（通信与信息系统专业论文）基于无线mesh网络的移动车地通信技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着信息技术和互联网络的快速发展，人们越来越希望无线网络信号能 够覆盖生活的每个角落，甚至是铁路列车。旅客希望能够在列车上高速率地、 快捷地接入公共互联网，从而享受网络提供的各种服务。这种铁路列车上的 信息服务要求对车地通信技术提出了严峻的挑战，而现有的车地通信技术已 经难以满足上述业务需求，因此有必要研究并设计种更有效的车地通信技 术来满足上述业务需求。 为满足新的业务需求，本文提出一种基于无线m e s h 网络的车地通信技 术实现方案：由车载终端无线节点移动接入沿路布置的无线m e s h 网络，从 而通过无线m e s h 网络连接地面的公共互联网络。同时，车载终端作为网关 节点在车厢内部搭建局域网为旅客提供公共互联网络服务。无线m e s h 网络 在第一、二层采用i e e e 8 0 2 1 1 b 儋协议，在第三层采用t c p i p 协议族中的i p 协议。而在无线m e s h 网络的二、三层之间，本文增加了无线m e s h 层，该层 被用实现无线m e s h 网络中的车载终端移动接入以及无线m e s h 网络路由、代 理、快速切换等功能。 本文在分析利用基于无线m e s h 网络的车地通信技术解决车地通信问题 的可行性后，设计并实现了车地通信所需无线m e s h 网络设备的软硬件。之 后，对车地通信无线m e s h 网络设备性能进行了测试，并搭建了基于无线m e s h 网络的车地通信测试环境进行了仿真测试。最后，本文指出了基于无线m e s h 网络的接入方案在车地通信应用中的特点。 关键词：车地通信；车地通信无线m e s h 网络；路由；代理；快速切换 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n di n t e m e t ，p e o p l e a r ee x p e c t i n gt h a te v e r yc o r n e rc a l lb ec o v e r e db yw i r e l e s sn e t w o r k ，a n de v e ni n t r a i n p a s s e n g e r sh o p et h a tt h e yc a nr a p i d l ya c c e s st oi n t e m e ti nt h et r a i nt og e t v a r i o u ss e r v i c e sw i t hh i g hd a t ar a t e t h ep a s s e n g e r sa c c e s sd e m a n dt ot h ep u b l i c i n f o r m a t i o nn e t w o r ko nt h er a i l w a yi sa na u s t e r ec h a l l e n g ef o rv e h i c l e g r o u n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n dt h ee x i s t i n gm o b i l ea c c e s st e c h n o l o g yi ss t i l l d i m c u l tt om e e tt h ea b o v en e e d t h e r e f o r e i ti s n e c e s s a r yt or e s e a r c ha n d d e v e l o pas o r to fm o r ee f f e c t i v ev e h i c l e g r o u n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt o m e e tt h es e r v i c ed e m a n d i no r d e rt om e e tt h en e ws e r v i c ed e m a n d ，t h i s t h e s i s p r o p o s e st h e v e h i c l e - g r o u n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k s c h e m e ：t h ev e h i c l ec a nc o n n e c tw i t hg r o u n ds c h e d u l ec e n t e ra n dg r o u n dp u b l i c i n t e r n e tn e t w o r kv i at h ew i r e l e s sn o d eo fv e h i c l e c a r r i e dt e r m i n a la c c e s s i n gt o t h ew i r e l e s sm e s hn e t w o r kw h i c hi s d i s p o s e di nr o a d s i d ei nm o b i l ew a y t h e v e h i c l es c h e d u l es t a t i o nc o m m u n i c a t e sw i t ht h eg r o u n dc o n t r o lc e n t e rt h r o u g ht h e v e h i c l e c a r r i e dt e r m i n a l ；s i m u l t a n e o u s l yt h ev e h i c l e c a r d e dt e r m i n a lc a nd oa s t h eg a t e w a yn o d ei n s i d et h et r a i nt ob u i l dl o c a la r e an e t w o r ki nt h ec o m p a r t m e n t i n t e r i o rt op r o v i d et h ep u b l i ci n t e r n e ts e r v i c ef o rt h ep a s s e n g e r t h ew i r e l e s s m e s hn e t w o r ka d o p t si e e e s 0 2 1 1 b gp r o t o c o lo nl a y e r1 ( l 1 ) a n dl a y e r2 ( l 2 ) ， a n di pp r o t o c o lo ft c p i pp r o t o c o lo nl a y e r3 ( l 3 ) a n db e t w e e nl 2a n dl 3i n t h ew i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，an e wl a y e r , n a m e dw i r e l e s sm e s hn e t w o r kl a y e r , w h i c hi su s e dt oi m p l e m e n tt h em o b i l ea c c e s so fv e h i c l e - c a r r i e dt e r m i n a l ，r o u t i n g ， n e t w o r km a n a g e m e n ta n df a s th a n d o f ff u n c t i o ni nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k a f t e ra n a l y z i n gt h ef e a s i b i l i t yt ou t i l i z et h ev e h i c l e g r o u n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yb a s e do nw i r e l e s sm e s hn e t w o r kt os o l v et h ep r o b l e mo fv e h i c l e c o m m u n i c a t i o n ，t h i st h e s i sd e s i g n sa n di m p l e m e n t st h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo f 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 t h ew i r e l e s sm e s hn e t w o r ke q u i p m e n tw h i c hi sn e e d e db yt h ev e h i c l e - g r o u n d c o m m u n i c a t i o n a n dt h e n ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h et e s to ft h ew i r e l e s sm e s h n e t w o r k e q u i p m e n tp e r f o r m a n c e ，a n d t h es i m u l a t e de n v i r o n m e n to ft h e v e h i c l e g r o u n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e d o nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k f i n a l l y , t h i st h e s i sc o n c l u s i o np o i n t so u tt h em e r i t sa n ds h o r t c o m i n g so ft h e v e h i c l e g r o u n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k a c c e s ss c h e m ei nv e h i c l e g r o u n dc o m m u n i c a t i o na p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：v e h i c l e - g r o u n dc o m m u n i c a t i o n ；w i r e l e s sm u l t i - h o pn e t w o r k ；r o u t e ； p r o x y ；f a s th a n d o f f 西南交通大学曲南父遗大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密囹，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名错苏 日期。可。7 指导老师签名南巡之， 日期： o 夕垆弩 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、论文提出了一种基于无线m e s h 网络的车地通信技术实现方案：由车 载终端无线节点移动接入沿路布置的车地通信无线m e s h 网络，从而通过无 线m e s h 网络实现列车的旅客信息无线宽带接入。 2 、论文提出了一种在车地通信无线m e s h 网络内基于m a c 地址寻址的 2 层树形路由算法。 3 、论文提出了一种在车地通信无线m e s h 网络内的二层广播风暴控制算 法。 4 、论文提出了一种在车地通信无线m e s h 网络内同一信道上的基于预切 换表的二层快速切换算法。 依稚h 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文研究背景 在当前世界环境下，交通运输越来越成为影响国民经济和国家综合实力 的重要因素。因此作为主要运输力量的铁路运输得到了世界各国的重视【l 】。 特别是近来，随着经济的飞速发展，铁路运输在世界各国都得到了较大的发 展。另一方面，近年来全世界范围内信息网络技术发展迅猛发展，公共互联 网络越来越及，人们习惯于从互联网上获取各种信息。特别是随着无线宽带 接入技术的发展，人们越来越希望无线网络信号能够覆盖生活的每个角落， 甚至是在铁路列车上。人们希望能够在铁路列车上高速率地、快捷地接入公 共互联网，从而享受网络提供的各种服务。 这种铁路列车上的接入网服务要求对车地通信无线接入技术提出了严峻 的挑战。在铁路列车快速移动的情况下，用户接入后的路由问题、代理问题、 快速功率控制问题和快速切换控制问题等都是车地通信的难题。虽然近年来 车地通信技术也在世界范围内被越来越多的研究，但与铁路运输整体行业的 蓬勃发展相比，车地通信技术尚处于滞后状态。现今尚无一种车地通信技术 具有明显的优势，从而被大规模地用在全世界范围内【6 7 j 。 为解决车地通信问题，本文尝试从无线多跳网络的角度提出一种新的技 术解决方案，并希望本文技术研究能为车地通信研究指出一个具有实际意义 的、方法可行的研究方向。因此，本文提出一种基于无线m e s h 网络的车地 通信技术实现方案【1 2 】：由车载终端无线节点移动接入沿铁路布置的无线m e s h 网络，从而通过无线m e s h 网络连接地面上的公共互联网络。同时车载终端 作为网关节点在车厢内部搭建局域网为旅客提供公共互联网络服务。 1 2 国内外研究现状 随着铁路运输发展和信息网络的普及，近年来车地通信技术在全世界范 围内有了长足的发展。目前主要的车地通信技术有专用泄漏电缆方案、蜂窝 系统方案、卫星通信方案、以及w i m a x 技术方案【2 ，6 】。本文接下来将列出各 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 种技术方案的发展状况及优缺点。 1 2 1 泄漏电缆方案 日本电话电报公司( n i p p o nt e l e g r a p h & t e l e p h o n e ) 在2 0 0 9 年初采用泄 漏电缆方案为新干线上行驶的n 7 0 0 型高速列车( 最高时速3 0 0 k m h ) 提供 w i f i 服务【2 1 。n t t 利用随列车运动的泄漏电缆提供速度约为2 m b p s 的w i f i 服务，泄漏电缆负责接收和发送无线信号瞵j 。泄漏同轴电缆是一种在同轴电 缆外导体的纵面方向，以一定的间隔和不同形式开槽的特制同轴电缆。开槽 的目的是为了使其电信号能量能从电缆槽口辐射出来，以达到向外传播和接 收外来无线电波的目的，好比是为无线电波的进出洞开了一扇“大门”。开槽 的形式则取决于所使用的无线电波的频段。泄漏同轴电缆通信就是以同轴电 缆作无线电台的天线，用它进行通信，可在一定范围内产生均匀的信号场强， 而不受周围环境的影响，通信可靠性高，也不存在通信盲区，接收电平稳定， 不容易受到外来信号干扰。泄漏同轴电缆系统可以提供多信道服务，例如， 使用4 0 0 兆赫频段，频率间隔2 5 千赫时，可以提供2 4 个通信信道，可以用 来传输话音( 调度电话和公用电话) ，也可进行数据传输。 泄漏电缆方案可以为高速列车上的旅客提供稳定的2 m b p s 的车地通信 带宽，但是其信号覆盖范围因为受同轴电缆传输损耗的限制而较小，并且实 施该方案造价昂贵、安装要求高，并不适合大范围推广使用。 1 2 2 蜂窝系统方案 基于成熟的2 g 及发展中的3 g 蜂窝通信技术，基于蜂窝系统的技术方案 也在车地通信中得到了应用。专用移动通信系统g s m r ( g s mf o rr a i l w a y ) 就是一种基于蜂窝系统的车地通信技术方案，它在欧洲一些国家得到了应用 1 5 1 。g s m r 是一种基于目前世界最成熟、最通用的公共无线通信系统g s m 平台上的、专门为满足铁路应用而开发的数字式的无线通信系统，针对铁路 通信车辆调度、车辆控制、支持高速车辆等特点，为铁路运营提供定制的附 加功能的一种经济高效的综合无线通信系统【_ 7 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 g s m r 方案虽然有着诸多的优点，尤其是可以提供信息的连续接入，但 最为关键的技术指标接入带宽仍然取决于蜂窝移动通信整体技术的现状，本 质上仍然是2 g 移动通信技术，在移动环境下，带宽只有几k b p s ，对于目前 习惯宽带服务的用户来说，这种速度是无法忍受的，并且该系统最重要的功 能是提供无线列车调度，无论从带宽或安全等方面来看，均无法提供旅客信 息网络服务一j 。 1 2 3 卫星通信方案 基于卫星技术的车地通信方案也在各国得到了广泛的应用【2 j 。2 0 0 8 年， 法国t g v 把卫星技术、g p r s ( 通用无线分组业务) 和u m t s ( 通过移动通 信系统) 技术与w i f i 技术相结合，为时速可达3 2 0 k m h 的列车提供互联网服 务。目前的无线服务尚处于测试阶段，为旅客提供w i f i 功能的设备提供2 m b p s 的下行速率和5 1 2 k b p s 的上行速率【3 1 。这种因特网接入是由卫星和覆盖了隧 道及车站的地面w i f i 中继器共同实现的。这是一种双向的卫星系统，当卫星 不能覆盖到列车时，w i f i 中继器将会接管无线接入，使上传和下载业务不会 中断【4 1 。 卫星通信方案可以一定程度上解决高速车地通信问题，但该方案在 3 0 0 k m h 的高时速下并不能很好地保证网络连接的稳定性。列车运行产生的 电磁干扰、隧道、桥梁及树枝的遮挡都可能严重干扰卫星信号。因为这种方 案目前尚不成熟，无法大范围推广。 1 2 4w i m a x 技术方案 2 0 0 8 年6 月，台湾工业技术研究院领导的企业技术联盟希望运用移动 w i m a x 技术来提供列车宽带网络解决方案，将在台湾铁路线上建立一个移动 w i m a x 示范系统并进行相关测试【3 1 。这将是全球第一个建立在铁路线上的移 动w i m a x 测试系统，同时也将作为全球高速环境宽带接入发展的一个参考。 w i m a x 是一种无线城域网( m a n ) 技术，它可向固定、游牧、便携和移动的 终端设备提供宽带无线连接，还可用来连接8 0 2 1 1 热点与因特网，提供校园 连接，以及在最后1 公里宽带接入领域作为c a b l e 和d s l 的替代品。目前， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 已经有一些移动w i m a x 成功经验，例如，英国在伦敦和布莱顿之间的特快列 车上安装了w i m a x 天线，可与沿线的w i m a x 网连接，最高通信速率达 3 2 m b p s 。又如，在奥地利新民湖举办的世界航海锦标赛上，通过w i m a x 网 从一艘速度约2 0 k m h 的游艇上实况转播了世界航海竞标赛的场景，整个转 播行程超过4 0 公里。2 0 0 8 北京奥运会青岛分会场也采用了w i m a x 网络技术 【6 】 o 由于w i m a x 技术存在着诸多优点，譬如很远的传输距离、高速的宽带接 入、优良的最后一公里网络接入服务、很好的多媒体服务，w i m a x 技术已经 成为近几年来各国研究的热点问题之一。然而，w i m a x 技术在列车的应用尚 处于研究的初始阶段，现阶段还存在尚未解决的问题。因此，w i m a x 技术优 势尚未在车地通信应用中完全体现，目前尚不能大范围推广。 1 3 论文研究内容 综合上文描述，当前世界范围内尚没有一种接入方案可以很好地解决车 地通信问题，并且大范围地得到推广。在这样的情况下，本文尝试应用无线 m e s h 网络技术来提出一种新的解决车地通信技术问题的方法。无线m e s h 网 络( w m n ，w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，无线网状网) 基于i e e e 组织制定的 i e e e 8 0 2 1 l s 标准，是近几年通信领域的研究热点之一【1 4 】。它可以看作是传 统无线局域网( 简称w l a n ) 与移动a dh o c 网络相融合的产物。因为无线 m e s h 网络技术同时拥有w l a n 络和移动a dh o e 网络高吞吐率、快捷接入、 自动组网、成本低廉、支持快速切换等特点【1 5 l ，本文将无线m e s h 网络技术 针对车地通信的特殊场景进行适当的改进后应用于车地通信中。 本文提出一种基于无线m e s h 网络的车地通信技术实现方案：由车载终 端无线节点移动接入沿路布置的无线m e s h 网络，从而通过无线m e s h 网络连 接地面调度中心和公共互联网络。对于基于无线m e s h 网络的车地通信技术 的实现，本文的工作内容在于设计实现能够用在车地通信系统中的无线m e s h 网络设备，并在车地通信网络中实现快速切换。 对于无线m e s h 网络设备的设计，本文在硬件平台上采用x 8 6 芯片及 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 a t h r o s 无线网卡；而本文在软件平台上采用l i n u x 精简操作系统及a t h r o s 无 线网卡驱动，并在无线网卡驱动中嵌入m e s h 功能模块以支持其实现车地通 信功能。本文工作重点是设计m e s h 功能模块，使无线m e s h 网络设备具有支 持车地通信所需要的所有功能：如二层路由、代理和快速切换等。 1 4 论文结构安排 论文第一章介绍车地通信技术研究背景、国内外研究现状以及本文研究 内容和文章结构安排。第二章概括性地介绍无线m e s h 网络及其在车地通信 中的应用。第三章从总体上介绍用来实现车地通信的无线m e s h 网络设备的 硬件结构设计和协议栈结构设计。第四章是论文的主要部分，将主要介绍用 在车地通信中的无线m e s h 网络设备驱动中的m e s h 功能模块的数据收发设 计，其中包括路由设计、代理设计、节点管理设计、广播控制设计及网卡收 发设计。第五章详细介绍车地通信用无线m e s h 网络设备如何在车地通信中 实现快速切换。第六章用设计实现的车地通信用无线m e s h 网络设备搭建各 种车地通信场景测试通信性能，其中包括多跳吞吐率测试、时间延迟测试、 低速和快速速切换测试。最后通过一系列的测试得到无线m e s h 网络设备应 用在车地通信系统中的性能结论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章无线m e s h 网络在车地通信中的应用 2 1 无线m e s h 网络概述 2 1 1 无线m e s h 网络特点 无线m e s h 网络( w m n ，w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ) 是一种新型的宽带无线 网络结构，即一种高容量、高速率的分布式网络【l l o5 1 。无线m e s h 网络是近 几年国内外无线技术领域最重要的研究热点之一，它遵循i e e e 组织制订的 8 0 2 。1 1 s 协议标准。无线m e s h 网络是一种不同于传统w l a n 的网络，传统 的w l a n 必须先访问接入点( a p ，a c c e s sp o i n t ) 才能进行无线连接，且不允许 多跳接力传输f 1 9 1 ；另一方面无线m e s h 网络又是一种不同子移动a dh o c 网络 的网络，a dh o c 网络节点是完全对等的，不能接受其它终端设备的接入。无 线m e s h 网络可以简单地看作是w l a n 与移动a dh o c 网络的融合，因此无 线m e s h 网络很好地融合了w l a n 络与移动a dh o c 网络的特点1 1 6 - 1 8 ： 1 )自组织网络，能够快速部署并且易于安装。因为无线m e s h 网络是自组 织网络，因此m e s h 网络节点的安装非常简单，只需要取出设备插上电源就 可以： 2 )多跳组网，网络健壮性好。在无线m e s h 网络中，如果某个网络节点发 生故障后，信息仍然可能由其它节点转发，因为无线m e s h 网络比单跳网络 更加健壮，它不依赖于某一个节点的性能； 3 ) 较高的网络吞吐率。无线m e s h 网络节点间拥有高达5 4 m b p s 的吞吐率， 另外无线通信的物理特性决定了通信传输的距离越短就越容易获得高吞吐 率，因此多跳组网的无线m e s h 网更容易获得更高的网络吞吐率； 4 )组网灵活，价格低廉。无线m e s h 网能够提供标准w l a n 终端设备的接 入，而这些设备现今已越来越普及且价格低廉； 5 )工作频率免费。无线m e s h 网工作在2 4 g 免费频段，在当今无线频谱资 源越来越宝贵的情况下，这是一个不容小视的优点； 6 )q o s 保证及拥塞控制：无线m e s h 网络内部可以实现二层q o s 保证、拥 塞控制，从而保证无线m e s h 网络性能； 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 7 1支持移动；无线m e s h 网络允许接入终端在网络内部移动接入。 2 1 2 无线m e s h 网络典型组网结构 在承袭了w l a n 络与移动a dh o c 网络的优点后，无线m e s h 网络组网 灵活方便，并且具有自动组网及网络自愈能力 2 0 1 。无线m e s h 网络通过m e s h 网关节点连接到外部网络，由主要的m e s h 节点组成基本固定的主干网络。 无线m e s h 主干网络在其覆盖范围内提供标准终端接入服务，其接入终端可 以是一切传统的遵循8 0 21 l b g 标准协议的网络终端设备，包括个人电脑、 p d a 终端、w i t i 手机等。同时，遵循8 0 21 i s 标准协议的网络终端设备也可 以接入无线m e s h 主干网，并且能够顺利地在主干网的各个m e s h 节点问实现 快速切换。 + + 同珞下层 蔓 ：蔓手提电脑 毫w m 手机 蔓 图2 - 1 无线m e s h 网络典型组网图 无线m e s h 网络的典型组网图如图2 - 1 所示，其主干网络由以下3 种节 点组成：m e s h 网关节点( m p p , m e s h p o r t a lp o i n t ) 、一般m e s h 节点( m p ，m e s h p o i n t ) 以及m e s h 接入节点( m a p , m e s ha c c e s sp o i n t ) 。这三种类型的网络 节点有各自的功能与角色：m a p 与传统w l a n 站点兼容，负责接受 i e e e s 0 21 l b g 标准终端接入，并且可以在m e s h 网络与传统w l a n 站点之 间进行数据交换：m p 节点专门负责转发m e s h 网络内部的数据转发，它没有 、心一 q - ， 一 ： ， 谶 秽一一 、。、迪一鼍、| 一 霪 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 接受终端接入的功能：m p p 节点是m e s h 网络最重要的节点，它作为网关节 点负责整个m e s h 网络与外网的数据交互，并且提供i e e e s 0 2l l b g 标准终端 的接入功能m 】。由m p p 、m a p 及m p 组成的m e s h 主干网络一般被称为无线 m e s h 上层网络，而无线m e s h 网络下层网络由接入m e s h 主干网的各种终端 组成。 2 2 无线m e s h 网络在车地通信中的应用 综上一节所述，无线m e s h 网络综合w l a n 与移动a dh o c 网络的特点 后具有许多适合用于车地通信场景中的优点。另一方面，车地通信特殊场景 有其固有的特点，如网络拓扑结构呈线状或交叉线状、基本网络拓扑结构相 对固定、要求实现快速接八和快速切换等。因此，本文尝试将遵循8 0 21 1s 协议标准的无线m e s h 网络针对车地通信场景加以适当的改进，使其更好地 应用在车地通信场景中p 】。 。， 。p m a p火车站i 鎏蚤。，。，i v i a p pm ! 蝉靖 m a pm a p 剀目1 - _ 划。让。划。魁剀 图2 2 无线m e s h 网络在车地通信场景麻用图 图2 - 2 是本文采用的基于无线m e s h 网络的车地通信场景示意图。根据 无线m e s h 网络设备在车地通信系统中的不同应用，本文将车地通信无线 m e s h 网络设备分为三类：m m s ( m e s h m o b i l es t a t i o n ) 、m a p ( m e s h a c c e s s p o i n t ) 和m p p ( m e s h p o r t a l p o i n t ) 。其中m m s 称为m e s h 移动终端或者m e s h 车载终端，随车一同移动接入m e s h 主干网，并负责向车厢内网络用户提供 标准终端接入网服务；m a p 称为m e s h 网接入点，它沿铁路线布置构建m e s h 莹 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 主干网络，并且同时提供m m s 移动接入服务和标准终端接入服务；m p p 称 为m e s h 网关节点，它用来连接无线m e s h 网和车站专用有线网络或公共有线 网络。火车上的网络用户用8 0 2 1 l b g 无线标准终端设备接入由随车运行的 m m s 所组织的车厢内局域网，再通过m m s 移动接入m e s h 主干网，最后通 过m e s h 主干网与公共互联网络连接。 图2 2 中，由m a p 和m p p 组成的、相对固定的沿铁路线的覆盖网络被 称为车地通信无线m e s h 主干网或车地通信无线m e s h 上层网络，它能够为遵 循8 0 2 1 l b g 协议标准的终端用户提供接入服务，同时还能够为遵循8 0 2 1 l s 协议标准的m m s 提供移动接入服务；另一方面，遵循8 0 2 1 l s 协议标准的 m m s 和遵循8 0 2 1 l b g 协议标准的终端用户则被称为车地通信无线m e s h 网 络下层。 2 3 车地通信无线m e s h 网络设备硬件系统 综合本文前章所述，基于无线m e s h 网络的车地通信技术研究的重点在 于：根据无线m e s h 网络的原理和车地通信的场景特点，设计并实现应用在 车地通信场景中的无线m e s h 网络设备，使其支持车地通信所需要的所有功 能。本文称该设备为车地通信无线m e s h 网络设备，它具体包括m m s ( m o b i l e m e s hs t a t i o n ) 、m a p ( m o b i l ea c c e s sp o i n t ) 和m p p ( m o b i l ep o r t a lp o i n t ) = 种网 络设备。 本文为各种车地通信无线m e s h 网络设备提供相似的硬件作为开发开台， 均采用x 8 6 主板和无线8 0 2 1 l b 儋无线网卡作为设备主要硬件，但根据设备 功能和使用场景的不同，m m s 、m a p 和m p p 在无线网卡的配置上稍有不同。 车地通信无线m e s h 网络设备硬、软件开发平台主要采用研扬公司开发的x 8 6 芯片主板p c m 8 1 5 0 、a t h r o s8 0 2 1 1 b 儋无线网卡、l i n u x 精简操作系统、 m a d w i f i 无线网卡开源代码。 p c m 8 1 5 0 主板能够支持较大的c p u 处理能力、内存需求，且自带两个 p c i 插槽能够方便地安装a t h r o s 无线网卡。a t h r o s 无线网卡能够加载m a d w i f i 代码。车地通信无线m e s h 网络设备实现车地通信所需要的m e s h 网络功能都 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 将在m a d w i f i 无线网卡代码中实现。另外，a t h r o s 无线网卡为普通的室内型 无线网卡，经实验测得其在室外开阔地的最大的通信距离约为1 5 0 m 左右。 为满足车地通信需求，本文采用由爱利特公司生产的2 4 g 频段的2 w 功率放 大器来增加无线网卡的信号覆盖范围。本文最后根据车地通信无线m e s h 网 络设备的应用环境，定制专业的机箱来安装上述所有选用设备，并方便m a p 和m p p 在室外的安装，以及m s s 在车厢内的安装。 2 4 车地通信无线m e s h 网络设备网卡配置 如前所述，本文为各种车地通信无线m e s h 网络设备均提供相似的硬、 软件开发平台。但是根据各自不同的功能及应用场景，m m s 、m a p 和m p p 在网卡配置及m e s h 功能模块设计上稍有不同。本文后面部分将详细阐述 m m s 、m a p 和m p p 不同的硬件、软件设计。 2 4 1m m s 网卡配置 m m s 安装在车厢内随车移动，在移动过程中m m s 可以接入路旁由m a p 和m p p 构建的无线m e s h 主干网，同时m m s 也可以为车厢内的8 0 2 1 1 b 儋 无线用户提供接入网服务，或者m m s 通过有线网接口为车厢内组建有线局 域网并实现车厢内局域网与车外m e s h 主干网互相通信。因此，m m s 在保证 有一张无线网卡负责接入m e s h 主干网后，可以有多种配置选择。 透明网矫 l 无线网卡1无线网卡2 i ( 传统w i a n 驱动) ( m m s 设备享匪动) 图2 - 3m m s 双无线网卡配置图 如图2 3 所示，m m s 可以选择两张无线网卡的配置方式：一张无线网卡 负责接入m e s h 主干网；一张无线网卡在另一频率工作在普通a p 模式下负责 给车厢内的无线用户提供8 0 2 1 l b g 标准接入服务。采用双无线网卡结构设 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 计之后，为了使两张网卡形成一个整体，本文选用l i n u x 下的开源软件网桥 b r i d g e u t i l s ，并将其安装在两张无线网卡驱动之上用以桥接两张无线网卡。 透明网桥则负责在两个网络之间进行数据桥接，使传统w l a n 的数据能够进 入m e s h 主干网络，同时也使m e s h 网络的数据能够进入传统w l a n 网络。 如此，相对于i p 层及以上层次来讲，两张无线网卡就成为一个整体，同时连 接车厢外m e s h 主干网和车厢内用户接入网，并最终通过m e s h 主干网连接车 站专有网络或公共网络。而由于网卡功能的不同，两张网卡将采用不同的驱 动模块：其中一张网卡安装m m s 设备驱动模块，负责提供移动接入m e s h 主干网的功能；而另一张网卡只安装传统的w l a n 驱动模块，负责提供 8 0 2 1 1 b g 标准接入功能。 如图2 - 4 所示，m m s 同样可以选择一张无线网卡和一张有线网卡的配置 方式：一张无线网卡同样负责接入m e s h 主干网；另一张有线网卡为车厢内 用户提供有线接入网服务，或者通过无线a p 为车厢内用户提供无线接入网 服务。本文同样透明网桥桥接无线网卡和有线网卡，通过网桥来连接车厢内 的用户接入网和车厢外的m e s h 主干网，并最终通过m e s h 主干网连接车站专 有网络或公共网络。同理，该配置模式下的无线网卡将安装m m s 设备驱动 模块，负责提供移动接入m e s h 主干网的功能；有线网卡使用的则是一般有 线网卡的驱动，它能与其他有线节点进行以太网数据的交互。 透明网桥 有线网卡无线网卡 ( 普通有线网卡驱动)( i v l m s 设备 医动) 图2 4m m s 单无线网卡和单有线网卡配置图 2 4 2m a p 网卡配置 m a p 布置在铁路沿线构建车地通信无线m e s h 主干网，同时m a p 又能 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 够接受m m s 移动接入和普通标准终端的接入。为提高网络性能和设计方便， 本文采用如图x x 所示的双网卡结构设计：用一张无线网卡参加无线m e s h 主 干网络组网、并为m m s 提供m e s h 接入；而另一张网卡工作在另一频率只 负责提供标准终端的接入服务。 透明网挢 无线网卡1无线网卡2 ( 传统w l a n 驱动)( m a p 设备驱动) 图2 5m a p 双无线网卡配置图 m a p 双无线网卡配置如图2 5 所示，两张无线网卡通过透明网桥相连接， 从而形成一个整体。如此，m a p 就能够同时为m e s h 车载终和普通标准终端 提供接入服务，并且两个接入子网的工作频率不同、二层数据帧结构不同， 而且各个子网都独享整张网卡的带宽大小。由于网卡功能的不同，两张网卡 将采用不同的驱动模块：其中一张网卡安装m a p 设备驱动，拥有提供m m s 移动接入和m e s h 主干网路由、代理、切换等各种m e s h 网功能；而另一张网 卡只安装传统的w l a n 驱动模块，负责提供8 0 2 1 1 b 儋标准接入功能。 2 4 3m p p 网卡配置 透明网矫 有线网卡无线网卡 ( 有线网卡享匪动)( i v i p p 设备驱动) 图2 - 6m p p 单无线网卡和单有线网卡配置图 m p p 是m e s h 网的网关节点，所以m p p 在m e s h 主干网m e s h 服务和提 供m m s 移动接入功能外，还拥有与外部有线网相连接的功能。而m a p 提供 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 的8 0 2 1 l b g 标准接入功能，对于m p p 来说并不是必要的。因此，本文在 m p p 的设计上采用如图2 - 6 所示的一张无线网卡和一张有线网卡的设计结 构。 同理，有线网卡和无线网卡通过透明网桥相连接形成一个整体。有线网 卡同样安装一般的有线网卡驱动，负责与外部有线网络进行连接；无线网卡 安装m a p 设备驱模块，该驱动模块与前文所述m a p 设备驱动模块相同，负 责提供m m s 移动接入和m e s h 主干网路由、代理、切换等各种m e s h 网功能。 事实在前文所述的m a p 上添加一张有线网卡与两张无线网卡进行桥接即可 以完成m p p 的功能。在车地通信场景中，m a p 与m p p 功能及软硬件结构基 本相同，因此本文将不对m a p 与m p p 进行区分，如无特别提醒，下文中所 提及的m a p 均包括m p p 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章车地通信无线m e s h 网络系统协议设计 3 1 车地通信无线m e s h 网络层帧结构 3 1 1 无线m e s h 层 在车地通信场景中，m a p 组成无线m e s h 主干网，而m a p 同时提供无 线标准接入网。无线m e s h 主干网与无线标准接入网在第一、二层均采用 i e e e 8 0 2 1 l b g 协议，第三层采用t c p i p 协议族中的i p 协议。为了支持无线 m e s h 层多跳路由、终端代理、快速切换等各种功能，本文在第一、二层间增 加无线m e s h 层。无线m e s h 层位于第一、二层之间，又称为2 5 层，该层规 定了m m s 在车地通信无线m e s h 主干网络中的接入方法、数据帧在无线m e s h 网络中的传输方式、q o s 保证机制以及快速切换方法等。 享 争 层 图3 1 车地通信无线m e s h 网络设备协议栈图 车地通信无线m e s h 网络设备协议栈的设计如图3 1 所示：车地通信无 线m e s h 网络设备可能包含有一张或两张无线网卡，其中一张网卡( m a p 组 织m e s h 主干网并提供m e s h 接入的网卡) 参加m e s h 网络组网；另一张网卡 提供普通的8 0 2 1 1 b 僮标准接入服务。所有无线网卡在一、二层均加载普通 的8 0 2 1 l b g 无线网卡驱动程序，而车地通信无线m e s h 网络设备参加m e s h 网络组网的无线网卡在二、三层间的无线m e s h 层加载无线m e s h 功能模块。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 本文将无线m e s h 功能模块及普通的8 0 2 1 1 b g 驱动模块组合在一起称为车地 通信无线m e s h 网络设备驱动模块。根据车地通信无线m e s h 网络设备不同， 车地通信无线m e s h 网络设备驱动模块包括m m s 设备驱动模块和m a p 设备 驱动模块。两张网卡在驱动模块完成之后，由二层网桥相连接成为一个整体。 3 1 2 无线m e s h 层帧结构 如前文所述，车地通信无线m e s h 网络设备的无线m e s h 层负责提供路由、 代理、切换等各种m e s h 网络功能和m e s h 网络移动接入功能【5 j 。车地通信无 线m e s h 网络设备在m e s h 层通过m e s h 帧来运行和维护本文所设计的路由、 代理、切换等各种协议，并通过实现这些协议来支持和维护所有的m e s h 功 能。因此，无线m e