基于位置的CBTC系统无线局域网切换机制

第３３卷第１０期２　０　１　１年１０月铁 道 学 报

ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＴＨＥ　ＣＨＩＮＡ　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＯＣＩＥＴＹＶｏｌ．３３　Ｎｏ．１０

Ｏｃｔｏｂｅｒ　２

０１１收稿日期：２０１０－０４－１４；修回日期：２０１０－０６－

０３基金项目：国家自然科学基金项目（６１１３２００３

）作者简介：蒋海林（１９７４—）

，男，江西萍乡人，副教授，博士。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｈｊｉａｎｇ＠ｂｊ

ｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ文章编号：１００１－８３６０（２０１１）１０－００５１－

０６基于位置的ＣＢＴＣ系统无线局域网切换机制

蒋海林１，步　兵２，郜春海１，唐　涛２

（１．北京交通大学城市轨道交通自动化与控制北京市重点实验室，北京　１０００４４；

２．北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京　１０００４４

）摘　要：目前的城市轨道交通ＣＢＴＣ车地通信系统大多采用无线局域网技术。针对同时存在无线自由波和漏泄波导车地通信技术的ＣＢＴＣ无线局域网车地通信系统，提出一种基于位置的无线局域网切换机制。在无线自由波覆盖区段，移动台在确定的位置直接发起重关联请求，而不需要进行探询扫描新ＡＰ的过程。而在漏泄波导覆盖区段，通过改变移动台扫描的信道数和最大信道扫描驻留时间，同样明显减小了切换时延。该方法不仅适用于无线自由波的覆盖区域，也可以应用于漏泄波导覆盖的区域，能够减少ＣＢＴＣ车地通信系统中的切换时延。关键词：ＣＢＴＣ；无线局域网；硬切换；接力切换；基于位置的切换

中图分类号：Ｕ２８５．５ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ

．ｉｓｓｎ．１００１－８３６０．２０１１．１０．０１０Ｌｏｃａｔｉｏｎ－ｂａｓｅｄ　Ｈａｎｄｏｖｅｒ　Ｓｃｈｅｍｅ　ｆｏｒ　

ＷｉｒｅｌｅｓｓＬＡＮ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｉｎ　ＣＢＴＣ　Ｓｙ

ｓｔｅｍＪＩＡＮＧ　Ｈａｉ－ｌｉｎ１，ＢＵ　Ｂｉｎｇ２，ＧＡＯ　Ｃｈｕｎ－

ｈａｉ　１，ＴＡＮＧ　Ｔａｏ２

（１．Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｕｒｂａｎ　Ｍａｓｓ　Ｔｒａｎｓｉｔ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　

１０００４４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｒａｉｌ　Ｔｒａｆｆｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　Ｓａｆｅｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　

１０００４４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ＬＡＮ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ａｒｅ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｉｎ　ｍｏｓｔ　ｔｒａｉｎ－ｗａｙｓｉｄｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｉｎ　ＣＢＴＣ．Ａ　ｌｏ－ｃａｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｈａｎｄｏｖｅｒ　ｓｃｈｅｍｅ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ＣＢＴＣ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｈｅｒｅ　ｂｏｔｈ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｆｒｅｅ　ｓｐ

ａｃｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｅｘｉｓｔ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｗｈｅｒｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｆｒｅｅ　ｓｐａｃｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｉｓ　ｕｓｅｄ，ｔｈｅ　ｍｏｂｉｌｅ　ｔｒａｉｎ　ｃａｎ　ｉｎｉｔｉａｔｅ　ｔｈｅ　ｒｅ－

ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ　ｒｅｑｕｅｓｔ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔａｇｅ　ｏｆｐｒｏｂｉｎｇ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｔｈｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｃｈａｎｎｅｌｓ，ｔｈｅ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｃｏｎｔｅｎｔｉｏｎｗｉｎｄｏｗ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｐｒｏｂｅ　ｈｏｌｄｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｉｎ　ａ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｄｊｕｓｔｅｄ　ｔｏ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ｈａｎｄｏｖｅｒ　ｌａｔｅｎｃｙ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｓｃｈｅｍｅ　ｃａｎ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｈａｎｄｏｖｅｒ　ｌａｔｅｎｃｙ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｆｏｒ　ｗｉｒｅｌｅｓｓＬＡＮ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ＣＢＴＣ　ｓｙ

ｓｔｅｍ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＣＢＴＣ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ＬＡＮ；ｈａｒｄ　ｈａｎｄｏｖｅｒ；ｂａｔｏｎ　ｈａｎｄｏｖｅｒ；ｌｏｃａｔｉｏｎ－ｂａｓｅｄ　ｈａｎｄｏｖｅｒ 基于通信的列车控制系统ＣＢＴＣ（Ｃｏｍｍｕｎｉｃａ－

ｔｉｏｎ　Ｂａｓｅｄ　Ｔｒａｉｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ）是利用连续、大容量的车地双向数字通信实现列车控制信息、列车状态信息传输的列车控制系统。车地通信是ＣＢＴＣ系统的关键技术之一，目前铁路主要采用ＧＳＭ－Ｒ来完成车地通信，而城市轨道交通ＣＢＴＣ系统的车地通信通常采用

２．４ＧＨｚ

的无线传输技术，而且其中相当一部分采用了无线局域网技术。

无线局域网ＩＥＥＥ　８０２．１１系列标准在制定之初主要是用于解决办公室局域网和校园网中的用户的无线接入，没有定义用户的切换问题。但将无线局域网技术应用于ＣＢＴＣ系统中，列车需要在不同的接入点ＡＰ（Ａｃｃｅｓｓ　Ｐｏｉｎｔ）间进行频繁的切换，切换问题成了影响ＣＢＴＣ车地通信性能的关键因素之一。实验室和现场的测试结果表明，切换时延是影响基于无线局域网的ＣＢＴＣ车地通信系统最为关键的因素，切换造成的丢包总数要远远大于正常无线传输导致的

铁 道 学 报第３３卷

丢包数［

１］

。目前对无线局域网的切换机制进行的研究已相当多，文献［２］提出了一种邻小区缓存机制减少切换的信道扫描机制；文献［３］详细分析了ＩＥＥＥ　８０２．１１的切换过程，并对切换的时延进行了实验测量；文献［４］中，作者将切换的过程分成３个阶段，分别是探测阶段、搜寻阶段和执行阶段，并提出了减少切换时延的一些方法；文献［５］分析了ＣＢＴＣ中列车运行控制对越区切换中断时间的要求；文献［６］对隧道环境中使用定向天线时的ＣＢＴＣ系统的切换性能进行了研究，并针对存在的问题提出了改进的办法。但目前的这些研究成果都没有将ＩＥＥＥ　８０２．１１标准与ＣＢＴＣ系统的实际环境紧密结合进行研究，并且没有针对ＣＢＴＣ系统中存在的漏泄波导等特殊媒体与无线自由波传输方式共存的系统进行切换机制的研究。

本文研究ＩＥＥＥ　

８０２．１１ｇ技术用作ＣＢＴＣ的车地通信时的切换机制。首先分析ＩＥＥＥ　８０２．１１ｇ协议中的切换过程，指出将ＩＥＥＥ　８０２．１１ｇ协议标准用于ＣＢＴＣ的应用环境存在的一些问题，进而从ＣＢＴＣ的

实际需求出发，

提出基于列车位置和无线探测机制的无线局域网切换方法，并对其性能进行了仿真研究和计算。结果表明，该方法的切换时延小于现有的切换机制。

１　现有无线局域网的切换机制及ＣＢＴＣ车地

　通信系统

１．１　ＣＢＴＣ车地通信系统

在城市轨道交通车地通信中，

由于线路固定，轨旁设备只与轨道上的列车进行无线数据的通信，因此轨旁ＡＰ的覆盖范围只要覆盖钢轨列车所在的区域即可。目前的ＣＢＴＣ车地通信系统存在无线自由波、漏泄波导和漏泄电缆３种传输方式，全线的覆盖可以采用其中一种传输方式或者多种传输方式，如在隧道区域采用无线自由波传输方式，而在高架区域采用漏泄波导传输方式等。

在无线自由波传输方式中，轨旁ＡＰ的天线通常

采用定向天线，这样可以在某个方向上发送或得到较强的能量，从而扩大ＡＰ的覆盖范围。无线自由波采用定向天线的覆盖方式，如图１所示

。

图１　无线自由波覆盖示意图

漏泄波导的安装连接方式如图２所示。漏泄波

导通常安装在钢轨的两旁或在隧道的顶端，当地面ＡＰ发射出的电磁波沿漏泄波导传输时，

在漏泄波导内传输的电磁波从漏泄波导槽孔辐射到周围空间，在其外部产生漏泄电场，

列车通过车载平板天线（天线与波导管上表面距离为３０～５０ｃｍ）获取信息能量，从而实现与地面的通信。同样，列车通过天线发出的电磁波，在漏泄波导外部产生漏泄电场，也会耦合到漏泄波导中，

实现与控制中心通信。从图中可以看出，在两个ＡＰ覆盖区域交接的地方，

车地通信会发生中断，并且在这个区域移动台会发生两个ＡＰ间的切换，这个切换通信中断距离通常小于１ｍ。

漏泄电缆的连接和安装方式和漏泄波导相似，这里不再赘述

。

图２　漏泄波导覆盖区域的线路连接示意图

１．２　现有无线局域网的切换机制

由于ＩＥＥＥ　８０２．１１系列标准对于移动台如何在ＡＰ之间进行切换没有作具体的规定，

因此相关产品的切换算法都是厂家自行设计实现并且不对外公开。

但ＩＥＥＥ　

８０２．１１—２００７［７］

标准规定了同步、鉴权、关联以及重关联的过程，从中可以整理出无线局域网切换的大概流程，切换过程由以下３个过程组成：

（１

）扫描过程扫描过程根据扫描模式的不同又分为被动扫描和主动扫描两种。在实际的无线局域网网络中，切换通常采用主动扫描过程，如图３所示。在主动扫描模式下，移动台为了探测某信道上是否有ＡＰ存在，主动发送探询请求帧，当ＡＰ接收到探询请求帧后，回应探询响应帧给该移动台。移动台根据探询响应帧的参数完成与ＡＰ的同步。通常在扫描过程中，移动台需要依次对每个信道进行检测，国内２．４ＧＨｚ的无线局域网ＩＥＥＥ　

８０２．１１ｇ标准中总共规定了１１个信道，因此这个过程需要比较长的时间。

（２

）鉴权过程在鉴权阶段，移动台与扫描过程发现的最佳的ＡＰ进行鉴权。一些设备商在其产品中采用了基于接

入点互操作协议ＩＡＰＰ（Ｉｎｔｅｒ－Ａｃｃｅｓｓ　Ｐｏｉｎｔ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）的预鉴权方法：当移动台与扩展业务集ＥＳＳ（ＥｘｔｅｎｄｅｄＳｅｒｖｉｃｅ　

Ｓｅｔ）的第一个ＡＰ建立关联时就开始进行鉴权，ＩＡＰＰ通过分布式系统将鉴权信息发送给ＥＳＳ的所有ＡＰ。因此，

当需要进行重关联时，由于移动台与２

５

第１０期基于位置的ＣＢＴＣ

系统无线局域网切换机制

图３　主动扫描切换过程

ＥＳＳ所有的ＡＰ都已经完成了鉴权，

不再需要鉴权过程。

（３

）重关联过程重关联过程指将关联从一个ＡＰ传到另一个ＡＰ的过程。重关联过程简单地说由移动台向新ＡＰ发出重关联请求信号和新ＡＰ向移动台发送重关联响应信号两部分组成。重关联是移动台与新的ＡＰ建立连接的信令接续过程，是切换的最后一个阶段。它的时延基本没有改进的余地。

而如前所述，通过预鉴权机制，鉴权过程对切换的时延不会造成影响，本文中不再考虑鉴权过程的时延，无线局域网的切换时延为探询时延ＴＰｒｏｂｅ和重关联时

延ＴＲｅａｓｓ之和，并且主要由探询时延ＴＰｒｏｂｅ决定

［１，３］

。以上描述的切换算法需要先中断与当前关联ＡＰ的通信才能与新的ＡＰ建立关联，

是一种硬切换算法。而有的厂家的产品切换机制采用了类似于ＴＤ－

ＳＣＤＭＡ系统的接力切换机制，即与旧的ＡＰ中断通信链路之前，先与新的ＡＰ建立同步。其实现的办法是让移动台周期性地发送探询请求报文，收到此报文的ＡＰ都回应一个探询响应信号，移动台根据接收到的探询响应信号的信号强度维持一个相邻ＡＰ列表，当本小区ＡＰ的信号强度下降到一定程度时，移动台就可以从这个邻ＡＰ列表中选择一个信号质量最好的ＡＰ作为新连接的ＡＰ，从而快速完成切换。这可以消除或减少切换过程中的探询时延，

因此减少切换时延。１．３　现有切换算法用于ＣＢＴＣ车地通信系统存在的 问题

考虑Ｃ

ＢＴＣ的车地通信系统，无线自由波的无线局域网切换如果采用硬切换机制，

可能因为信道特性的快速变化导致移动台发生误切换或乒乓切换。硬切换存在的另外一个问题是切换过程必须从探询扫描过程开始，因此切换时延比较大。而接力切换机制中移动台通过周期性地发送探询请求帧获得相邻ＡＰ的信道状态信息及同步信息，可以消除或减少切换过程中的探询时延。而在漏泄波导覆盖区域的无线局域网切换如果采用接力切换方式则会导致一些问题。当移动台周期性发送探询请求帧时，由于车载天线只能与当前漏泄波导相连的ＡＰ进行数据通信，因此相邻ＡＰ

接收不到探询请求信息，也就不会发送探询响应帧，导致移动台接收探询响应的定时器超时，

从而导致切换中断的时间变长，甚至可能超过硬切换时的切换时延。同时，移动台在这种情况下一直周期发送探询请求帧，

也造成系统中的负荷增大。

从以上的描述可以看出，将硬切换和接力切换算法应用于ＣＢＴＣ系统的车地通信系统的切换，都存在一些不足之处。

２　基于位置的ＣＢＴＣ系统的无线局域网切换

　方法

城市轨道交通车地通信系统的Ａ

Ｐ点通常以比较小的距离进行布置，如无线自由波以２００～３００ｍ的间距沿轨道布置，ＡＰ的覆盖区域仅仅在此范围，并且由于轨旁ＡＰ的覆盖范围也仅仅是覆盖钢轨所在的区

域，城市轨道交通车地通信系统的ＡＰ间切换顺序是固定的。如果ＡＰ工作状态正常，移动台每次进行切换的目的ＡＰ都是不变的，因此其切换算法可以大大简化并进行优化，从而避免乒乓切换以及误切换等事件的发生。

ＣＢＴＣ系统是利用列车自主定位，基于车地双向、大容量无线通信的列车控制系统，在ＣＢＴＣ系统中，列车采用高精度的定位技术实现列车的自主实时精确定位。在ＣＢＴＣ模式下，依靠测速仪及多普勒雷达精确测速以及轨旁应答器的绝对位置信息，列车可以实时定位，并借助无线通信系统实时将列车的具体位置通知地面。按照ＣＢＴＣ系统的要求，

列车定位的精度在５～１０ｍ内［８］，

而实际系统的列车定位精度还要更高。因此，为了减少衰落信道的随机性可能造成的切换错误和乒乓切换，

本文设计采用一种基于列车位置的城市轨道交通车地通信系统的切换机制。

假设整个地铁轻轨的线路存在两种不同的覆盖区

３

５

铁 道 学 报第３３卷

段，一种是无线自由波覆盖的区段，另外一种是漏泄波导覆盖的区段，

两个不同的区段分别覆盖不同的区域（两个区段的交界处可能有部分重叠覆盖的区域）。本文设计一种新的基于列车位置的切换算法，同时应用于两种不同的覆盖区段。基于位置的切换算法有两重含义：①列车移动台位于无线自由波区段和漏泄波导区段，采用不同的切换机制，触发切换机制改变的条件是列车的位置；②当列车移动台位于无线自由波区段时，触发移动台切换的条件是移动台已经移动到了切换点位置，

而不是移动台接收的信号强度发生了变化，切换流程如图４所示

。

图４　基于位置的ＣＢＴＣ车地通信切换过程

首先，列车需要根据获得的位置信息判断列车是位于漏泄波导通信区段还是无线自由波通信区段，列车位于不同的区段时采用不同的切换策略。由于城市轨道交通的区域覆盖在建设好以后就不会再修改，因此根据列车的位置信息就能判断列车是处于无线自由波覆盖区域还是漏泄波导覆盖区域。

（１）在无线自由波覆盖区域的不同ＡＰ间进行切换的切换算法

当列车确定自己的位置在无线自由波区域时，仍然和接力切换算法一样周期性地发送探询请求帧，接收到探询请求帧的所有ＡＰ都回应探询响应

帧，

列车上的移动台根据接收到的探询响应帧的信号质量判断下一个目标ＡＰ的工作状态是否正常，并且提前与下一个ＡＰ完成频率和时间上的同步。为

了能在切换前完成与目标ＡＰ的同步，移动台应在离切换前尽可能近的时刻接收到目标ＡＰ发送的探询

响应信号以进行同步，这就要求移动台以较小的周

期发送探询请求帧。ＣＢＴＣ系统中业务量比较小，列车控制信息和列车位置信息通常以２００～５００ｍｓ的周期发送，一个ＣＢＴＣ业务的吞吐量通常不超过

１Ｍｂｉｔ／ｓ，并且通常一个ＡＰ下接入用户不超过两个，因此移动台频繁进行探询请求信息发送不影响ＣＢＴＣ车地通信系统的性能。与相邻ＡＰ完成同步后，移动台不以接收到ＡＰ响应信号的信号质量等状态信息作为触发切换的条件，而是列车的位置已经运行到了切换点才触发切换。这样基于位置的切换可以进一步消除因为信道快速变化引起的误切换和乒乓切换等现象发生。

由于提前获得了下一个ＡＰ的信息并完成了和下一个ＡＰ的频率和时间上的同步，移动台在切换开始的时候就不需要再发送探询请求信号，切换的过程减少了探询过程，

也可以避免因为快衰落引起的乒乓切换、误切换等事件的发生。

在这种情况下切换时延就是重关联时延。由于无线局域网的ＣＳＭＡ／ＣＡ机制，每次数据发送之前要进行随机退避。因此，假设不发生碰撞，重关联请求从发送到ＡＰ接收的时延ＴＲｅａｓｓ＿Ｒｅｑ为

ＴＲｅａｓｓ＿Ｒｅｑ＝

δ＋ａＤＩＦＳＴｉｍｅ＋ａＣＣＡＴｉｍｅ＋ＴＲｘＴｘ＋Ｔｐｒｅａｍｂｌｅ＋

ＴＰＬＣＰ＋（Ｔｂａｃｋｏｆｆ×

ａＳｌｏｔＴｉｍｅ）（１）

式中：δ为传输时延。由于重关联请求和重关联响应的帧长为１５０字节左右，以ＩＥＥＥ　８０２．１１ｇ的最小传输速率６Ｍｂｉｔ／ｓ计算，其传输时延为０．２ｍｓ

。根据ＩＥＥＥ　８０２．１１ｇ标准，Ｔｂａｃｋｏｆｆ为每次数据发送前随机回

退的时隙数，根据标准为在（０，ａＣＷｍｉｎ）区间均匀分布的随机变量，ａＳｌｏｔＴｉｍｅ是时隙长度，在ＩＥＥＥ　８０２．１１ｇ中其值为２

０μｓ；ａＤＩＦＳＴｉｍｅ为数据发送帧间隔，其值为５０μｓ；ａＣＣＡＴｉｍｅ为每次发送前侦听信道需要的时间，其值为１５μｓ；ＴＲｘＴｘ为接收到发射的转换时延，其值为５μｓ；Ｔｐｒｅａｍｂｌｅ为前导码时延，

其值为２０μｓ；ＴＰＬＣＰ为ＰＬＣＰ帧头时延，其值为４μｓ。而ａＣＷｍｉｎ为初次竞争窗的大小，即移动台在数据发送前为避免碰撞随机退避的窗口大小，在ＩＥＥＥ　

８０２．１１ｇ中其值为３１。（２

）漏泄波导覆盖区域的切换算法当列车确定自己的位置在漏泄波导覆盖区域时，列车上的移动台并不周期性发送探询请求帧，只有在当前ＡＰ的接收信号强度低于某一预先设定的门限时才发送探询请求帧，并比较接收到的不同ＡＰ

的探询响应帧的信号质量，选择下一个ＡＰ来进行切换。这里不采用基于位置的切换触发算法是因为漏泄波导传输时，不同ＡＰ之间覆盖的区域通常仅仅只有几十厘米的中断区域，列车的位置信息难以如此

４

５

第１０期基于位置的ＣＢＴＣ系统无线局域网切换机制

精确地获得。而移动台通过检测接收ＡＰ的信号强

度低于切换门限，能更准确地确认移动台需要进行切换。

同时，由于ＣＢＴＣ车地通信系统轨旁ＡＰ的配置

都是固定的，可以设置移动台仅仅搜索一个固定的信道，以减少在漏泄波导覆盖区段的探询时延。并且漏泄波导覆盖区段移动台同时只能和一个ＡＰ进行通

信，

因此可以把移动台发送探询请求信号的定时器设置得更小，从而减小移动台的探询时延。

探询时延ＴＰｒｏｂｅ必须满足

Ｎ×ＴＭｉｎＣｈａｎｎｅｌＴｉｍｅ≤ＴＰｒｏｂｅ≤Ｎ×ＴＭａｘＣｈａｎｎｅｌＴｉｍｅ（

２）式中：Ｎ为需要移动台扫描的信道数；ＴＭｉｎＣｈａｎｎｅｌＴｉｍｅ是在某信道上发送探询请求信号后没有探测到信道忙，移动台在该信道上的驻留时间；ＴＭａｘＣｈａｎｎｅｌＴｉｍｅ是在某信道上发送探询请求信号后探测到信道忙，

移动台在该信道上的驻留时间；ＴＭｉｎＣｈａｎｎｅｌＴｉｍｅ和ＴＭａｘＣｈａｎｎｅｌＴｉｍｅ在ＩＥＥＥ８０２．１１标准中没有进行规定，

因此需要自行设定，在文献［４］中ＴＭａｘＣｈａｎｎｅｌＴｉｍｅ设定为１０ｍｓ，ＴＭｉｎＣｈａｎｎｅｌＴｉｍｅ设定为１ｍｓ

。ＴＭｉｎＣｈａｎｎｅｌＴｉｍｅ应当设定为发送探询请求信号到接收到第一个探询信号所需要的最小时间，通常探询请求帧和探询响应帧的长度为５０～１５０字节左右，因此此时间长度与式（１）相当，其值小于１ｍｓ，在ＩＥＥＥ８０２．１１ｇ标准中又规定ＴＭｉｎＣｈａｎｎｅｌＴｉｍｅ最小单位为１ｍ

ｓ，因此可以假设ＴＭｉｎＣｈａｎｎｅｌＴｉｍｅ为１ｍｓ。而ＴＭａｘＣｈａｎｎｅｌＴｉｍｅ的设定应该保证在此时间内能接收到此信道上所有ＡＰ

的探询响应信息。但是对于探询过程来说，ＴＭａｘＣｈａｎｎｅｌＴｉｍｅ太长将会增加切换时延，

因此设定适当的ＴＭａｘＣｈａｎｎｅｌＴｉｍｅ非常重要。

在漏泄波导覆盖区段，一个移动台只能接收到１个ＡＰ的信号，因此ＴＭａｘＣｈａｎｎｅｌＴｉｍｅ满足式（

１）条件即可，同样设为１ｍｓ

。３　仿真和数值计算结果

３．１　无线自由波的接收信号强度

以图１中的ＡＰ１、ＡＰ２和移动台为例进行无线自由波的接收信号强度的仿真。仿真参数参见表１。

表１　仿真参数

ＡＰ间距ＡＰ的发射功率

ＡＰ天线增益移动台天线增益

３００ｍ

３０ｍＷ　

１３．５ｄＢｉ　９．５ｄＢｉＡＰ端插入损耗移动台端插入损耗

ＡＰ天线高度

移动台天线高度

９ｄＢ　

７ｄＢ　

４ｍ

４ｍ

续表１　仿真参数

阴影衰落参数

分布标准差相关距离对数正态分布

８ｄＢ　２５ｍ

快衰落参数

信道模型

移动速度Ｋ因子第２径相对时延

第２径相对衰落

两径Ｒｉｃｉａｎ信道８０ｋｍ／ｈ　１５ｄＢ　

８０ｎｓ　

６ｄＢ

所采用的路径损耗模型参考文献［

９］为ＰＬｏｓｓ＝７．６＋４０ｌｏｇｄ－２０ｌｏｇ（ｈｔ×ｈｒ）

（３）

式中：ｄ为移动台与ＡＰ的距离；ｈｔ和ｈｒ

分别为发射

和接收天线的高度。

图５　移动台在ＡＰ１小区内接收到ＡＰ１和ＡＰ２的信号强度

图５为无线自由波覆盖区域的ＡＰ１覆盖小区的

移动台的接收信号强度的情况，纵坐标为移动台的接收信号强度，横坐标为移动台与ＡＰ１的距离。从图中可以看出，移动台在ＡＰ１覆盖的小区范围内进行移动时，由于信道衰落的随机性的影响，在某些时刻接收自ＡＰ２的信号强度会超过ＡＰ１的接收信号强度。假设来自ＡＰ２的接收信号强度超过来自ＡＰ１的接收信号强度就切换到ＡＰ２，则可能会导致乒乓切换的发生。通过仿真得知，ＭＳ接收到ＡＰ２的信号功率超过ＡＰ１的信号功率的概率为２％，在此情况下ＭＳ可能发生

乒乓切换或误切换。而采用基于位置的切换算法，这种误切换的现象就不会发生。３．２　切换时延比较

假设信令帧的传输过程没有发生碰撞，初始竞争窗ａＣＷｍｉｎ的大小为３

１，可以得到在无线自由波覆盖区域几种切换算法的切换时延，如图６所示。从图中可以看出，在无线自由波覆盖区域硬切换算法由于需要扫描信道发现新的ＡＰ的过程，切换时延随着需要扫描信道的数量增加而增大。而接力切换算法和基于位置的切换算法不需要在切换开始的时候扫描信道，因此切换时延小，

并且切换时延不随需扫描的信道数增加而增加。在漏泄波导覆盖区域，无论是硬切换算法、接力切换算法还是基于位置的切换算法，都需要扫描探询的

５

５

铁 道 学 报第３３

卷

图６　无线自由波覆盖区域切换时延比较

过程发现新的ＡＰ并完成切换。但是，硬切换算法和基于位置的切换算法通过接收检测ＡＰ信号的质量来判断是否发送探询请求信号进行切换，而接力切换算法中移动台周期性地发送探询请求信号来判断是否进行切换。接力切换算法中，

切换时延受探询请求发送信号周期的影响很大，很可能出现这样一种情况：信号质量已经很差了，但由于发送探询请求信号的时刻还没有到来，因此车地通信中断了也迟迟无法启动切换。因此，在漏泄波导区段，硬切换和基于位置的切换机制要优于接力切换。

为了进一步减少漏泄波导覆盖区段接力切换时延，根据ＣＢＴＣ系统ＡＰ布置的特点，可以设定列车移动台只扫描一个信道。并且，由于一个ＡＰ下接入的

用户数通常不超过２个，发生碰撞的概率很小，可以减小初始竞争窗ａＣＷｍｉｎ的大小。同时由于只可能接收到一个ＡＰ的探询响应信号，ＴＭａｘＣｈａｎｎｅｌＴｉｍｅ按式（５）的最小值进行设置，

进一步减小探询延时。切换时延与扫描的信道数及ＩＥＥＥ　８０２．１１ｇ的ＴＭａｘＣｈａｎｎｅｌＴｉｍｅ的关系如图７所示。从图中可以看出，如果ＴＭａｘＣｈａｎｎｅｌＴｉｍｅ设置成一个探询请求－探询响应信令过程的延时，切换时延大大减少

。

图７　ＩＥＥＥ　８０２．１１ｇ参数对漏泄波导覆盖区域切换时延的影响

４　结束语

本文提出一种基于位置的无线局域网切换机制。

应用基于位置的无线局域网切换机制，在无线自由波覆盖区段，

移动台可以在确定的位置直接发起重关联请求，而不需要进行探询请求新ＡＰ的过程。而在漏

泄波导覆盖区段，

通过改变设置移动台扫描的信道数、初始竞争窗大小以及最大信道扫描驻留时间，也可以大大减小切换时延。该方法不仅适用于无线自由波的覆盖区域，也可以应用于漏泄波导和漏泄电缆覆盖的

区域，对于城市轨道交通系统车地通信系统的性能提高有所帮助。

参考文献：

［１］张磊，蒋海林．北京地铁５２－

５３区段ＣＢＴＣ自由波实验报告［Ｒ］．北京：北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室，２０１０：３６．

［２］Ｌｉ　Ｃｈｕｎｇ－ｓｈｅｎｇ，Ｔｓｅｎｇ　Ｙｕｎｇ－ｃｈｉｈ，Ｃｈａｏ　Ｈａｎ－

ｃｈｉｅｈ．ＡＮｅｉｇｈｂｏｒ　Ｃａｃｈｉｎｇ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｆｏｒ　Ｈａｎｄｏｆｆ　ｉｎ　ＩＥＥＥ　８０２．１１Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｃ］／／２００７Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎＭｕｌｔｉｍｅｄｉａ　ａｎｄ　Ｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＭＵＥ′０７），２００７．［３］Ｍａｒｉａ　Ｓｔｅｌｌａ　Ｌａｃｏｂｕｃｃｉ，ｅｔ　ａｌ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｅ－

ｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ＬＡＮ　Ｈａｎｄｏｖｅｒ［Ｃ］／／ＩＷＳＳＣ　２００５Ｗｏｒｋｓｈｏｐ

．［４］Ｈéｃｔｏｒ　Ｖｅｌａｙｏｓ，Ｇｕｎｎａｒ　Ｋａｒｌｓｓｏｎ．Ｔｅｃｈｎｉｑ

ｕｅｓ　ｔｏ　ＲｅｄｕｃｅＩＥＥＥ　８０２．１１ｂＭＡＣ　Ｌａｙｅｒ　Ｈａｎｄｏｖｅｒ　Ｔｉｍｅ［Ｃ］／／ＩＣＣ　２００３．［５］陈黎洁，唐涛，吕继东．ＣＢＴＣ越区切换中断时间分析［Ｊ］．

中国铁道科学，２０１０，３１（５）：１２５－

１２９．ＣＨＥＮ　Ｌｉ－ｊｉｅ，ＴＡＮＧ　Ｔａｏ，Ｌ Ｊｉ－ｄｏｎｇ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｉｎ－ｔｅｒｒｕｐｔｉｏｎ　Ｔｉｍｅ　ｆｏｒ　ＣＢＴＣ　Ｈａｎｄｏｖｅｒ［Ｊ］．Ｃｈｉｎａ　ＲａｉｌｗａｙＳｃｉｅｎｃｅ，２０１０，３１（５）：１２５－

１２９．［６］陈伟喜．ＩＥＥＥ　

８０２．１１ｎ协议在基于通信的列车控制系统（ＣＢＴＣ）中的应用［Ｄ］．

上海：上海交通大学．［７］ＩＥＥＥ　Ｓｔａｎｄａｒｄ　ｆｏｒ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ－Ｌｏｃａｌ　ａｎｄ　Ｍｅｔｒｏ－

ｐｏｌｉｔａｎ　ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ－

Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　Ｐａｒｔ　１１：ＷｉｒｅｌｅｓｓＬＡＮ　Ｍｅｄｉｕｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＭＡＣ）ａｎｄ　Ｐｈｙ－

ｓｉｃａｌ　Ｌａｙｅｒ（ＰＨＹ）Ｓｐ

ｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｓ］．ＩＥＥＥ　Ｓｔｄ　８０２．１１ＴＭ，２００７．［８］ＩＥＥＥ　Ｓｔａｎｄａｒｄ　ｆｏｒ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ－

Ｂａｓｅｄ　Ｔｒａｉｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＣＢＴＣ）Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ［Ｓ］．２００４．［９］Ｇｒｅｅｎ　Ｄ　Ｂ，Ｏｂａｉｄａｔ　Ａ　Ｓ．Ａｎ　Ａｃｃｕｒａｔｅ　Ｌｉｎｅ　ｏｆ　Ｓｉｇｈｔ　Ｐｒｏｐ－

ａｇａｔｉｏｎ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　Ａｄ－Ｈｏｃ　８０２．１１ＷｉｒｅｌｅｓｓＬＡＮ（ＷＬＡＮ）Ｄｅｖｉｃｅｓ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ

ｓ　ｏｆ　ＩＥＥＥ　ＩＣＣ２００２Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．ＩＥＥＥ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，Ａｐｒｉｌ／Ｍａｙ　

２００２：３４２４－３４２８．（责任编辑　魏京燕）

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