基于地鐵環境下優化802.11無線網漫游機制的研究

毛震宇

【摘要】 本文通過研究IEEE802.11協議無線網在移動的、線性的地鐵運行環境下快速切換的問題，從漫游切換的原理和過程出發，分析并提出了采用持續漫游、提前切換的機制和FIT AP網絡構架的方法實現無縫漫游切換并減少切換時間的網絡建設優化方案。

【關鍵詞】 IEEE802.11協議 持續漫游 提前切換 FIT AP

一、引言

目前地鐵乘客信息系統（PIS）及列車自動控制系統（CBTC）很多采用了基于802.11協議的無線網絡作為其車地無線傳輸網，而上述車載無線業務由于一直處于快速移動狀態，對802.11協議組網的無線系統提出了更短的無線網絡切換時間和更有保障的網絡切換連續性的技術需求，因此下文提出采用持續漫游、提前切換機制和FIT AP網絡構架的方法來實現無縫漫游切換并減少切換所需時間的網絡建設方案，以滿足其實時性要求。

二、持續漫游、提前切換的機制

傳統漫游切換是一種基于全向無線覆蓋環境下的滯后漫游切換選擇機制，其移動STA（Station）與下一個AP（Acess Point）連接的前提是在現有信號強度降低的同時，進行AP漫游，從相鄰AP列表中選出下一個最佳AP，并認證和重聯合。而在地鐵中一般是采取定向天線的信號覆蓋，車載STA一直在線性覆蓋的AP間進行快速移動，在這種網絡條件下，采取上述傳統漫游切換機制會出現車載STA漫游切換滯后、信號丟失分離的情況，應對上述問題，建議使用新的持續漫游、提前切換的優化機制（圖1：持續漫游、提前切換方式的無縫切換漫游示意圖）以實現地鐵環境下的無縫漫游切換。以下將闡述持續漫游、提前切換的原理和實施方法：將快速移動STA的漫游閾值設定為一個高數值，確保STA從不滿足于現有AP的信號強度，使其處于持續漫游狀態，預先并持續保證在快速運行的地鐵環境下AP信號強度迅速消失并降至連接閾值以下之前，完成AP切換的準備步驟。同時，將STA連接閾值設定為一個低數值，使得STA能與下一個較低信號電平的AP完成提前切換連接，即當STA按前進方向移動時，在STA經過現有AP并突然失去其信號之前，STA提前與下一個下游AP進行連接，即使它的信號電平較低，之所以采取上述低值連接的方法，是因為快速移動的車載STA在定向無線信號線性覆蓋的環境下，當STA靠近下一個AP的覆蓋區域時，該AP的信號強度在正常情況下必然會快速上升到很高的數值。

在這種新的優化漫游切換機制下，STA將保持持續的提前漫游狀態，并做到提前切換，以確保在車載STA移入AP覆蓋區域之間時實現無縫漫游切換。

三、FIT AP的網絡構架

傳統802.11協議無線網絡構架內的無線AP由接入、匯聚、核心層交換機進行組網后，每個AP作為一個獨立的工作體，在其覆蓋區域內孤立的完成STA的接入認證、重連接等漫游切換過程（該構架即是傳統的FAT AP（Fat Access Point ，“胖”AP方式），同時出于網絡施工布局的考慮，AP設備一般為小型化、輕便化的設計，其產品進行高速運算的漫游切換功能（尤其是重連接過程）時難以提供可靠性、快速性的保證。

由于上述局限性，在FAT AP架構下STA與AP間的漫游切換時間比較長，當STA從原來正在連接的AP漫游到另一個AP時往往會出現網絡連接中斷的現象，所以傳統的FAT AP網絡架構是不適合連續移動的STA設備的使用，更加不能滿足地鐵環境下PIS、CBTC車載業務的實時性要求。因此，建議引入基于AC （Wireless Access Point Controller，無線控制器）+FIT AP（Fit Access Point ，“瘦”AP）的新型無線網絡架構方案，解決上述局限，在地鐵環境下加快切換過程實現STA的快速切換，避免網絡連接中斷的情況出現，影響移動車載業務的正常服務（圖2：地鐵環境下AC+FIT AP網絡架構示意圖）。在該方案中，對架設的AP刪減其原有的802.11協議認證、QOS、安全、漫游功能，每個AP僅作為一個簡單的、無線底層接入的傳輸設備，將收到的RF信號，經過802.11協議編碼后，利用預設的隧道協議（如GRE隧道協議）通過以太網絡傳送到AC，由AC集中進行統一處理和控制。從而利用AC高效、快速、智能、集中的漫游管理功能，得到更強大的漫游支持，大大減少STA和AP的關聯時延，實現車載無線STA進行更快速的切換，節約切換時間，進而實現快速漫游切換的功能。

四、結束語

隨著越來越多類似車載PIS、CBTC的地鐵業務承載于802.11協議無線網之上，其漫游切換的連續性、快速性將對地鐵乘客系統的服務質量和行車的安全有著更大的影響，因此加強對802.11協議無線網漫游切換的分析研究，有著很強的現實意義。希望本文提出的建設優化方案能對地鐵環境下802.11無線網絡的設計、建設和優化提供一定的參考意義。

參 考 文 獻

[1] Jim Geier. 無線局域網[M]. 人民郵電出版社. 2001

[2] MattheW S. Gast.802.11無線網絡權威指南[M]. 東南大學出版社. 2007

[3] 吳湛擊. 無線通信新協議與新算法[M]. 電子工業出版社. 2013

[4] 林海香，董昱. 無線CBTC系統車地通信方案研究[J]. 蘭州交通大學學報. 2011，6：124-128

[5] 劉剛，韓熠，戴未央. WLAN在旅客信息系統中的應用[J]. 現代城市軌道交通. 2006，4：81-82

[7] 陳康，李玉斌. 無線通信技術在城市軌道交通中的應用[J]. 電氣化鐵道. 2009，2：40-42

【摘要】 本文通過研究IEEE802.11協議無線網在移動的、線性的地鐵運行環境下快速切換的問題，從漫游切換的原理和過程出發，分析并提出了采用持續漫游、提前切換的機制和FIT AP網絡構架的方法實現無縫漫游切換并減少切換時間的網絡建設優化方案。

【關鍵詞】 IEEE802.11協議 持續漫游 提前切換 FIT AP

一、引言

目前地鐵乘客信息系統（PIS）及列車自動控制系統（CBTC）很多采用了基于802.11協議的無線網絡作為其車地無線傳輸網，而上述車載無線業務由于一直處于快速移動狀態，對802.11協議組網的無線系統提出了更短的無線網絡切換時間和更有保障的網絡切換連續性的技術需求，因此下文提出采用持續漫游、提前切換機制和FIT AP網絡構架的方法來實現無縫漫游切換并減少切換所需時間的網絡建設方案，以滿足其實時性要求。

二、持續漫游、提前切換的機制

傳統漫游切換是一種基于全向無線覆蓋環境下的滯后漫游切換選擇機制，其移動STA（Station）與下一個AP（Acess Point）連接的前提是在現有信號強度降低的同時，進行AP漫游，從相鄰AP列表中選出下一個最佳AP，并認證和重聯合。而在地鐵中一般是采取定向天線的信號覆蓋，車載STA一直在線性覆蓋的AP間進行快速移動，在這種網絡條件下，采取上述傳統漫游切換機制會出現車載STA漫游切換滯后、信號丟失分離的情況，應對上述問題，建議使用新的持續漫游、提前切換的優化機制（圖1：持續漫游、提前切換方式的無縫切換漫游示意圖）以實現地鐵環境下的無縫漫游切換。以下將闡述持續漫游、提前切換的原理和實施方法：將快速移動STA的漫游閾值設定為一個高數值，確保STA從不滿足于現有AP的信號強度，使其處于持續漫游狀態，預先并持續保證在快速運行的地鐵環境下AP信號強度迅速消失并降至連接閾值以下之前，完成AP切換的準備步驟。同時，將STA連接閾值設定為一個低數值，使得STA能與下一個較低信號電平的AP完成提前切換連接，即當STA按前進方向移動時，在STA經過現有AP并突然失去其信號之前，STA提前與下一個下游AP進行連接，即使它的信號電平較低，之所以采取上述低值連接的方法，是因為快速移動的車載STA在定向無線信號線性覆蓋的環境下，當STA靠近下一個AP的覆蓋區域時，該AP的信號強度在正常情況下必然會快速上升到很高的數值。

在這種新的優化漫游切換機制下，STA將保持持續的提前漫游狀態，并做到提前切換，以確保在車載STA移入AP覆蓋區域之間時實現無縫漫游切換。

三、FIT AP的網絡構架

傳統802.11協議無線網絡構架內的無線AP由接入、匯聚、核心層交換機進行組網后，每個AP作為一個獨立的工作體，在其覆蓋區域內孤立的完成STA的接入認證、重連接等漫游切換過程（該構架即是傳統的FAT AP（Fat Access Point ，“胖”AP方式），同時出于網絡施工布局的考慮，AP設備一般為小型化、輕便化的設計，其產品進行高速運算的漫游切換功能（尤其是重連接過程）時難以提供可靠性、快速性的保證。

由于上述局限性，在FAT AP架構下STA與AP間的漫游切換時間比較長，當STA從原來正在連接的AP漫游到另一個AP時往往會出現網絡連接中斷的現象，所以傳統的FAT AP網絡架構是不適合連續移動的STA設備的使用，更加不能滿足地鐵環境下PIS、CBTC車載業務的實時性要求。因此，建議引入基于AC （Wireless Access Point Controller，無線控制器）+FIT AP（Fit Access Point ，“瘦”AP）的新型無線網絡架構方案，解決上述局限，在地鐵環境下加快切換過程實現STA的快速切換，避免網絡連接中斷的情況出現，影響移動車載業務的正常服務（圖2：地鐵環境下AC+FIT AP網絡架構示意圖）。在該方案中，對架設的AP刪減其原有的802.11協議認證、QOS、安全、漫游功能，每個AP僅作為一個簡單的、無線底層接入的傳輸設備，將收到的RF信號，經過802.11協議編碼后，利用預設的隧道協議（如GRE隧道協議）通過以太網絡傳送到AC，由AC集中進行統一處理和控制。從而利用AC高效、快速、智能、集中的漫游管理功能，得到更強大的漫游支持，大大減少STA和AP的關聯時延，實現車載無線STA進行更快速的切換，節約切換時間，進而實現快速漫游切換的功能。

四、結束語

隨著越來越多類似車載PIS、CBTC的地鐵業務承載于802.11協議無線網之上，其漫游切換的連續性、快速性將對地鐵乘客系統的服務質量和行車的安全有著更大的影響，因此加強對802.11協議無線網漫游切換的分析研究，有著很強的現實意義。希望本文提出的建設優化方案能對地鐵環境下802.11無線網絡的設計、建設和優化提供一定的參考意義。

參 考 文 獻

[1] Jim Geier. 無線局域網[M]. 人民郵電出版社. 2001

[2] MattheW S. Gast.802.11無線網絡權威指南[M]. 東南大學出版社. 2007

[3] 吳湛擊. 無線通信新協議與新算法[M]. 電子工業出版社. 2013

[4] 林海香，董昱. 無線CBTC系統車地通信方案研究[J]. 蘭州交通大學學報. 2011，6：124-128

[5] 劉剛，韓熠，戴未央. WLAN在旅客信息系統中的應用[J]. 現代城市軌道交通. 2006，4：81-82

[7] 陳康，李玉斌. 無線通信技術在城市軌道交通中的應用[J]. 電氣化鐵道. 2009，2：40-42

【摘要】 本文通過研究IEEE802.11協議無線網在移動的、線性的地鐵運行環境下快速切換的問題，從漫游切換的原理和過程出發，分析并提出了采用持續漫游、提前切換的機制和FIT AP網絡構架的方法實現無縫漫游切換并減少切換時間的網絡建設優化方案。

【關鍵詞】 IEEE802.11協議 持續漫游 提前切換 FIT AP

一、引言

目前地鐵乘客信息系統（PIS）及列車自動控制系統（CBTC）很多采用了基于802.11協議的無線網絡作為其車地無線傳輸網，而上述車載無線業務由于一直處于快速移動狀態，對802.11協議組網的無線系統提出了更短的無線網絡切換時間和更有保障的網絡切換連續性的技術需求，因此下文提出采用持續漫游、提前切換機制和FIT AP網絡構架的方法來實現無縫漫游切換并減少切換所需時間的網絡建設方案，以滿足其實時性要求。

二、持續漫游、提前切換的機制

傳統漫游切換是一種基于全向無線覆蓋環境下的滯后漫游切換選擇機制，其移動STA（Station）與下一個AP（Acess Point）連接的前提是在現有信號強度降低的同時，進行AP漫游，從相鄰AP列表中選出下一個最佳AP，并認證和重聯合。而在地鐵中一般是采取定向天線的信號覆蓋，車載STA一直在線性覆蓋的AP間進行快速移動，在這種網絡條件下，采取上述傳統漫游切換機制會出現車載STA漫游切換滯后、信號丟失分離的情況，應對上述問題，建議使用新的持續漫游、提前切換的優化機制（圖1：持續漫游、提前切換方式的無縫切換漫游示意圖）以實現地鐵環境下的無縫漫游切換。以下將闡述持續漫游、提前切換的原理和實施方法：將快速移動STA的漫游閾值設定為一個高數值，確保STA從不滿足于現有AP的信號強度，使其處于持續漫游狀態，預先并持續保證在快速運行的地鐵環境下AP信號強度迅速消失并降至連接閾值以下之前，完成AP切換的準備步驟。同時，將STA連接閾值設定為一個低數值，使得STA能與下一個較低信號電平的AP完成提前切換連接，即當STA按前進方向移動時，在STA經過現有AP并突然失去其信號之前，STA提前與下一個下游AP進行連接，即使它的信號電平較低，之所以采取上述低值連接的方法，是因為快速移動的車載STA在定向無線信號線性覆蓋的環境下，當STA靠近下一個AP的覆蓋區域時，該AP的信號強度在正常情況下必然會快速上升到很高的數值。

在這種新的優化漫游切換機制下，STA將保持持續的提前漫游狀態，并做到提前切換，以確保在車載STA移入AP覆蓋區域之間時實現無縫漫游切換。

三、FIT AP的網絡構架

傳統802.11協議無線網絡構架內的無線AP由接入、匯聚、核心層交換機進行組網后，每個AP作為一個獨立的工作體，在其覆蓋區域內孤立的完成STA的接入認證、重連接等漫游切換過程（該構架即是傳統的FAT AP（Fat Access Point ，“胖”AP方式），同時出于網絡施工布局的考慮，AP設備一般為小型化、輕便化的設計，其產品進行高速運算的漫游切換功能（尤其是重連接過程）時難以提供可靠性、快速性的保證。

由于上述局限性，在FAT AP架構下STA與AP間的漫游切換時間比較長，當STA從原來正在連接的AP漫游到另一個AP時往往會出現網絡連接中斷的現象，所以傳統的FAT AP網絡架構是不適合連續移動的STA設備的使用，更加不能滿足地鐵環境下PIS、CBTC車載業務的實時性要求。因此，建議引入基于AC （Wireless Access Point Controller，無線控制器）+FIT AP（Fit Access Point ，“瘦”AP）的新型無線網絡架構方案，解決上述局限，在地鐵環境下加快切換過程實現STA的快速切換，避免網絡連接中斷的情況出現，影響移動車載業務的正常服務（圖2：地鐵環境下AC+FIT AP網絡架構示意圖）。在該方案中，對架設的AP刪減其原有的802.11協議認證、QOS、安全、漫游功能，每個AP僅作為一個簡單的、無線底層接入的傳輸設備，將收到的RF信號，經過802.11協議編碼后，利用預設的隧道協議（如GRE隧道協議）通過以太網絡傳送到AC，由AC集中進行統一處理和控制。從而利用AC高效、快速、智能、集中的漫游管理功能，得到更強大的漫游支持，大大減少STA和AP的關聯時延，實現車載無線STA進行更快速的切換，節約切換時間，進而實現快速漫游切換的功能。

四、結束語

隨著越來越多類似車載PIS、CBTC的地鐵業務承載于802.11協議無線網之上，其漫游切換的連續性、快速性將對地鐵乘客系統的服務質量和行車的安全有著更大的影響，因此加強對802.11協議無線網漫游切換的分析研究，有著很強的現實意義。希望本文提出的建設優化方案能對地鐵環境下802.11無線網絡的設計、建設和優化提供一定的參考意義。

參 考 文 獻

[1] Jim Geier. 無線局域網[M]. 人民郵電出版社. 2001

[2] MattheW S. Gast.802.11無線網絡權威指南[M]. 東南大學出版社. 2007

[3] 吳湛擊. 無線通信新協議與新算法[M]. 電子工業出版社. 2013

[4] 林海香，董昱. 無線CBTC系統車地通信方案研究[J]. 蘭州交通大學學報. 2011，6：124-128

[5] 劉剛，韓熠，戴未央. WLAN在旅客信息系統中的應用[J]. 現代城市軌道交通. 2006，4：81-82

[7] 陳康，李玉斌. 無線通信技術在城市軌道交通中的應用[J]. 電氣化鐵道. 2009，2：40-42