地铁环境下支持移动IP无线接入点的研究与设计

0引言

随着技术的不断进步，地铁运行环境中的控制信息、通信信息将越来越趋向于无线技术，WIAN(无线局域网)由于其开放的标准、良好的接入、具有足够的固有容量，以及在不影响列车控制应用性能的同时还可以提供轨道与列车间的额外应用如视频、语音等，目前正越来越受到各大厂商的关注，包括西门子、阿尔斯通等。作为无线网络中的重要组成之一的无线AP(接入点)，开发遵守IEEE 802.11、IEEE 802.1d以及IEEE 802.3等协议，主要包含桥接与移动管理的功能，目前市场上成熟的产品大部分是实现了网桥的功能，并不上升到网络层，因此，移动主机的散步只能在同一个ESS(扩展服务集)内。而地铁长度从十几公里到几十公里不等，列车作为一个移动节点与各AP的通信不可能只是在一个ESS内，因此，移动中的通信依靠现有的AP是无法充分满足要求的，同时，列车的高速移动以及无线接人的频繁切换，也将是无线接入设计的制约因素之一。

1移动IP协议简述

移动IP协议定义了MN(移动节点)、HA(家乡代理)和FA(外区代理)3个实体。HA是MN家乡网络中的路由器，维持MN家乡地址到转交地址的映射；FA是MN访问的外区网络中的路由器，它将数据包转发给MN点；MN采用一个固定不变的IP地址为家乡地址(Home Address)来标识自己，一次登录后就可实现在任何位置上保持与主机的通信，实现网络漫游。当MN离开家乡网络后，为了进行数据包的转发，它会获得一个临时地址，称为CoA(转交地址)，用来作为路由。

当MN在网络中移动时，移动IP实现的基本过程是：

a)代理发现：判定MN当前是连在家乡网络上还是外地网络上，检测它是否切换了链路。当连在外地网络上时，MN会得到一个CoA。

b)注册：MN根据当前所在的位置，如果它当前在外地网络，它要得到外地代理的路由服务，将得到的CoA通知HA，可以使一个注册生效。当它回到家乡网络时要进行注销。

c)移动时的通信：当MN完成注册后，就可以利用自己的家乡地址在外区网络上通信，这种通信对MN和与之通信的对方主机来说是透明的，发往MN的数据报经由HA用隧道方式发送到MN的CoA。

　　2移动漫游的设计

在设计的方案中，继承了移动IP的原理，不仅要求移动的STA(站适配器)以及AP本身对移动性进行支持，也就是要延伸到网络层，提供基于IP的转发，而且要求在网络中引入移动代理这样的实体。结合实际的硬件平台情况，在网络层借鉴移动IP协议的设计思想，设计了特定于地铁环境下网络层移动漫游方式，将移动代理功能与AP进行分离，由PC机来实现，网络结构的设计如图1所示，其中A网段为家乡网络，B、C网段为外地网络。

2.1移动与代理的设计

HA和FA的代理功能是由PC机实现。AP和MNSTA功能及性能由专用ARM嵌入式芯片、无线收发芯片以及Linuxdrv.o驱动程序提供保障。其中，驱动程序Linuxdrv.o工作在各个开发板AP和STA的底层。

在实际工程中，同一外地子网内一般存在多个AP，若移动代理由AP实现，也就是存在多个FA，由于移动节点STA的高速移动，将导致与之连接的AP频繁切换，FA频繁变更，对于系统而言开销会很大，有效的通信时间非常短。同时，受硬件性能的影响，如果在上面承载移动代理的管理功能，增加了AP的处理负荷，对AP自身的性能也有影响。因此，考虑移动代理功能由PC机提供，在一个子网中只存在一个移动代理。同时，AP需要与MN STA建立连接，建立到STA的路由信息，并且经过一定的判断，然后发送注册请求给其所在网络的代理。

由于代理功能与AP分开，网络的组建需要付出一定的代价，层次比较多，路由器的负担和网络的复杂度有一定的增加，但是保证了注册过程和隧道技术的实现，而AP的功能也就较为单纯可靠。

对于移动性问题的解决，我们基于Linux的Redhat9.0操作系统的开放内核，使用标准C语言，编写完成移动IP通信程序，所有程序经过Linux内置gcc编译器编译通过，然后移植到AP、STA和代理服务器(包含HA和FA)上，可以保证STA在家乡区域和外地区域的网内网间切换的正常性。在Linux平台上实现了代理协议功能，该协议采用socket编程实现，以进程方式运行在后台，随时接收或截获数据，并完成相应的功能。

2.2代理发现

STA移动过程中，首先要了解自己现在的位置，即它当前正在与哪一个AP连接，正处在哪个网络中。在移动过程中要实现这个功能，STA必须实时地监控移动途中的AP，并且能够找到所在范围内信号最强的AP。所以，在STA运行后，开启了一个守护进程Dae-mon，实时扫描所移动的范围内的AP信号强度，并且能与合适的AP建立连接，通过监测