ＢＲＴ中Ｗｌａｎ應用優勢及構架分析

摘要：該文將無線局域網同蜂窩網絡（以GSM-R為例）在功能結構、利用能力、切換性透明性等方面進行比較分析，闡明WLAN應用于快速公交所具有的通信優勢，并對BRT無線通信系統構架、網絡安全等進行簡略說明。

關鍵詞：無線局域網（WLAN）；快速公交（BRT）；蜂窩網絡；GSM-R；網絡安全

中圖分類號：U491；TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)27-1892-03

An Analyse of the Application Superiority and Configuration of WLAN in BRT

MA Neng-yi， DONG De-cun

(Department of Traffic and Trasportation Engineering， Tongji Univercity， Shanghai 200092， China)

Abstract: This paper compares and analyses the aspects of function configuration， utility capability， switch capability and Transparency etc. between WLAN and cellular network(take GSM-R as an example) to illuminate the superiority of communication using WLAN in BRT. And then summarily illustrate the configuration of wireless communication system in BRT and network safety etc.

Key words: WLAN; BRT; cellular network; GSM-R; netwok safety

1 引言

快速公交（BRT）作為近年來流行的一種新興公交方式，具有容量大，速度快，靈活便利等特點，贏得了世界許多國家的廣泛認同，我國不少城市，如北京、昆明、上海等也正積極建設。本文構想的出發點就是：基于軌道交通對于BRT的可借鑒性，吸納前人將無線局域網（WLAN）應用于軌道交通的成功經驗，將無線局域網技術應用至采用軌道交通理念的快速公交中，對公交車輛進行控制，從而發揮無線局域網的強大功能。

2 WLAN標準簡介

無線局域網主要采用無線電磁波射頻作為傳輸介質，主要使用2.4 GHz和5GHz兩個免費的ISM段。國際組織IEEE802.11委員會專門負責無線局域網統一標準的制定工作，對于無線局域網，該組織制定了許多標準，下面是各主要的標準比較：

IEEE802.11b：工作在2.4GHz，數據傳輸速率可達11Mbps，網絡覆蓋范圍為室內100米左右、室外300米左右。

IEEE802.11g：工作在2.4GHz，數據傳輸速率可達54Mbps，網絡覆蓋范圍為室內100米左右、室外300米左右。可以兼容IEEE802.1lb，是目前最常用的標準。

IEEE802.11n：可同時工作在2.4GHz和5GHz，數據傳輸速度可以輕松突破100Mbps，網絡覆蓋范圍也將擴大，該標準正在討論之中，目前市面上已經有相關的網絡設備，可能在將來要大行其道。

3 WLAN在BRT中的應用優勢

在軌道交通無線通信中，作為WLAN的最主要競爭對手，GSM-R大行其道。近年來，許多歐洲國家在鐵路系統中紛紛采用GSM-R無線通信方式，以適應鐵路系統對列車不斷提速、鐵路通信系統安全性不斷提高、業務不斷多樣化的需求，并取得了巨大成功。同時，中國鐵道部也于2000年底確定將GSM-R作為我國鐵路通信系統未來發展的方向。

鑒于BRT是采用軌道交通模式的公交系統，自然易令人想到，是否GSM-R也同樣適合BRT系統？是否對于BRT，GSM-R是最好的無線通信方式？本文的回答是：WLAN較GSM-R更具有優勢。以下為WLAN同蜂窩網絡在各項性能進行比較后的結論。

3.1 WLAN和蜂窩網絡的比較

在無線領域中蜂窩網絡和WLAN競爭著數據通信巨大的市場。蜂窩網絡基于全球移動通信（GSM）標準，它已經從第一代的模擬移動電話系統發展到第二代和第三代全數字化具有高性能和大容量的系統。WLAN則早已在數據傳輸領域中生根，起源于無所不在的局域網（LAN），基于以太網的結構，采用互聯網協議（IP）傳輸數據包。

它們的結構和操作不同，但都滿足了數據包到文件、音頻、視頻流的傳輸需要。以下對兩者的特點進行比較，說明之所以WLAN更適合BRT系統的原因。

3.1.1 功能比較

GRM-R的蜂窩結構將移動無線網絡設計成傳輸連續的數據流。兩個用戶間建立電路連接后，即使沒有實質信息傳送也會連續進行音頻、視頻的數據交換，這是種浪費，空閑時段和信道可以移作他用。為應對數據傳輸市場不斷增長的這種需求，連續數據流拆解成離散數據包序列的分組數據傳輸已成為新的發展方向。而無線局域網（WLAN）本身就設計成以IP數據包來傳輸IP數據，采用UDP（User Datagram Protocol，用戶數據報協議），不保證數據包以正確的順序適時達到而適用于視頻，音頻等對延遲要求很高，但對偶爾的丟包并不敏感的應用程序。

兩者還有一點重大區別。GSM基于固定電話網，以單個電路為單元分配能力。每個電話用戶有1對專線接到本地交換機，交換機利用電話號建立電路互連。在交換機間路由呼叫時，只能享用有限數量的長距離連接。但只要愿意付費，用戶就可以長期占用電路。列車到基站的無線電路和基站到列車控制中心的固定電話線路數量都是有限的，若遭到上述長期占線，可能對數據傳輸做成隱患。

而WLAN 采用以太網方式，所有用戶共享1個電路。它比單個蜂窩電路有更高的能力，當然，在公用時也會產生競爭，如數據包發生沖突，雙方會在暫短而不相同的隨機延遲后再次傳輸。每一方最終會得到全部傳輸數據，額外增加的延遲時間才幾毫秒，完全可以忽略。

總之，電路交換系統沒有附加的延時，但用戶可能被拒絕服務；而以太網這樣的競爭系統，總能保證得到服務，但可能產生一些附加的延時。

3.1.2 網絡結構

GSM-R設計了基站或接入點，是一個大功率的中心站，為周圍大量信號較弱的移動用戶提供服務。WLAN通常與此相反，沿線路設置許多接入點，保證了信號的覆蓋。通常一個區段只有數百次的訪問，只會涉及為數不多的用戶。

GSM系統不是按沿線路運用設計，沒有交換機這樣的標準設備。在通信中，要求沒有不可接收的通信間隙，信號頻繁切換也很困難，造成切換時間過長。

而WLAN非常適合線狀布局，根據信號強弱接入點和移動無線終端均衡設置，頻繁切換方便迅速。

GSM-R控制的用戶數受系統電路數量限制，不易提高運輸能力。采用WLAN增加用戶使用雖然有一些延遲，但相對完全沒有通信連接，延遲還在容許的范圍之內。

3.1.3 移動性和切換性比較

對于GSM-R，如果算上電路重新連接的時間，接入點間的切換時間將持續2 s或更長。實際上，蜂窩系統網絡的切換時間要10 s以上。

802.11標準的WLAN包括了介質訪問的命令，無線設備的配置可在不到50 ms完成高速切換，且該時間在90％的情況下都能得到保證。只要適當地安排好接入點，實際的切換不超過1 s，基本是可以忽略不計的。

因此，WLAN就成了當前移動性和切換性最好的網絡選擇。

3.1.4 網絡的利用能力

考慮到設備故障時仍能為用戶提供很高的利用率，每個網絡都應建成足夠冗余的結構。蜂窩結構的網絡在邊緣或建筑等障礙隱蔽處的覆蓋并不好，這對數據傳輸特別是公交調度控制的應用是不能接受的。

DCS（數據通信系統）客戶基站的配置將這種問題減少到最低程度，但還不能完全消除所有信號衰減和急劇下降的情況。電路概念由于沒有數據保證糾錯的機制，處于不利地位。

前向糾錯(FEC)技術雖然強大，但有局限性，它占用了傳輸能力。當信噪比下降到一定程度時，FEC技術的方案失效，產生更多的誤碼，過多的誤碼會使數據包的完整性失效。

如此低的信噪比在移動無線環境是很普通的。使用蜂窩網絡時必須執行另外的查錯方法，采用一些重傳協議，設法控制影響完整性的突發數據丟失。

而WLAN具有內建的重傳協議，與碰撞處理機制一樣，對應用是透明的。所以對BRT系統來說，WLAN是可利用性的最好選擇。

3.1.5 透明性比較

設計DCS的關鍵因素是應用的透明性。透明意味著網絡不需要知道使用它的應用的相關問題，這樣DCS不需要跟蹤BRT車輛的位置及其當前運營狀態。反之也是這樣，應用系統不需要知道DCS網絡的運轉狀態，也不需要知道信息的路由。所有的應用只需符合802．3的接口要求。在適應透明性上WLAN是理想的。

GSM-R系統不太適合透明性要求。雖然它在切換中為移動無線與基站之間分配了新電路，又接入分組交換機，但不可能在無縫切換方式的這個過程中完全不涉及到移動無線(公交車輛)的位置和目標。因為其本身切換過程太慢，有必要為預期的應用事先指派電路。管理無線電路分配的道旁設備也要負責這一過程，它將以一種非標準的專用方式來處理切換，并要求網絡掌握每次網上通信公交車輛的位置、方向和目的地。這再次說明WLAN是優秀的。

3.2 其他優點

此外，WLAN還具有一些其他方式無法比擬的優點。主要如下：

1） 安裝便捷：采用WLAN方式的車地通信系統，在交叉口只需安裝無線AP設備，省去了許多不必要的電纜架設等固定工作，還省去了大量的現場維護工作。

2） 擴展靈活：在有線通信中，通信設備的安放位置受信息點位置的限制，線路建成后如要擴展就可能受到限制，而WLAN方式的擴展就很容易，只需在擴展線路旁安裝無線AP設備，就能擴大信號系統的覆蓋區域。

3） 經濟節約：由于802.11 WLAN方式采用開放的技術標準，其無線AP和移動臺設備都有現成的比較成熟的產品，這就減少了初期開發成本；另外，由于是使用現成的產品，價格相對便宜，這就減少了維護和保養成本。

4） 頻段使用自由：2.4GHz和5GHz頻段是WLAN產品比較通用的頻段，而2.4 GHz頻段和5 GHz頻段在大部分國家和地區都是無需申請，可以自由使用的頻段。因此，802.11的一些產品在許多國家都可以使用，省去了麻煩的申請工作。

5） 標準開放：隨著通信和網絡技術的發展，802.11WLAN技術也不斷地向前發展。由于WLAN方式采用的是開放的技術標準，因此，它能夠在支持移動通信的同時又防止過時，這就克服了專用技術標準不能隨時發展的缺點。

4 WLAN方式實現車地通信

由于快速公交線路都是預先規劃好的，所以可選擇性地在部分交叉口附近安裝接入點（Access Point，簡稱AP）或直接將AP集成在信號燈上，這樣有利于減少AP數量以節約成本，并在幾個方向存在BRT時保證覆蓋范圍。在相隔較遠或信號阻礙較嚴重的相鄰AP間適當添加AP以做到無縫覆蓋。各AP通過ADSL或HDSL與骨干網相聯，此骨干網可以是有線的，也可以是無線的，譬如Internet、Intranet等。公交調度中心通過此骨干網同交叉口及公交車輛進行信息傳輸。

隨著公交車位置的變換，信號會由一個AP自動切換到另外一個AP，如圖2所示。整個過程對用戶是透明的，雖然提供連接服務的AP發生了切換，但對用戶的服務卻不會被中斷。隨著公交車的移動，車載適配器SA能夠基于有方向、速度和可預測的線性無線漫游。這種漫游方式緩和了基于多目標選擇的AP選擇程序。

在WLAN方式的車地通信系統中，SA的主要功能就是負責啟動與AP的連接，SA一次只能與1個AP連接，以保證SA和網絡只有1個連接；而1個AP同時可以和多個SA建立連接。一個移動的SA會尋訪小區（cell）內一個固定的AP并與其連接，它根據上一個AP的離開門限值（LT）和下一個AP的進入門限值（JT）來決定是否離開上一個AP的覆蓋區。當一個小區的信號強度沒有降到離開門限值之下時，即使SA接收到的下一個AP的信號強度大于進入門限值JT值，SA也不會與當前小區分離。當一個SA在某小區中時，它會鑒別下一個小區并發起小區切換的流程。一旦一個SA與一個AP連接，該AP就會在WLAN中發送一個報文，用于說明該SA已經在自己的路由表中，而其他AP可在路由表中刪除該SA。

此外，無線局域網設備的平均無故障時間必須滿足BRT系統對與無線通信系統的要求，為滿足要求，可以使用冗余聯接、熱備份等方式提高整個系統的可靠性。

5 Wlan的安全防范措施

無線AP接入網絡的方案一般建議采用建立企業虛擬專網的方式。利用VPN技術建立企業虛擬專網，它利用Internet公用網的資源建立資金企業的虛擬專網。相對于直接接入Internet公用網它能提供較好的安全性能，而相對于采用昂貴的方式建立企業Intranet專網它又降低了系統建設成本。

IEEE 802 .11b標準使用公用的2.4G Hz無線電頻率進行聯網通信，在AP架設點周邊有效距離內任何安裝有無線網卡的電腦都能進行監聽。利用一些無線網絡探測工具，如使用Network Stumbler軟件可以非常容易地探測到附近的AP，顯示出它使用的頻道、SSID值、MAC地址、傳輸速率、加密方式等。

即使采用了企業Intranet專網，如果網絡中的任何一個無線AP節點被攻破，整個網絡的安全就將受到威脅。以下幾點安全措施十分必要：1）啟用IEEE802.lx 的接人驗證；2）通常IEEE802.l1 b 標準的設備是采用WEP加密技術，現在廣泛使用的WEP加密方式有64位、128位、256位密鑰，如果采用直接連接人Internet公用網方案，AP設備密鑰至少應該支持128位WEP加密；3）啟用MAC地址過濾，防止非法用戶接人；4）禁用SSID廣播，減少安全隱患。

6 結束語

隨著城市發展，交通出行的需求將日益增加，快速公交正是解決目前交通擁擠現狀最行之有效的方法之一。而相對于其他通信方式，在BRT中應用Wlan是最為適合的。通過Wlan穩定提升信息傳輸速度使調度中心和司機乘客獲取實時信息，令公交車輛的調度、安全檢測等能真正做到快速高效。此文粗略提出構想，拋磚引玉。

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