基于WLAN的車地無線通信設備研究

王萌淮，李 波

(西安郵電大學 通信與信息工程學院，陜西 西安 710061)

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基于WLAN的車地無線通信設備研究

王萌淮，李 波

(西安郵電大學 通信與信息工程學院，陜西 西安 710061)

針對當前WLAN技術應用在地鐵監(jiān)控領域存在的網(wǎng)絡容量、負載均衡等問題，設計了基于FPGA和接入點AP的一種無線數(shù)據(jù)傳輸設備，其中 FPGA負責對接收的視頻數(shù)據(jù)的緩存轉(zhuǎn)發(fā)處理以及AP的工作狀態(tài)信息的收集，并以FPGA作為負載均衡處理的核心。同時文中還提出了一種切換式的負載均衡策略，根據(jù)當前的負載狀況等信息對WLAN設備的負載進行再次調(diào)整。吞吐量測試表明，系統(tǒng)的吞吐量能達到160 Mbit·s-1，同時各個WLAN設備的負載較為均衡，系統(tǒng)的資源得到充分利用。

WLAN；車地無線通信；網(wǎng)絡傳輸；負載均衡

在地鐵監(jiān)控領域，列車入庫之后，為防范城市軌道交通意外事件發(fā)生，地面控制中心人員需要實時調(diào)取列車車廂內(nèi)車載攝像頭拍攝的監(jiān)控圖像信息，以保障入庫車輛的安全[1]。同時地面控制中心為了對突發(fā)性異常事件的過程進行及時的監(jiān)視和記憶，用以高效、及時地指揮和調(diào)度應急處理，需要一種新的無線傳輸技術來滿足快速、穩(wěn)定的、容量越來越大的監(jiān)控圖像信息的傳輸要求。目前應用在地鐵監(jiān)控領域的寬帶無線技術主要有TDD/FDD-LTE[2]、定制OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)、WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)、WLAN(Wireless Local Area Networks)等4種技術，相對于其他幾項技術，WLAN[3]技術產(chǎn)品鏈比較成熟，應用較為廣泛，同時WLAN技術的終端設備的成本比較低，采用WLAN技術進行車地視頻圖像的傳輸時，可大幅降低成本。同時現(xiàn)有的WLAN設備均可較好地支持二次開發(fā)，研發(fā)設計成本較低。

目前國內(nèi)外基于WLAN技術的地鐵監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)無線傳輸存在幾個問題，一方面是WLAN網(wǎng)絡容量問題，當前地鐵環(huán)境下，WLAN設備密集覆蓋時，若鄰近的多個工作于AP(Access Point)模式的WLAN設備共享同一信道，造成WLAN設備相互間干擾嚴重，網(wǎng)絡傳輸性能不能充分發(fā)揮。另一方面是無線局域網(wǎng)負載均衡[4]問題，由于無線局域網(wǎng)采用的802.11協(xié)議[5]標準中沒有對負載均衡方面做出描述和規(guī)定，網(wǎng)絡負載的分布完全由客戶端設備自由隨意的切換。在多個AP的重疊區(qū)域內(nèi)，客戶端設備通常選擇與信號強度 (Received Signal Strength Indication，RSSI)最大或者通信時延最小的AP[6]建立網(wǎng)絡連接，這種網(wǎng)絡建立機制并未考慮AP的實際負載，易產(chǎn)生網(wǎng)絡擁塞風險，造成網(wǎng)絡效率和性能下降、系統(tǒng)的資源利用率變差等問題。本文在研究當前存在問題的基礎上，設計了一種基于FPGA和接入點A的適合監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)腤LAN設備。

1 WLAN設備系統(tǒng)框架

WLAN設備系統(tǒng)框架主要由電源模塊、以太網(wǎng)模塊以及AP模塊組成。其中電源模塊主要是給雙網(wǎng)口的以太網(wǎng)模塊以及AP模塊供電，分別提供1.2 V，2.5 V，3.3 V，48 V，5 V的電壓。以太網(wǎng)模塊包括串口通信模塊、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、物理接口收發(fā)器、網(wǎng)絡變壓器、時鐘電路、配置電路等部分，主要功能包括對AP模塊上電的參數(shù)配置、負載均衡算法的實現(xiàn)以及對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的處理。AP模塊工作在802.11n[7]模式，主要用于實現(xiàn)車載與地面間的無線通信。WLAN設備的系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 WLAN設備系統(tǒng)框架

2 WLAN設備應用場景

車地無線傳輸組網(wǎng)配置，如圖2所示。

圖2 車地無線傳輸場景組網(wǎng)配置

圖2中AP1，AP2，AP3為工作于AP模式的WLAN設備，C1，C2，C3為工作于Client模式的WLAN設備，N1為地面服務器端，N2，N3，N4為車廂內(nèi)的終端設備。N1與AP1、AP2、AP3之間通過交換機連接在一個有線網(wǎng)絡中，C2與N2連接在一個有線網(wǎng)絡中，C1與N4，C3與N3分別連接在另外兩個有線網(wǎng)絡中。圖中顯示的C2和AP2已連接成功，C1和C3同時成功的連接到AP1上。AP3上面則未接入任何Client模式的WLAN設備。

2.1 車地無線傳輸場景中的數(shù)據(jù)處理

(1)Client模式WLAN設備接入時的端口號的分配。Client模式的WLAN設備上電后，會根據(jù)信號選擇RSSI[8]較強的AP模式的WLAN設備建立連接，該AP模式的WLAN設備會從自身的空白端口中選一個分配給這個Client模式的WLAN設備，其中可分配的端口為3001～3015；

(2)AP模式的WLAN設備的接入狀態(tài)上傳。AP模式的WLAN設備會每間隔5 s(配置決定)向所連的N1發(fā)送如圖3所示的內(nèi)容。N1端就認為C2是關聯(lián)在AP2的第一個通訊端口(3000)上，C1時關聯(lián)在AP1的3000通訊端口，C3關聯(lián)在AP1的3004通訊端口；

(3)服務器端指令數(shù)據(jù)的下發(fā)。假若N1此時有數(shù)據(jù)要下發(fā)到N2，則N1選擇以網(wǎng)段1所示的數(shù)據(jù)包格式將數(shù)據(jù)發(fā)送到AP2的3000端口，然后AP2將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給C2，C2選擇以網(wǎng)段2所示數(shù)據(jù)包的格式將幀數(shù)據(jù)發(fā)送到N2。

(4)客戶端監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的上傳。N2對接收到來自于N1的數(shù)據(jù)包實時檢測，若N2檢測到數(shù)據(jù)上傳命令之后，N2選擇以網(wǎng)段3所示的數(shù)據(jù)包的格式將數(shù)據(jù)發(fā)送給C2，C2將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給AP2，AP2選擇以網(wǎng)段1所示的數(shù)據(jù)包的格式將數(shù)據(jù)發(fā)送給N1的相應端口；

(5)當客戶端N1將UDP數(shù)據(jù)發(fā)送到AP3的某個端口后，AP3發(fā)現(xiàn)自身未連接到任何客戶端，于是將收到的所有的數(shù)據(jù)全部丟棄。

圖3 狀態(tài)信息上傳格式

2.2 WLAN設備的負載均衡處理

在圖2典型應用場景中，WLAN設備內(nèi)的以太網(wǎng)模塊通過與AP模塊命令的交互，收集接入的Client[9]模式WLAN設備的狀態(tài)信息，然后通過相互交流鄰居AP模式的WLAN設備的負載狀態(tài)信息，判斷出超載與非超載的AP模式的WLAN設備，對超載的WLAN設備關聯(lián)的客戶端執(zhí)行切換操作。負載均衡的實現(xiàn)需AP模式的WLAN設備與Client模式的WLAN設備共同參與，其中AP模式的WLAN設備的算法流程如圖3所示，圖中AP表示AP模式的WLAN設備，STA表示Client模式的WLAN設備，具體描述如下：

(1)區(qū)域內(nèi)工作于AP模式[10]的WLAN設備上電之后，N1端上位機發(fā)送廣播消息，配置各個AP模式的WLAN設備的狀態(tài)信息上傳的時間間隔，其中AP模式的WLAN設備上傳的信息內(nèi)容包括設備序號、接入的Client模式WLAN設備的IP、本地流量信息以及AP模式的WLAN設備所分配的端口號信息。各AP模式的WLAN設備相互交流負載狀態(tài)信息；

(2)AP模式的WLAN設備將當前自身流量與區(qū)域內(nèi)各個AP模式WLAN設備的流量總和的比值作為負載占比LOAD，如若APi(i=1,2,3…)的LOAD超過一定限值，則根據(jù)AP模式WLAN設備之間的負載交流，判斷出當前存在的一個非超載的其他AP模式WLAN設備APj(j=1,2,3…,j≠i)，則此時超載的APi構造超載指示幀，并向與之關聯(lián)的所有Client模式的WLAN設備發(fā)送；

(3)若APi收到非關聯(lián)Client模式的WLAN設備的探測請求幀，則構造含有RSSI、負載占比LOAD等負載信息的探測響應幀回復給Client模式的WLAN設備。若搜到的是關聯(lián)Client模式的WLAN設備的探測響應幀，則提取響應的負載信息；

(4)超載的APi根據(jù)負載均衡控制模塊通知的負載占比信息，判斷出若當前LOAD最小，且APi處于正常狀態(tài)時，則超載APj選取自身關聯(lián)的WLAN設備中負載占比最小的Client模式的WLAN設備，向負載最輕的APi發(fā)送切換請求，APj根據(jù)請求的次序逐個接納Client模式的WLAN設備；

(5)若超載的APj接收到APi的允許接收回復，則本次切換成功，超載AP在權值隊列中刪除切換到其他WLAN設備的Client模式的WLAN設備相關的LOAD值，避免以后再次分流Client模式的WLAN設備時，AP無用的計算。若APi拒絕接收，則表明由于其他AP模式的WLAN設備的切換，導致此AP臨近超載，則應該繼續(xù)尋找下一個最大的LOAD值，重復步驟(4)。若沒有一個AP模式的WLAN設備肯接納Client模式的WLAN設備，則說明所有原本正常的AP模式的WLAN設備均處于臨界超載或者超載狀態(tài)，此時不再進行任何切換；

(6)若AP模式的WLAN設備在切換后仍超載，則轉(zhuǎn)，(2)，否則算法結束。

圖4 AP端算法實現(xiàn)框圖

客戶端的控制流程圖如圖4所示，具體描述如下：

(1)Client模式的WLAN設備收到AP模式的WLAN設備的超載廣播后，在信道上向所有可視AP模式的WLAN設備發(fā)送探測請求幀，啟動定時器，開始計時；

(2)若定時器未超時，且收到了來自AP模式的WLAN設備的探測響應幀[11]，則轉(zhuǎn)步驟(4)，否則轉(zhuǎn)步驟(3)；

(3)若Client模式的WLAN設備探測的次數(shù)超過最大探測時間，則自動終止，不再發(fā)送任何幀，算法結束。否則繼續(xù)向AP模式的WLAN設備發(fā)送請求幀，轉(zhuǎn)步驟(2)；

(4)Client模式的WLAN設備從探測響應幀中提取RSSI的流量、接入客戶端的數(shù)目等信息，根據(jù)RSSI的閥值進行判斷，選取當前RSSI大于閥值的AP模式的WLAN設備發(fā)送給進行廣播的AP模式的WLAN設備。

圖5 客戶端算法實現(xiàn)框圖

3 性能測試

3.1 吞吐量測試

利用兩臺WLAN設備，兩臺計算機搭建吞吐量測試平臺，組網(wǎng)示意圖如圖2所示。在N1端設定網(wǎng)絡性能測試工具IPerf的發(fā)送UDP數(shù)據(jù)流的帶寬為80 Mbit·s-1，發(fā)送數(shù)據(jù)的端口號為7000，接收數(shù)據(jù)端口號為7001；在N2端設定發(fā)送UDP數(shù)據(jù)流的帶寬為80 Mbit·s-1，發(fā)送端口號為7001，接收數(shù)據(jù)端口號為7000。間隔50 s分別對收到的數(shù)據(jù)流的帶寬進行統(tǒng)計，系統(tǒng)吞吐量統(tǒng)計如圖6所示，系統(tǒng)吞吐量穩(wěn)定約在160 Mbit·s-1，能滿足地鐵環(huán)境下對傳輸帶寬的要求。

圖6 雙向傳輸時系統(tǒng)吞吐量統(tǒng)計

3.2 無線局域網(wǎng)的負載均衡效果測試

為便于進行系統(tǒng)的負載均衡效果測試，采用3臺AP模式的WdLAN設備與13臺Client模式的WLAN設備做組網(wǎng)測試[12]，組網(wǎng)示意圖如圖2所示。其中3臺AP模式的WLAN的分別工作在不同的信道，且AP模式的設備的信號覆蓋區(qū)域之間有重疊區(qū)域。各個Client模式的WLAN設備選擇AP模式的WLAN設備關聯(lián)[13]之后，通過調(diào)節(jié)各個Client模式的WLAN設備的數(shù)據(jù)包生成時間間隔，使得各Client模式的WLAN設備的業(yè)務負載量各不相同。優(yōu)化前各個AP模式的WLAN設備的吞吐量如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)均衡優(yōu)化前各WLAN設備吞吐量

由圖7可看出，由于AP1和AP2所關聯(lián)的Client模式WLAN設備數(shù)量較多，所以其吞吐量也較高。而AP1負載的Client模式的WLAN設備個數(shù)雖遠多于AP2負載的Client模式的WLAN設備的個數(shù)，但AP1的吞吐量和AP2的吞吐量卻相差較小，由此說明AP1上的無線頻帶上的沖突嚴重，因此嚴重影響了通信的質(zhì)量，此時需要對AP1采取負載均衡的方法來降低AP1的負載，從而減輕沖突，提高通信質(zhì)量[14]。

采用本文的負載均衡算法后，由于AP1吞吐量超過既定的閥值，所以處于超載狀態(tài)AP1需要做負載分流[15]，此時均衡的結果就是將AP1的一部分Client模式的WLAN設備分配到AP3上去，使得AP3的吞吐量得到大幅提升，且在切換的過程中，根據(jù)吞吐量不斷進行調(diào)整負載分配。每隔10 s統(tǒng)計的各WLAN設備吞吐量如圖8所示，其中3個AP模式的WALN設備之間的吞吐量基本分布在50 Mbit·s-1與60 Mbit·s-1左右，系統(tǒng)的資源得到充分利用。

圖8 負載均衡后各WLAN設備吞吐量

4 結束語

本文設計并實現(xiàn)了一種適合地鐵監(jiān)控領域的無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)腤LAN設備，測試結果表明系統(tǒng)吞吐量能達到160 Mbit·s-1，能夠滿足地鐵監(jiān)控視頻傳輸?shù)男枨?，同時與傳統(tǒng)采用RSSI最大的選擇接入的策略相比，本文提出的負載均衡策略能有效均衡系統(tǒng)的負載，提高系統(tǒng)吞吐量。

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The Design of Train-ground Wireless Communication Device Based on WLAN

WANG Menghuai，LI Bo

(School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications,xi’an 710061, China)

when the WLAN technology is used in the field of subway monitoring，it exists the problem of network capacity and the load balancing. We design a wireless transmission equipment based on FPGA and access point (AP). The FPGA is responsible for the video frame data to a receiving buffer forwarding processing and AP state information collection, also the FPGA chip as the load equalization processing core. this paper also presents a switching load balancing strategy based in the current load status information of WLAN equipment load adjust again and distribution in the formation of the wireless LAN topology. The throughput test results show that the system throughput can reach 160Mbps, and the load of each WLAN device is relatively balanced, the system resources are fully utilized.

WLAN; train-ground wireless communication; network transmission; load balancing

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.004

2016- 02- 01

王萌淮(1989-)，男，碩士研究生。研究方向：寬帶無線通信技術。李波(1980-)，男，博士，教授，碩士生導師。研究方向：寬帶無線通信技術。

TN92；TP393.1

A

1007-7820(2016)12-012-05