0 引言

    在我國，高速鐵路作為中長途出行的重要公共交通工具之一，具有載客量大、旅客密度較高等特點(diǎn)。同時(shí)，近年來諸如手提電腦、智能手機(jī)、智能手表等移動設(shè)備逐漸普及，而高鐵旅客的乘車時(shí)間平均約為3.8小時(shí)，乘客們在高鐵上使用移動設(shè)備進(jìn)行辦公、休閑娛樂的需求不斷增加，對高鐵移動網(wǎng)絡(luò)使用的需求也日漸增長。

    如今，中國標(biāo)準(zhǔn)動車組“復(fù)興號”列車的運(yùn)行時(shí)速已經(jīng)提升到350 km/h。列車的高速運(yùn)行、車廂內(nèi)高密度并發(fā)、車體對無線信號的屏蔽等特點(diǎn)給高速鐵路上的無線通信帶來巨大的挑戰(zhàn)，如何為旅客提供高質(zhì)量的移動通信服務(wù)成為需要解決的難題。鐵路動車組WiFi運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)的興建，為廣大旅客提供了一種新的互聯(lián)網(wǎng)接入方式。該系統(tǒng)在提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)的同時(shí)，還為旅客提供影視、資訊、游戲、閱讀和應(yīng)用下載等本地內(nèi)容服務(wù)。本文將根據(jù)用戶在鐵路動車組上使用WiFi系統(tǒng)的真實(shí)數(shù)據(jù)，測量并分析無線網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)及用戶的行為，對高鐵WiFi服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行整體的測評。

1 鐵路動車組WiFi運(yùn)營服務(wù)

    鐵路動車組WiFi運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)運(yùn)用先進(jìn)的現(xiàn)代化信息技術(shù)，結(jié)合鐵路自身資源優(yōu)勢，整合旅客出行所需的內(nèi)、外部服務(wù)資源，為廣大鐵路旅客提供車站、車上便捷高效的影視、新聞資訊、游戲、閱讀等內(nèi)容服務(wù)及鐵路出行相關(guān)的延伸服務(wù)，提高旅客服務(wù)質(zhì)量，提升鐵路行業(yè)整體形象，并通過系統(tǒng)化的安全保障措施確保用戶信息安全、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

1.1 鐵路動車組WiFi服務(wù)實(shí)現(xiàn)

    車載WiFi子系統(tǒng)是鐵路動車組WiFi運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)的重要組成部分，為旅客在列車上提供車內(nèi)的局域網(wǎng)服務(wù)以及互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。車載WiFi子系統(tǒng)主要由車載中心服務(wù)器、單車服務(wù)器和接入AP等設(shè)備組成。

    車載中心服務(wù)器是車載WiFi子系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，主要由內(nèi)容服務(wù)器和路由器兩大部分組成。其中，內(nèi)容服務(wù)器為車載WiFi子系統(tǒng)提供運(yùn)行環(huán)境及內(nèi)容存儲，為所有旅客提供局域網(wǎng)內(nèi)的內(nèi)容服務(wù)；路由器通過接入鐵路沿線三大運(yùn)營商的3G/4G網(wǎng)絡(luò)，為旅客提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，同時(shí)，路由器還對旅客的互聯(lián)網(wǎng)行為進(jìn)行安全管控和記錄，保證鐵路動車組WiFi運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)接入的安全。

    路由器同時(shí)支持中國移動、中國聯(lián)通、中國電信三大運(yùn)營商的3G/4G網(wǎng)絡(luò)，支持每個(gè)運(yùn)營商最多3個(gè)3G/4G通信模塊(使用用戶身份識別SIM卡)同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)，并支持帶寬匯聚及負(fù)載均衡。由于列車統(tǒng)一使用布署在車頂?shù)奶炀€，有效地減弱了LTE信號穿過車廂的損耗，因此能夠?yàn)槌丝吞峁└臃€(wěn)定的接入網(wǎng)絡(luò)。

1.2 鐵路動車組WiFi系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

    由于鐵路動車組WiFi運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)是通過接入鐵路沿線三大運(yùn)營商的3G/4G網(wǎng)絡(luò)為乘客提供服務(wù)，因此蜂窩網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量極大程度上影響著WiFi運(yùn)營服務(wù)質(zhì)量。高速列車運(yùn)行速度高達(dá)350 km/h，因此會面臨多普勒效應(yīng)、基站頻繁切換等問題。由于列車乘客較多，乘客之間也會造成大量用戶競爭。

1.2.1 多普勒效應(yīng)

    在高鐵列車高速移動過程中，車廂天線接收到的信號頻率與基站發(fā)送出的信號頻率會產(chǎn)生偏移，這稱為多普勒頻移。多普勒頻移使得基站與車載移動終端之間通信信號發(fā)生頻移，導(dǎo)致誤碼率較高，甚至無法正確接收信號，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)帶寬進(jìn)一步受到影響。

1.2.2 高速移動帶來的頻繁基站切換

    蜂窩基站都呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)覆蓋，并且覆蓋范圍相對較小，即使在郊區(qū)等空曠地帶，基站覆蓋半徑也只有千米左右。而鐵路是典型的帶狀覆蓋^[1]，列車在大約97.2 m/s的高速行駛過程中，大約10 s切換一次網(wǎng)絡(luò)。LTE采用先斷開再連接的切換策略，每次切換都會造成網(wǎng)絡(luò)服務(wù)暫時(shí)不可用，如此頻繁地切換基站給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量帶來巨大挑戰(zhàn)。

1.2.3 大量用戶之間的競爭

    高鐵作為一種公共交通方式，其乘客流量大、密度高，一節(jié)滿車廂為60~100人^[2]。在提供鐵路動車組WiFi運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)之后，有大量旅客使用該系統(tǒng)，造成網(wǎng)絡(luò)競爭，所有用戶共享有限的帶寬，使得服務(wù)無法滿足每個(gè)用戶的使用需求。

2 測量描述

    本文對乘客使用高鐵動車組WiFi運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)的真實(shí)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，真實(shí)地反應(yīng)了用戶的行為和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化。

2.1 測量場景

    鐵路動車組WiFi運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)已在京滬高鐵“復(fù)興號”列車上正式運(yùn)營。系統(tǒng)通過中國移動、中國聯(lián)通、中國電信三大運(yùn)營商的3G/4G網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)，每家運(yùn)營商使用3個(gè)3G/4G通信模塊，其中主要使用4G LTE網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，系統(tǒng)使用車載AP為旅客提供車廂內(nèi)的WiFi接入服務(wù)。路由器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡、帶寬匯聚，將用戶數(shù)據(jù)分發(fā)到不同的LTE網(wǎng)絡(luò)出口上，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入。

2.2 測量內(nèi)容

    通過使用Tcpdump工具在鐵路動車組WiFi運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)上采集旅客使用WiFi服務(wù)接入互聯(lián)網(wǎng)的真實(shí)使用數(shù)據(jù)進(jìn)行測量分析。

2.2.1 Tcpdump介紹

    Tcpdump是Linux環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集分析工具。Tcpdump擁有強(qiáng)大的獲取數(shù)據(jù)包功能，可以將網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包完全截獲下來進(jìn)行分析，并支持針對網(wǎng)絡(luò)層、協(xié)議、主機(jī)和端口的過濾^[3]。使用-w參數(shù)可以將監(jiān)聽到的數(shù)據(jù)包寫入指定的pcap格式的文件中^[4]。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集

    通過在京滬高鐵兩列“復(fù)興號”列車內(nèi)部的路由器上運(yùn)行Tcpdump，將所有用戶通過局域網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)后發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)包頭內(nèi)容記錄在pcap格式的文件中，兩列列車分別采集記錄10天的數(shù)據(jù)。Tcpdump采集的數(shù)據(jù)中，僅包含用戶傳輸層、應(yīng)用層的使用情況，未采集用戶的隱私數(shù)據(jù)。真實(shí)的用戶使用數(shù)據(jù)分析，可以反映出用戶在高鐵上的用戶體驗(yàn)和鐵路動車組WiFi運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。

3 高鐵動車組WiFi運(yùn)營服務(wù)分析

    本文基于Tcpdump采集到的用戶數(shù)據(jù)，測量并分析了用戶行為以及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

3.1 分析方法

    過濾數(shù)據(jù)中與TCP協(xié)議相關(guān)的數(shù)據(jù)包，將每個(gè)用戶傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)流劃分出來。劃分?jǐn)?shù)據(jù)流的步驟為：首先按照源IP地址、目的IP地址、源端口號、目的端口號，將列車一次運(yùn)行中的所有TCP流進(jìn)行初步分類；再將每個(gè)IP地址對、端口號對相同的流，根據(jù)序列號的連續(xù)性進(jìn)一步劃分出每個(gè)流。

    對于連接未建立成功或數(shù)據(jù)未發(fā)送成功的流，如在發(fā)送SYN包(TCP/IP建立連接時(shí)使用的握手信號中的第一個(gè)包)之后未能接收ACK包；或連接建立后沒有后續(xù)數(shù)據(jù)的流；或收到RST包(表示重置連接、復(fù)位連接的信號)，連接還沒開始就意外中斷等情況，本文不予考慮。

3.2 用戶行為分析

    用戶在高鐵上使用移動設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行休閑、娛樂活動，其行為有異于其他環(huán)境(例如：辦公場所、家中、學(xué)校)，具有一定的特殊性。同時(shí)，由于大量用戶之間存在網(wǎng)絡(luò)競爭，用戶無法長時(shí)間持續(xù)進(jìn)行高吞吐量、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸。在受到網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)限制和高鐵列車環(huán)境影響的情況下，乘客接入互聯(lián)網(wǎng)、使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的行為極具獨(dú)特性。

    一般來說，應(yīng)用軟件可選擇TCP或UDP作為傳輸層協(xié)議。TCP是面向連接的、可靠的傳輸層協(xié)議，而UDP是面向無連接的傳輸層協(xié)議^[5]。通過分析發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用軟件使用TCP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸為大概率事件。因此，本節(jié)將著重分析用戶數(shù)據(jù)的TCP行為特征。

3.2.1 TCP流的大小分布

    首先將每個(gè)流的大小計(jì)算出來，然后統(tǒng)計(jì)所有用戶流的分布情況，并畫出CDF圖(累積分布函數(shù)圖)。如圖1所示，絕大多數(shù)TCP流都很??；超過90%的上行流的大小都小于3.1 KB，超過90%的下行流的大小都小于19.5 KB，上行數(shù)據(jù)中只有0.283%的流大小超過100 KB，下行數(shù)據(jù)中只有3.374%的流大小超過100 KB。

    然而數(shù)量較少、流量較大的TCP流卻占據(jù)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的大部分流量。上行流中占比約10%的較大數(shù)據(jù)流的流量占上行總流量的78.75%，而下行流中10%的較大數(shù)據(jù)流的流量占下行總流量的92.72%。上行傳輸中最大流大小為76.5 MB，而下行傳輸中最大流大小為147.8 MB。下行流的大小整體大于上行流，下行數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過上行數(shù)據(jù)量。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，下行流量約為上行流量的26倍。用戶下行傳輸?shù)男枨筮h(yuǎn)大于上行傳輸?shù)男枨蟆?/p>

3.2.2 TCP流的速率分布

    本文首先計(jì)算TCP流的平均傳輸速率，然后綜合統(tǒng)計(jì)所有數(shù)據(jù)中的速率分布情況。圖2是TCP流的速率分布CDF圖，90%的流上行速率均小于1 KB/s，80%的流下行速率均小于10 KB/s。下行流的速率比上行流速率大，這是因?yàn)樯闲械拇蟛糠至鞫夹∮? KB，且TCP的慢啟動（slow start）導(dǎo)致剛開始傳輸時(shí)速率緩慢，因此傳輸速率小。而下行流中大數(shù)據(jù)流占比高，在傳輸過程中可以較為合理地利用帶寬，且運(yùn)營商為蜂窩網(wǎng)絡(luò)中下行數(shù)據(jù)分配的帶寬更多，故下行傳輸速率較大。

    流量和速率的關(guān)系圖如圖3和圖4所示。圖3和圖4分別為下行、上行數(shù)據(jù)流的速率和流量關(guān)系圖。圖3和圖4分別對流的大小在0.1 MB以內(nèi)、0.1 MB～1 MB、1 MB～10 MB以及10 MB以上的數(shù)據(jù)流進(jìn)行了分析。首先，計(jì)算所有成功建立會話的數(shù)據(jù)流大小，并按照大小進(jìn)行分類。對每個(gè)類別中的流，計(jì)算其平均速率。對于上行數(shù)據(jù)，大小在0.1 MB以內(nèi)的數(shù)據(jù)流，其速率80%均小于0.1 KB/s，而大于1 MB的數(shù)據(jù)流，70%均大于10 KB/s；對于下行數(shù)據(jù)，大小在0.1 MB 以內(nèi)的數(shù)據(jù)流，其速率80%均小于10 KB/s，而大于10 MB的數(shù)據(jù)流，91.5%均大于10 KB/s。

    從以上分析可以看出，流越大，傳輸所需要的時(shí)間越長，TCP慢啟動對速率的影響越小，傳輸速率越高。

3.2.3 TCP流的持續(xù)時(shí)間分布

    本文首先計(jì)算成功傳輸?shù)腡CP流持續(xù)時(shí)間，然后統(tǒng)計(jì)所有流的持續(xù)時(shí)間分布情況。圖5是TCP流持續(xù)時(shí)間的CDF統(tǒng)計(jì)圖，根據(jù)圖中數(shù)據(jù)可以看出，超過90%的流持續(xù)時(shí)間在1 s以上，80%的流持續(xù)時(shí)間在10 s以內(nèi)，60%的流持續(xù)時(shí)間在20 s以內(nèi)。由此可見，持續(xù)時(shí)間較短的TCP流占比較多。

3.2.4 各傳輸內(nèi)容類型分布

    本文提取出使用HTTP協(xié)議進(jìn)行傳輸?shù)牧?，分析其Content-Type域，得出用戶傳輸不同種類內(nèi)容的分布圖。本文計(jì)算了各類內(nèi)容的流量比例，如圖6所示。所有內(nèi)容中，圖片所占比例最高，約占48%；其次是應(yīng)用程序發(fā)送的各類信息，約占37%；再次是文本內(nèi)容，約占7%；視頻內(nèi)容約占5%；其他的內(nèi)容傳輸占2%左右。

3.3 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分析

3.3.1 實(shí)時(shí)用戶數(shù)量統(tǒng)計(jì)

    本文統(tǒng)計(jì)了每秒鐘使用鐵路動車組WiFi運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)的用戶數(shù)量，方法如下：按分鐘為單位劃分pcap數(shù)據(jù)包，統(tǒng)計(jì)每分鐘進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腎P地址個(gè)數(shù)。圖7是使用高鐵網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)目實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)情況。

    如圖7所示，每分鐘的活躍用戶數(shù)量保持在100人左右，約占列車滿員總?cè)藬?shù)的1/5，京滬高鐵“復(fù)興號”動車組運(yùn)行時(shí)間約5 h。列車啟動后使用人數(shù)迅速增加到170人，之后隨著列車的運(yùn)行，用戶數(shù)目逐漸減少，在列車到達(dá)終點(diǎn)站后用戶數(shù)迅速減少。在列車運(yùn)行過程中，高鐵動車組WiFi運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)的每分鐘活躍用戶總數(shù)始終保持在100以上。

3.3.2 實(shí)時(shí)吞吐量統(tǒng)計(jì)

    本文統(tǒng)計(jì)了列車上不同運(yùn)營商各3G/4G通信模塊的實(shí)時(shí)吞吐量以及9個(gè)3G/4G通信模塊的總吞吐量。圖8和圖9分別為北京至上海區(qū)間和上海至北京區(qū)間高鐵動車組WiFi運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)各3G/4G通信模塊的實(shí)時(shí)吞吐量統(tǒng)計(jì)圖。從圖中可以看出，鐵路動車組WiFi運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)平均總吞吐量約為20 Mb/s。整列車在車頂中部位置安裝一個(gè)多模組合天線，并支持MIMO技術(shù)，為三大運(yùn)營商的9個(gè)3G/4G通信模塊提供無線信號收發(fā)，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)較為穩(wěn)定。每個(gè)3G/4G通信模塊的吞吐量隨時(shí)間波動較大，并且有降為0的情況出現(xiàn)，高鐵動車組WiFi運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)的總吞吐量波動也較為明顯，但相比較單張卡的吞吐量波動，其波動較為平穩(wěn)。這是因?yàn)榱熊囃瑫r(shí)接入三大運(yùn)營商的3G/4G網(wǎng)絡(luò)，由于不同運(yùn)營商基站地理位置不同，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化也不盡相同所致。列車在綜合使用不同運(yùn)營商的蜂窩網(wǎng)絡(luò)后，系統(tǒng)TCP傳輸?shù)钠骄偼掏铝渴冀K穩(wěn)定保持在10 Mb/s之上，從而可為乘客提供不間斷的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

4 結(jié)論

    高鐵動車組作為運(yùn)輸量極大的公共交通工具，每天進(jìn)行平均長達(dá)11個(gè)小時(shí)的長距離行駛。近年來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，移動設(shè)備越來越普及，乘客對于無線網(wǎng)絡(luò)的使用需求不斷增強(qiáng)。鐵路動車組WiFi運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)為旅客提供了方便快捷的互聯(lián)網(wǎng)接入方式和良好的服務(wù)。通過綜合使用不同運(yùn)營商的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，保證了鐵路動車組WiFi運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)能夠?yàn)槌丝吞峁┩掏铝糠€(wěn)定、服務(wù)優(yōu)良的通信環(huán)境。從本文以上分析可以看出，該系統(tǒng)還可以從提高系統(tǒng)有效吞吐量、改善資源分配算法等方面進(jìn)一步深化研究，提高系統(tǒng)性能，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。

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作者信息:

王忠峰1，王富章1，孫華龍2

（1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京100081；2.中鐵程科技有限責(zé)任公司，北京100081）