大于切换触发信号强度的阈值，则进行提前切换流程。
所述的方法，步骤(1)中链路层相关信息包括新接入路由器NAR的链路层地址、帧子类型、是否加密、持续时间和服务集标识。
本发明的技术效果在于，在传统移动切换过程中，移动切换的延迟由链路层切换延迟、移动检测延迟、重复地址检测延迟和移动注册延迟叠加构成，而在基于线路信息的切换方案中，移动节点在发现新的可用链路之后，通过在接入顺序路由表中查找对应的接入路由信息，进行快速移动切换，通过它的隧道机制。它将切换延迟减少为链路层切换延迟和快速邻居公告延迟，而将移动检测延迟和重复地址检测延迟在链路切换延迟之前通过快速切换方案消除。而隧道机制通过建立缓存使移动注册过程中的数据在切换完成之后仍不丢失。
MIPv6-MR实现了切换过程中从不同的子网重叠接收数据包，使得即使在不减少切换延迟的情况下也可以减少数据包丢失。所提出的机制简单灵活，降低了切换连接中断率和切换期间的数据包丢失。
同时采用基于线路信息和上下文机制的模型可以显著减少移动节点切换时实时业务流得到有保证服务的延迟，使得实时业务流尽快获得有保证的服务，降低延迟抖动和丢包的可能性，从而保证了移动节点上实时业务流的服务质量。
附图说明
图1为本发明实例应用于高速客运专线的一个系统实施例；
图2为列车路由设备部署图；
图3为列车MIPv6-MR设备发生切换时的数据分组流；
图4为基于线路信息的切换信令交换过程；
图5为上下文切换的信令交换图。
具体实施方式
参见图1、图2，本发明的MIPv6-AP沿高速客运专线布置。负责与安装在列车上的无线收发路由设备之间的双向通信，同时MIPv6-AP通过光纤等有线设备与Internet或其他专有网络建立连接。
移动无线路由设备MIPv6-MR，可安装于客运列车车头和车尾位置，负责车内用户数据的中继转发等工作。同时此高速列车上的无线路由设备之间可以建立隧道连接，进行协同路由。
通过上述两种无线收发设备，可建立高速客运专线的无线通信系统，但由于列车高速移动性，需要设计专门的切换机制以保证通信质量，包括：
针对列车设备MIPv6-MR，当一个MR执行到新子网的切换时，通过使用一条绑定更新消息建立原接入路由器(PAR，Previous Access Router)和MR之间的本地隧道，请求PAR把发送给它的数据包经过隧道转发给其它仍然位于旧子网的MR；然后其它的MR再把数据包转发给这个切换中的MR。在完成它到新子网的切换后，这个MR协助其它MR执行到新子网的无缝切换，把获得的新子网路由器公告消息转发给其它MR，使之提前获得网络层信息进行三层切换。
针对沿线设备MIPv6-AP，综合考虑高速客运环境下的线路和时间的确定性，建立路由表，提供快速切换信息，从而可以在即将发生切换之前，进行预切换处理。从而减少切换延迟，降低数据丢失率和信号抖动。根据接入路由器的顺序特点，还可以在前后接入路由器之间建立固定隧道，用来转发因切换延迟较大造成的数据丢失。
针对高速列车对实时性业务的要求，将基于上下文转移机制应用于基于线路信息的切换方案中，利用上下文机制对基于线路信息的切换方案中的信令进行修改，在切换之前将QoS(Quality of Service)信息传递给线路前方的目的接入路由器，对接入路由器扩展移动代理功能，提前在为移动主机建立资源预留信息，移动主机到达后可以直接利用预留好的资源进行通信。
考虑到分层移动IPv6的优点，与高速客运系统自身的特点将移动IPv6分层结构引入到高速客运专线宽带移动网络中，充分利用铁路专用网架设的基站资源实现移动IP网络，提出在移动IPv6网络中快速可靠的切换方案，通过路径信息来体现列车的顺序移动特性，并借助于移动锚节点实现优化路由。
网络拓扑结构如图1所示。列车上部署有两个MIPv6-MR路由设备1和2，1通过无线链路与沿途接入点MIPv6-AP1、2或3相连。将铁路沿线的各个AP按区域划分，并分别与不同的移动锚节点相连，每一个移动锚节点负责本区域的内各个AP间的信息交互。移动锚节点通过互联网与家乡代理及对端节点相连，在这种拓扑结构上，为列车运行提供可靠的移动接入服务。
当1离开一个接入路由器(AR，Access Router)的子网进入另一个AR的子网时，在这种情况下，把前一个AR作为MR的原接入路由器(PAR，Previous Access Router)，而后者作为新接入路由器(NAR，New Access Router)。同样，原转交地址(PCoA，Previous CoA)和新转交地址(NCoA，New CoA)分别对应MIPv6-MR在PAR和NAR上的CoA。
MMRH切换机制的主要思路是使切换过程中不同的MIPv6-MR接入不同的子网并相互协作接收去往各个MIPv6-MR的数据包，实现切换过程中从不同的子网重叠接收数据包，使得数据包丢失独立于切换延迟。为此，在列车上配置两个或者多个隔开一段距离的MIPv6-MR，当一个MIPv6-MR执行到新子网的切换时，通过使用一条绑定更新消息建立PAR和其他MIPv6-MR之间的本地隧道，请求PAR把发送给它的数据包经过隧道转发给其它仍然位于旧子网的MIPv6-MR；然后其它的MIPv6-MR再把数据包转发给这个切换中的MIPv6-MR。在完成它到新子网的切换后，这个MIPv6-MR协助其它MIPv6-MR执行到新子网的无缝切换，把获得的新子网路由器公告消息转发给其它MIPv6-MR，使之提前获得网络层信息进行三层切换，从而减少切换延迟。
在本发明的一个实施例图2所示中，这里只考虑两个MIPv6-MR：6和7，6位于交通工具移动网络的前部而7在其尾部。切换期间，6先于7离开PAR的子网，使得移动网络只能通过7连接到Internet直到6完成它的切换过程。此后在7仍然位于PAR的覆盖范围而同时6位于NAR的覆盖范围的一段时间内，移动网络通过6和7从两个不同的子网获得Internet连接性直到7离开PAR。本方案可以很容易地应用到多于两个MIPv6-MR的情况而不需要任何的修改。在这种情况下，每个MIPv6-MR应该知道它的合作MIPv6-MR，这个配对MIPv6-MR可以被用于在移动网络切换过程中接收数据分组。
切换的数据分组流路如图3所示。8的切换操作包括链路切换、AR_BU(AccessRoute_Binding Update)、CoA(Care-of Adress)配置和HA(Home Agent)注册，而9的切换只包括链路切换和AR_BU。尽管8比9使用更多的时间来执行切换，但是由于与PAR执行了AR_BU使得数据包丢失很少。
在本方案的另一个实例图4中，当MN从AP4向AP7移动，发现了新的可用链路。从路由接入顺序表中，选择即将接入路由，并发送新链路前缀请求消息(RtSolPr，RouterSolicitation for Proxy Advertisement)给当前MAP1(Mobile Access Point)，请求新的子网信息。在接收到MAP1的回应消息(PrRtAdv，Proxy Router Advertisement)后，MN将配置新链路的LCoA，此时，MN仍然在当前链路上，通过这个过程，就消除了新子网发现延迟。
在配置好新的LCoA后，MN在当前链路上发送快速绑定更新(FBU，Fast BindingUpdate)消息，在MAP1和AP7之间建立隧道，隧道建立好后，MAP1将发往MN的当前LCoA地址的数据报通过隧道转发到MN的新LCoA地址(在AP7上缓存)。MAP1通过切换初始化(HI，Handover Initialization)和切换应答(HAck，Handover Acknowledgement)消息检测MN的可用性。
如果MN在当前链路收到MAP1的快速绑定确认(FBAck，Fast BindingAcknowledgement)消息，在MN接入新链路后，直接发送FNA消息通知AP7，AP7将缓存数据发送给MN，如果MN发送FBU后链路发生切换，即在当前链路没有收到AP4的FBAck消息，则MN在接入新链路后，将FBU消息封装在FNA消息中发送给AP7，AP7收到消息后，将转发FBU给MAP1，重建新的隧道，并通知MAP1转发发送给MN的消息。
图5中MN从PAR进入NAR切换过程的工作机制如下：
(1)MN检测到新链路信号强度大于切换触发信号强度的阈值SSth，查询顺序接入路由表。判断是否进行提前切换。
(2)MN发送RtSolPr消息给当前接入路由器PAR，通知其收到的链路层相关信息，包括NAR的链路层地址等。
(3)PAR组建PrRtAdv信息，包含一个NAR的地址前缀，即移动主机切换的目标网络的地址前缀。
(4)MN配置好新的转交地址(NLCoA)，并产生绑定更新消息给PAR，通知PAR进行新旧地址对(PLCoA，NLCoA)的绑定。
(5)PAR接收到FBU，将MN的NLCoA和MN的QoS信息建立HI传递给NAR，NAR收到HI消息之后通过优化的DAD算法检测新的转交地址(NLCoA)的可用性并通过QoS信息配置QoS，并发回HAck消息给PAR确认。
(6)PAR接收到HAck后向PAR原来的PLCoA和NAR的NLCoA发送FBAck。
MN接入到NAR，发送FNA，接收NAR缓存的报文，并完成新的本地转交地址(LCoA)的绑定更新。如果QoS上下文配置成功，MN上的实时业务就将享受有保证的服务。

Claims (9)

1.一种适用于高速客运专线的宽带移动智能通信网络的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
沿高速客运专线布置用于与安装在列车上的移动无线收发路由设备MIPv6-MR之间进行双向通信的无线接入基站设备MIPv6-AP；
在列车上每隔一段距离分别布置用于车内用户数据的中继转发的移动无线收发路由设备MIPv6-MR，且同一列车内的MIPv6-MR之间建立隧道连接进行协同路由；
当列车在移动并将要在两个不同的MIPv6-AP覆盖区域即新旧子网之间进行越区切换时，列车上将要首先越区的MIPv6-MR通过使用一条绑定更新消息建立作为原接入路由器PAR的MIPv6-AP和其他未越区的MIPv6-MR之间的本地隧道，并请求PAR把发送给它的数据包经过该本地隧道转发给列车上其它仍然位于旧子网的MR；
完成切换后首先越区的MR协助列车上其它MR执行到新子网的无缝切换：即把获得的作为新子网路由器的MIPv6-AP的公告消息转发给其它MIPv6-MR，使其它MIPv6-MR提前获得网络层信息进行三层切换。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，运行列车上的MIPv6-MR与铁路沿线的MIPv6-AP建立双向通信后，MIPv6-AP从MIPv6-MR处获取列车线路和时间信息，建立路由表，从而可以在即将发生切换之前，进行预切换处理。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，MIPv6-AP根据沿客运专线所布置的接入路由器AR的顺序以及列车行驶方向，当第一个MIPv6-MR进行跨区切换时，在对应的前后接入路由器AR之间建立固定隧道，用来转发因切换延迟较大造成的数据丢失。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在进行跨区切换时，利用上下文转移机制对基于线路信息的切换方案中的信令进行修改。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的预切换处理，是指MIPv6-AP在切换之前将QoS信息传递给线路前方的目的接入路由器，对接入路由器扩展移动代理功能，提前在为MIPv6-MR建立资源预留信息，MIPv6-MR到达后直接利用预留好的资源进行通信。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的接入路由器为MIPv6-AP或AR。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，首个跨区的MIPv6-MR的切换过程如下：
(1)移动节点MN，即首个跨区的MIPv6-MR发送链路前缀请求消息给当前接入路由器PAR，通知其收到的链路层相关信息；
(2)PAR组建回应消息，包含一个NAR即新接入路由器的地址前缀，即MN切换的目标网络的地址前缀；
(3)MN配置好新链路转交地址即NLCoA，并产生绑定更新消息给PAR，通知PAR进行新旧地址对即NLCoA和PLCoA的绑定；
(4)PAR接收到快速绑定更新FBU，将MN的NLCoA和MN的QoS信息建立切换发起信息传递给NAR，NAR收到切换发起消息之后通过优化的Duplicate Address Detection即DAD算法检测NLCoA的可用性并通过QoS信息配置QoS，并发回切换确认即Hack消息给PAR确认；
(5)PAR接收到HAck后向PAR原来的PLCoA和NAR的NLCoA发送FBAck即快速绑定确认消息；
(6)MN接入到NAR，发送快速信息通告FNA，接收NAR缓存的报文，并完成新的本地链路转交地址NLCoA的绑定更新，如果QoS上下文配置成功，MN上的实时业务就将享受有保证的服务。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在进行切换之前，移动节点MN持续检测链路信号，如果下一个目标路由器的链路信号强度大于切换触发信号强度的阈值，则进行提前切换流程。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(1)中链路层相关信息包括新接入路由器NAR的链路层地址、帧子类型、是否加密、持续时间和服务集标识。
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