可快速切换的地铁无线通信系统及方法与流程

1.本发明涉及通信领域，尤其涉及一种可快速切换的地铁无线通信系统及方法。


背景技术：

2.目前地铁地铁视频监控系统的清晰度越来越高，路数越来越多，对车地无线通信的要求也越来越高。wifi无线通信协议(ieee802.11)作为一种稳定、便捷的局域网通信手段，已经在室内环境中取得了长足的发展。随着室内通信需求的不断提高，wifi无线网络面临着从原始的单一轨旁基站网络(发射基站)向多轨旁基站网络的转换的问题。虽然在802.11kv协议为移动端(车载无线单元)提供了下一次切换和漫游的目标信息表。但是并没有解决在切换过程中需要过长时间来扫描合适切换目标的问题。
3.在实际的隧道环境中通常轨旁基站采用不同的频率进行组网，因而在车辆运行过程中需要在多个频率间切换扫描。在标准的wifi协议下，扫描所有的频段将消耗大量的通信时间，从而导致通信带宽下降和通信时延的上升。
4.如图1所示，4个轨旁基站采用4个不同频率进行组网，sta在扫描时，则需要连续扫描4个不同的频段。
5.而在地铁车地无线通信系统中，对于切换时延、传输时延和丢包率有着严格要求(切换时延小于50ms，传输时延小于50ms)。因此，普通的wifi切换协议并不能完全满足要求。


技术实现要素：

6.本发明主要目的是提供一种可以减少扫描轨旁基站的时间，从而有效减少切换时延的可快速切换的地铁无线通信系统及方法。
7.本发明所采用的技术方案是：
8.提供一种可快速切换的地铁无线通信方法，包括以下步骤：
9.轨旁基站不断向地铁上的车载无线单元发送邻居列表，该邻居列表包含beacon帧和邻居信息帧，该邻居信息帧包括根据地铁运行方向确定的邻居关系表，具体包括作为主要切换目标的相邻轨旁基站信息；
10.车载无线单元接收当前接入的轨旁基站发送的邻居列表，并根据该邻居列表扫描相应轨旁基站的信号状态；
11.车载无线单元判断邻居列表中的轨旁基站信号是否优于当前接入轨旁基站信号，若是，则进行轨旁基站切换。
12.接上述技术方案，当需要进行轨旁基站切换时，中断与当前轨旁基站的连接，并通过当前轨旁基站将未发完的数据转发给即切入目标轨旁基站。
13.接上述技术方案，该邻居信息帧还包括作为次要切换目标的相邻轨旁基站信息，当主要切换目标的轨旁基站发生故障无法切入时，则通过该次要切换目标切入。
14.接上述技术方案，邻居信息帧中的主要切换目标至少为一个。
15.接上述技术方案，邻居信息帧中的轨旁基站信息包括ip和工作频率。
16.接上述技术方案，当需要进行轨旁基站切换时，车载无线单元向当前轨旁基站发起切换请求，当前轨旁基站回应该切换请求并终止连接，并通过有线网络向切入目标轨旁基站发送车载无线单元的信息和未传输数据。
17.接上述技术方案，当需要进行轨旁基站切换时，车载无线单元向切入目标轨旁基站发起切换接入请求，切入目标轨旁基站回应该切换接入请求并完成接入，同时发送邻居列表。
18.本发明还提供了一种可快速切换的地铁无线通信系统，包括：
19.多个轨旁基站，安装在轨道旁，并处于不同的频段，每个轨旁基站不断向地铁上的车载无线单元发送邻居列表，该邻居信息帧包括根据地铁运行方向确定的邻居关系表，具体包括作为主要切换目标的相邻轨旁基站信息；
20.车载无线单元，安装在地铁上，用于接收当前接入的轨旁基站发送的邻居列表，并根据该邻居列表扫描相应轨旁基站的信号状态；判断邻居列表中的轨旁基站信号是否优于当前接入轨旁基站信号，若是，则进行轨旁基站切换。
21.接上述技术方案，该邻居信息帧还包括次要切换目标的轨旁基站信息，当主要切换目标的轨旁基站发生故障无法切入时，则通过该次要切换目标切入。
22.接上述技术方案，车载无线单元包括相分离的收发天线。
23.本发明还提供了一种计算机存储介质，其内存储有可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序用于实现上述技术方案的可快速切换的地铁无线通信方法。
24.本发明产生的有益效果是：本发明在原有的wifi标准协议上进行修改，设计了根据地铁运行方向确定的邻居关系表，该邻居关系表中存在设定好的指定切换目标，通过轨旁基站下发邻居关系表，接入的车载无线单元可以通过邻居关系表来减少侦听目标，从而节约扫描时间。
25.进一步地，车载无线单元通过分离收发天线来进一步减少系统在扫描时间上的开销。
26.进一步地，邻居列表中包括主要切换邻居和次要切换邻居，当首要切换目标故障或所发送的信号太弱时，车载无线单元将会切换至次要切换目标上，从而可以保证系统之间的冗余备份关系。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1是在实际的隧道环境中轨旁基站采用不同的频率进行组网的结构示意图；
29.图2是地铁隧道环境下，车载无线单元沿着轨旁基站前进时车载无线单元所接收到的场强大小示意图；
30.图3是地铁隧道存在联络线等情况时无隔离墙所产生的潜在干扰信号示意图；
31.图4是存在潜在干扰信号时车载无线单元长时间无法找到切换目标的情况；
32.图5是本发明实施例邻居关系表的数据结构示意图；
33.图6是本发明实施例可快速切换的地铁无线通信方法流程图一；
34.图7是本发明实施例车载无线单元切换轨旁基站流程示意图；
35.图8是本发明实施例邻居信号判断原理示意图；
36.图9是本发明实施例可快速切换的地铁无线通信方法流程图二；
37.图10是本发明实施例车载无线单元结构示意图。
具体实施方式
38.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
39.由于地铁隧道结构的特殊性，移动终端在空间上与地面轨旁基站有着相对固定的切换顺序，从而可以根据该特性设计出满足铁车地无线通信要求的无线通信切换协议。本发明基于这一点，改进现有的通信切换协议，引入根据地铁运行方向确定的邻居关系表，在轨旁基站增加了下发邻居关系表的功能，在车载无线单元增加相应的收发邻居关系表以及根据该邻居关系表扫描指定轨旁基站和切换基站的功能。在车载无线单元扫描邻居基站时，可以根据邻居列表来明确知道需要切换的目标，从而只需要扫描该目标所在频段，因此减少了75％的扫描时间。这样可以保证扫描行为不会消耗过多的通信时间，并导致时延或丢包的发生。
40.本发明适用于地铁场景下的轨旁基站切换。假定在地铁隧道环境下，车载无线单元沿着如图1所示的轨旁基站1、轨旁基站2、轨旁基站3的顺序前进。车载无线单元所接收到的场强大小如图2所示，车载无线单元最先会接收到轨旁基站1的信号，逐渐增强到最高。在经过轨旁基站1后开始降低，轨旁基站2的信号则逐渐增强。当轨旁基站2的信号高于轨旁基站1时，则可以进行切换。车载无线单元连接轨旁基站2。轨旁基站2的信号继续增高到最高，然后再次下降。当轨旁基站3的信号强于轨旁基站2时，则车载无线单元再次切换至轨旁基站3。
41.本发明提供了一种可快速切换的地铁无线通信方法，如图6所示，包括以下步骤：
42.s1、轨旁基站不断向地铁上的车载无线单元发送邻居列表，该邻居列表包含beacon帧和邻居信息帧，该邻居信息帧包括根据地铁运行方向确定的邻居关系表，具体包括作为主要切换目标的相邻轨旁基站信息；
43.s2、车载无线单元接收当前接入的轨旁基站发送的邻居列表，并根据该邻居列表扫描相应轨旁基站的信号状态；
44.s3、车载无线单元判断邻居列表中的轨旁基站信号是否优于当前接入轨旁基站信号；若是，则转入执行步骤s4；否则不切换；
45.s4、进行轨旁基站切换。
46.进一步地，当需要进行轨旁基站切换时，车载无线单元向当前轨旁基站发起切换请求，当前轨旁基站回应该切换请求并终止连接，并通过有线网络向切入目标轨旁基站发送车载无线单元的信息和未传输数据。且接入的新的轨旁基站同时发送邻居列表。
47.本发明实施例的轨旁基站相对于标准协议而言，增加了下发邻居关系表(及邻居
列表)的功能。其他部分可以按照标准wifi协议工作。车载无线单元在接入流程中需要确认是否收到邻居关系图。邻居关系表下发采取了自定义数据帧结构。轨旁基站信息主要包括基站ip信息和其所在的工作频率信息。主要切换目标和次要切换目标最大数量均为8个。当数量不足8个时，相关数据段以0补齐。如图5所示，该邻居列表为802.11beacon帧，包含正常beacon帧和邻居信息帧，该邻居信息帧包括根据地铁运行方向确定的邻居关系表，具体包括作为主要切换目标的轨旁基站信息。本发明实施例中，轨旁基站在下发beacon时，保持100ms发送一次的频率。
48.如图7所示，该实施例中车载无线单元根据邻居列表切换轨旁基站的流程主要包括以下步骤：
49.车载无线单元启动；
50.配置无线网卡为sta模式，启动侦听模块；
51.无线网卡扫描所有可用频段；可每隔200ms调用一次扫描；
52.判断是否扫描到轨旁基站信号，若是，则无线网卡启动接入流程；
53.判断是否接入成功，若是，则收发该基站发送的业务数据，同时获取邻居列表信息；
54.获取到邻居列表信息后，根据该邻居列表信息中的切换目标选择相应的频率进行扫描；
55.对扫描结果进行信号筛选，判断目标信号状态是否比当前轨旁基站信号更好；若是，则启动切换到该轨旁基站的流程，断开目前所连接的轨旁基站，切换到当前信号最好的轨旁基站。
56.地铁在一般在隧道中行驶会按照顺序切换，但是实际上存在联络线等没有隔离墙的情况，从而导致对侧隧道可能对通信产生潜在干扰的情况，如图3、4所示。因此，为解决这个问题增加了主要切换邻居和次要切换邻居的概念。主要切换邻居是为了防止潜在干扰导致的错误切换，次要邻居则是为了防止在主要切换目标设备故障时，车载无线单元长时间无法找到切换目标的情况。
57.因此，本专利在改进实施例中，在邻居信息帧中增加作为次要切换目标的相邻轨旁基站信息，当主要切换目标的轨旁基站发生故障无法切入时，则通过该次要切换目标切入。具体根据地铁运行方向确定邻居关系列表。该关系列表中存在设定好的指定切换目标和冗余切换目标。
58.邻居关系列表中，会下发首要切换目标和次要切换目标，本发明实施例中，当地铁与轨旁基站1连接后，接收轨旁基站的数据，并同时接收其发送的邻居列表，该邻居列表将轨旁基站2作为首要切换目标，将轨旁基站3作为次要切换目标。车载无线单元会轮流扫描轨旁基站2和轨旁基站3所在频率的信道。当首要切换目标故障或所发送的信号太弱时，车载无线单元将会切换至次要切换目标上。这样可以保证系统之间的冗余备份关系。
59.当邻居列表中包含主要切换目标和次要切换目标时，其切换过程如图8所示，主要包括以下步骤：
60.大约每隔一段时间(如100ms)根据邻居列表进行扫描，先根据邻居列表中主要切换列表进行扫描，若主要切换列表为空或者无法扫描到主要切换列表中的轨旁基站信号时，则按照次要切换列表中的数据进行扫描；
61.根据邻居列表中的数据扫描到目标轨旁基站信号后，判断其信号是否高于当前所连接的轨旁基站信号超过第一强度(如9db)，若是，则找到切换目标，启动切换轨旁基站流程；若否，则继续判断当前所连接的轨旁基站信号超过第二强度(如3db)；
62.若当前所连接的轨旁基站信号超过第二强度，则统计满足该第二强度条件是否已经达到一定次数(如5次)，若是，则找到切换目标，启动切换轨旁基站流程。
63.本发明实施例可快速切换的地铁无线通信系统，主要用于实现上述方法实施例，其主要包括：
64.多个轨旁基站，安装在轨道旁，并处于不同的频段，每个轨旁基站不断向地铁上的车载无线单元发送邻居列表，该邻居信息帧包括根据地铁运行方向确定的邻居关系表，具体包括作为主要切换目标的相邻轨旁基站信息；
65.车载无线单元，安装在地铁上，用于接收当前接入的轨旁基站发送的邻居列表，并根据该邻居列表扫描相应轨旁基站的信号状态；判断邻居列表中的轨旁基站信号是否优于当前接入轨旁基站信号，若是，则进行轨旁基站切换。
66.如图10所示，该车载无线单元可包括数据收发模块、邻居处理模块、无线网卡、发送天线、接收天线。无线网卡可以按照标准wifi的工作流程正常执行数据收发，同时执行邻居信号收集的任务。在切换时，车载无线单元可以减少扫描轨旁基站的时间，从而可以有效减少切换时延。通过相分离的收发天线，来进一步减少系统在扫描时间上的开销。
67.如图9所示，上述可快速切换的地铁无线通信系统主要执行以下步骤：
68.1、车载无线单元未接入时，仅使用无线网卡进行接收；
69.2、当轨旁基站1信号较好时，使用无线网卡接入轨旁基站1，进行正常接入流程。在完成接入后，轨旁基站下发邻居信息；
70.3、无线网卡完成邻居信息收发后，系统将使用邻居处理模块每隔100毫秒通过扫描来探测在邻居列表内的轨旁基站，无线网卡则与轨旁基站1保持数据连接；
71.4、邻居处理模块收集邻居beacon后，系统将记录主要切换目标轨旁基站2和次要切换目标轨旁基站3的无线信号强度等信息，并与轨旁基站1的信号强度进行比较；
72.5、如图8所示，当轨旁基站2的信号在一段时间内持续强于轨旁基站1或轨旁基站2的信号明显强于轨旁基站1时，邻居处理模块发起切换决定。
73.6、无线网卡每隔200ms查询邻居处理模块是否发起了切换决定，如邻居处理模块决定切换则发送切换请求至轨旁基站；轨旁基站1回应切换请求，并将车载无线单元信息和数据缓存提前转发给轨旁基站2。
74.7、当车载无线单元终止轨旁基站1连接后，向轨旁基站2发起切换接入请求，并完成接入流程。轨旁基站2会下发新的邻居信息，并恢复数据通信。车载无线单元开始重复步骤3。
75.本技术还提供一种非暂态计算机可读存储介质，如闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，sd或dx存储器等)、随机访问存储器(ram)、静态随机访问存储器(sram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、可编程只读存储器(prom)、磁性存储器、磁盘、光盘、服务器、app应用商城等等，其上存储有计算机程序，程序被处理器执行时实现相应功能。本实施例的计算机可读存储介质用于在被处理器执行时实现方法实施例的可快速切换的地铁无线通信方法。
76.综上，本发明通过车载移动终端在空间上与地面轨旁基站有着相对固定的切换顺序，从而根据该特性通过增加邻居列表的方式设计出了满足地铁无线通信要求的无线通信切换协议。
77.应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。