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摘要：该文将无线局域网同蜂窝网络（以GSM-R为例）在功能结构、利用能力、切换性透明性等方面进行比较分析，阐明WLAN应用于快速公交所具有的通信优势，并对BRT无线通信系统构架、网络安全等进行简略说明。
关键词：无线局域网（WLAN）；快速公交（BRT）；蜂窝网络；GSM-R；网络安全
中图分类号：U491；TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)27-1892-03
An Analyse of the Application Superiority and Configuration of WLAN in BRT
MA Neng-yi, DONG De-cun
(Department of Traffic and Trasportation Engineering, Tongji Univercity, Shanghai 200092, China)
Abstract: This paper compares and analyses the aspects of function configuration, utility capability, switch capability and Transparency etc. between WLAN and cellular network(take GSM-R as an example) to illuminate the superiority of communication using WLAN in BRT. And then summarily illustrate the configuration of wireless communication system in BRT and network safety etc.
Key words: WLAN; BRT; cellular network; GSM-R; netwok safety
1 引言
快速公交（BRT）作为近年来流行的一种新兴公交方式，具有容量大，速度快，灵活便利等特点，赢得了世界许多国家的广泛认同，我国不少城市，如北京、昆明、上海等也正积极建设。本文构想的出发点就是：基于轨道交通对于BRT的可借鉴性，吸纳前人将无线局域网（WLAN）应用于轨道交通的成功经验，将无线局域网技术应用至采用轨道交通理念的快速公交中，对公交车辆进行控制，从而发挥无线局域网的强大功能。
2 WLAN标准简介
无线局域网主要采用无线电磁波射频作为传输介质，主要使用2.4 GHz和5GHz两个免费的ISM段。国际组织IEEE802.11委员会专门负责无线局域网统一标准的制定工作，对于无线局域网，该组织制定了许多标准，下面是各主要的标准比较：
IEEE802.11b：工作在2.4GHz，数据传输速率可达11Mbps，网络覆盖范围为室内100米左右、室外300米左右。
IEEE802.11g：工作在2.4GHz，数据传输速率可达54Mbps，网络覆盖范围为室内100米左右、室外300米左右。可以兼容IEEE802.1lb，是目前最常用的标准。
IEEE802.11n：可同时工作在2.4GHz和5GHz，数据传输速度可以轻松突破100Mbps，网络覆盖范围也将扩大，该标准正在讨论之中，目前市面上已经有相关的网络设备，可能在将来要大行其道。
3 WLAN在BRT中的应用优势
在轨道交通无线通信中，作为WLAN的最主要竞争对手，GSM-R大行其道。近年来，许多欧洲国家在铁路系统中纷纷采用GSM-R无线通信方式，以适应铁路系统对列车不断提速、铁路通信系统安全性不断提高、业务不断多样化的需求，并取得了巨大成功。同时，中国铁道部也于2000年底确定将GSM-R作为我国铁路通信系统未来发展的方向。
鉴于BRT是采用轨道交通模式的公交系统，自然易令人想到，是否GSM-R也同样适合BRT系统？是否对于BRT，GSM-R是最好的无线通信方式？本文的回答是：WLAN较GSM-R更具有优势。以下为WLAN同蜂窝网络在各项性能进行比较后的结论。
3.1 WLAN和蜂窝网络的比较
在无线领域中蜂窝网络和WLAN竞争着数据通信巨大的市场。蜂窝网络基于全球移动通信（GSM）标准，它已经从第一代的模拟移动电话系统发展到第二代和第三代全数字化具有高性能和大容量的系统。WLAN则早已在数据传输领域中生根，起源于无所不在的局域网（LAN），基于以太网的结构，采用互联网协议（IP）传输数据包。
它们的结构和操作不同，但都满足了数据包到文件、音频、视频流的传输需要。以下对两者的特点进行比较，说明之所以WLAN更适合BRT系统的原因。
3.1.1 功能比较
GRM-R的蜂窝结构将移动无线网络设计成传输连续的数据流。两个用户间建立电路连接后，即使没有实质信息传送也会连续进行音频、视频的数据交换，这是种浪费，空闲时段和信道可以移作他用。为应对数据传输市场不断增长的这种需求，连续数据流拆解成离散数据包序列的分组数据传输已成为新的发展方向。而无线局域网（WLAN）本身就设计成以IP数据包来传输IP数据，采用UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议），不保证数据包以正确的顺序适时达到而适用于视频，音频等对延迟要求很高，但对偶尔的丢包并不敏感的应用程序。
两者还有一点重大区别。GSM基于固定电话网，以单个电路为单元分配能力。每个电话用户有1对专线接到本地交换机，交换机利用电话号建立电路互连。在交换机间路由呼叫时，只能享用有限数量的长距离连接。但只要愿意付费，用户就可以长期占用电路。列车到基站的无线电路和基站到列车控制中心的固定电话线路数量都是有限的，若遭到上述长期占线，可能对数据传输做成隐患。
而WLAN 采用以太网方式，所有用户共享1个电路。它比单个蜂窝电路有更高的能力，当然，在公用时也会产生竞争，如数据包发生冲突，双方会在暂短而不相同的随机延迟后再次传输。每一方最终会得到全部传输数据，额外增加的延迟时间才几毫秒，完全可以忽略。
总之，电路交换系统没有附加的延时，但用户可能被拒绝服务；而以太网这样的竞争系统，总能保证得到服务，但可能产生一些附加的延时。
3.1.2 网络结构
GSM-R设计了基站或接入点，是一个大功率的中心站，为周围大量信号较弱的移动用户提供服务。WLAN通常与此相反，沿线路设置许多接入点，保证了信号的覆盖。通常一个区段只有数百次的访问，只会涉及为数不多的用户。
GSM系统不是按沿线路运用设计，没有交换机这样的标准设备。在通信中，要求没有不可接收的通信间隙，信号频繁切换也很困难，造成切换时间过长。
而WLAN非常适合线状布局，根据信号强弱接入点和移动无线终端均衡设置，频繁切换方便迅速。
GSM-R控制的用户数受系统电路数量限制，不易提高运输能力。采用WLAN增加用户使用虽然有一些延迟，但相对完全没有通信连接，延迟还在容许的范围之内。
3.1.3 移动性和切换性比较
对于GSM-R，如果算上电路重新连接的时间，接入点间的切换时间将持续2 s或更长。实际上，蜂窝系统网络的切换时间要10 s以上。
802.11标准的WLAN包括了介质访问的命令，无线设备的配置可在不到50 ms完成高速切换，且该时间在90％的情况下都能得到保证。只要适当地安排好接入点，实际的切换不超过1 s，基本是可以忽略不计的。
因此，WLAN就成了当前移动性和切换性最好的网络选择。
3.1.4 网络的利用能力
考虑到设备故障时仍能为用户提供很高的利用率，每个网络都应建成足够冗余的结构。蜂窝结构的网络在边缘或建筑等障碍隐蔽处的覆盖并不好，这对数据传输特别是公交调度控制的应用是不能接受的。
DCS（数据通信系统）客户基站的配置将这种问题减少到最低程度，但还不能完全消除所有信号衰减和急剧下降的情况。电路概念由于没有数据保证纠错的机制，处于不利地位。
前向纠错(FEC)技术虽然强大，但有局限性，它占用了传输能力。当信噪比下降到一定程度时，FEC技术的方案失效，产生更多的误码，过多的误码会使数据包的完整性失效。
如此低的信噪比在移动无线环境是很普通的。使用蜂窝网络时必须执行另外的查错方法，采用一些重传协议，设法控制影响完整性的突发数据丢失。
而WLAN具有内建的重传协议，与碰撞处理机制一样，对应用是透明的。所以对BRT系统来说，WLAN是可利用性的最好选择。
3.1.5 透明性比较
设计DCS的关键因素是应用的透明性。透明意味着网络不需要知道使用它的应用的相关问题，这样DCS不需要跟踪BRT车辆的位置及其当前运营状态。反之也是这样，应用系统不需要知道DCS网络的运转状态，也不需要知道信息的路由。所有的应用只需符合802．3的接口要求。在适应透明性上WLAN是理想的。
GSM-R系统不太适合透明性要求。虽然它在切换中为移动无线与基站之间分配了新电路，又接入分组交换机，但不可能在无缝切换方式的这个过程中完全不涉及到移动无线(公交车辆)的位置和目标。因为其本身切换过程太慢，有必要为预期的应用事先指派电路。管理无线电路分配的道旁设备也要负责这一过程，它将以一种非标准的专用方式来处理切换，并要求网络掌握每次网上通信公交车辆的位置、方向和目的地。这再次说明WLAN是优秀的。
3.2 其他优点
在WLAN方式的车地通信系统中，SA的主要功能就是负责启动与AP的连接，SA一次只能与1个AP连接，以保证SA和网络只有1个连接；而1个AP同时可以和多个SA建立连接。一个移动的SA会寻访小区（cell）内一个固定的AP并与其连接，它根据上一个AP的离开门限值（LT）和下一个AP的进入门限值（JT）来决定是否离开上一个AP的覆盖区。当一个小区的信号强度没有降到离开门限值之下时，即使SA接收到的下一个AP的信号强度大于进入门限值JT值，SA也不会与当前小区分离。当一个SA在某小区中时，它会鉴别下一个小区并发起小区切换的流程。一旦一个SA与一个AP连接，该AP就会在WLAN中发送一个报文，用于说明该SA已经在自己的路由表中，而其他AP可在路由表中删除该SA。
此外，无线局域网设备的平均无故障时间必须满足BRT系统对与无线通信系统的要求，为满足要求，可以使用冗余联接、热备份等方式提高整个系统的可靠性。
5 Wlan的安全防范措施
无线AP接入网络的方案一般建议采用建立企业虚拟专网的方式。利用VPN技术建立企业虚拟专网，它利用Internet公用网的资源建立资金企业的虚拟专网。相对于直接接入Internet公用网它能提供较好的安全性能，而相对于采用昂贵的方式建立企业Intranet专网它又降低了系统建设成本。
IEEE 802 .11b标准使用公用的2.4G Hz无线电频率进行联网通信，在AP架设点周边有效距离内任何安装有无线网卡的电脑都能进行监听。利用一些无线网络探测工具，如使用Network Stumbler软件可以非常容易地探测到附近的AP，显示出它使用的频道、SSID值、MAC地址、传输速率、加密方式等。
即使采用了企业Intranet专网，如果网络中的任何一个无线AP节点被攻破，整个网络的安全就将受到威胁。以下几点安全措施十分必要：1）启用IEEE802.lx 的接人验证；2）通常IEEE802.l1 b 标准的设备是采用WEP加密技术，现在广泛使用的WEP加密方式有64位、128位、256位密钥，如果采用直接连接人Internet公用网方案，AP设备密钥至少应该支持128位WEP加密；3）启用MAC地址过滤，防止非法用户接人；4）禁用SSID广播，减少安全隐患。
6 结束语
随着城市发展，交通出行的需求将日益增加，快速公交正是解决目前交通拥挤现状最行之有效的方法之一。而相对于其他通信方式，在BRT中应用Wlan是最为适合的。通过Wlan稳定提升信息传输速度使调度中心和司机乘客获取实时信息，令公交车辆的调度、安全检测等能真正做到快速高效。此文粗略提出构想，抛砖引玉。
参考文献：
[1] 何连春.无线局域网技术在公交智能调度系统中的应用[J].城市智能交通,2005,(10):15-16.
[2] 林英沛.基于无线局域网通信的列车自动控制系统[J].电子工程师,2006,(6):65-67.
[3] 张爱华,张爱军,李燕斌.无线局域网技术[J].邮电设计技术,2005(12):27-30.
[4] 谢凡,李开成.无线局域网在CBTC系统中可用性及测试方案研究[J].兰州交通大学学报,2006,(8):108-111.
[5] 何连春.GPRS的铁路综合信息无线接入平台[J].城市智能交通,2005,(10):36-37.
关键词：无线局域网（WLAN）；快速公交（BRT）；蜂窝网络；GSM-R；网络安全
中图分类号：U491；TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)27-1892-03
An Analyse of the Application Superiority and Configuration of WLAN in BRT
MA Neng-yi, DONG De-cun
(Department of Traffic and Trasportation Engineering, Tongji Univercity, Shanghai 200092, China)
Abstract: This paper compares and analyses the aspects of function configuration, utility capability, switch capability and Transparency etc. between WLAN and cellular network(take GSM-R as an example) to illuminate the superiority of communication using WLAN in BRT. And then summarily illustrate the configuration of wireless communication system in BRT and network safety etc.
Key words: WLAN; BRT; cellular network; GSM-R; netwok safety
1 引言
快速公交（BRT）作为近年来流行的一种新兴公交方式，具有容量大，速度快，灵活便利等特点，赢得了世界许多国家的广泛认同，我国不少城市，如北京、昆明、上海等也正积极建设。本文构想的出发点就是：基于轨道交通对于BRT的可借鉴性，吸纳前人将无线局域网（WLAN）应用于轨道交通的成功经验，将无线局域网技术应用至采用轨道交通理念的快速公交中，对公交车辆进行控制，从而发挥无线局域网的强大功能。
2 WLAN标准简介
无线局域网主要采用无线电磁波射频作为传输介质，主要使用2.4 GHz和5GHz两个免费的ISM段。国际组织IEEE802.11委员会专门负责无线局域网统一标准的制定工作，对于无线局域网，该组织制定了许多标准，下面是各主要的标准比较：
IEEE802.11b：工作在2.4GHz，数据传输速率可达11Mbps，网络覆盖范围为室内100米左右、室外300米左右。
IEEE802.11g：工作在2.4GHz，数据传输速率可达54Mbps，网络覆盖范围为室内100米左右、室外300米左右。可以兼容IEEE802.1lb，是目前最常用的标准。
IEEE802.11n：可同时工作在2.4GHz和5GHz，数据传输速度可以轻松突破100Mbps，网络覆盖范围也将扩大，该标准正在讨论之中，目前市面上已经有相关的网络设备，可能在将来要大行其道。
3 WLAN在BRT中的应用优势
在轨道交通无线通信中，作为WLAN的最主要竞争对手，GSM-R大行其道。近年来，许多欧洲国家在铁路系统中纷纷采用GSM-R无线通信方式，以适应铁路系统对列车不断提速、铁路通信系统安全性不断提高、业务不断多样化的需求，并取得了巨大成功。同时，中国铁道部也于2000年底确定将GSM-R作为我国铁路通信系统未来发展的方向。
鉴于BRT是采用轨道交通模式的公交系统，自然易令人想到，是否GSM-R也同样适合BRT系统？是否对于BRT，GSM-R是最好的无线通信方式？本文的回答是：WLAN较GSM-R更具有优势。以下为WLAN同蜂窝网络在各项性能进行比较后的结论。
3.1 WLAN和蜂窝网络的比较
在无线领域中蜂窝网络和WLAN竞争着数据通信巨大的市场。蜂窝网络基于全球移动通信（GSM）标准，它已经从第一代的模拟移动电话系统发展到第二代和第三代全数字化具有高性能和大容量的系统。WLAN则早已在数据传输领域中生根，起源于无所不在的局域网（LAN），基于以太网的结构，采用互联网协议（IP）传输数据包。
它们的结构和操作不同，但都满足了数据包到文件、音频、视频流的传输需要。以下对两者的特点进行比较，说明之所以WLAN更适合BRT系统的原因。
3.1.1 功能比较
GRM-R的蜂窝结构将移动无线网络设计成传输连续的数据流。两个用户间建立电路连接后，即使没有实质信息传送也会连续进行音频、视频的数据交换，这是种浪费，空闲时段和信道可以移作他用。为应对数据传输市场不断增长的这种需求，连续数据流拆解成离散数据包序列的分组数据传输已成为新的发展方向。而无线局域网（WLAN）本身就设计成以IP数据包来传输IP数据，采用UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议），不保证数据包以正确的顺序适时达到而适用于视频，音频等对延迟要求很高，但对偶尔的丢包并不敏感的应用程序。
两者还有一点重大区别。GSM基于固定电话网，以单个电路为单元分配能力。每个电话用户有1对专线接到本地交换机，交换机利用电话号建立电路互连。在交换机间路由呼叫时，只能享用有限数量的长距离连接。但只要愿意付费，用户就可以长期占用电路。列车到基站的无线电路和基站到列车控制中心的固定电话线路数量都是有限的，若遭到上述长期占线，可能对数据传输做成隐患。
而WLAN 采用以太网方式，所有用户共享1个电路。它比单个蜂窝电路有更高的能力，当然，在公用时也会产生竞争，如数据包发生冲突，双方会在暂短而不相同的随机延迟后再次传输。每一方最终会得到全部传输数据，额外增加的延迟时间才几毫秒，完全可以忽略。
总之，电路交换系统没有附加的延时，但用户可能被拒绝服务；而以太网这样的竞争系统，总能保证得到服务，但可能产生一些附加的延时。
3.1.2 网络结构
GSM-R设计了基站或接入点，是一个大功率的中心站，为周围大量信号较弱的移动用户提供服务。WLAN通常与此相反，沿线路设置许多接入点，保证了信号的覆盖。通常一个区段只有数百次的访问，只会涉及为数不多的用户。
GSM系统不是按沿线路运用设计，没有交换机这样的标准设备。在通信中，要求没有不可接收的通信间隙，信号频繁切换也很困难，造成切换时间过长。
而WLAN非常适合线状布局，根据信号强弱接入点和移动无线终端均衡设置，频繁切换方便迅速。
GSM-R控制的用户数受系统电路数量限制，不易提高运输能力。采用WLAN增加用户使用虽然有一些延迟，但相对完全没有通信连接，延迟还在容许的范围之内。
3.1.3 移动性和切换性比较
对于GSM-R，如果算上电路重新连接的时间，接入点间的切换时间将持续2 s或更长。实际上，蜂窝系统网络的切换时间要10 s以上。
802.11标准的WLAN包括了介质访问的命令，无线设备的配置可在不到50 ms完成高速切换，且该时间在90％的情况下都能得到保证。只要适当地安排好接入点，实际的切换不超过1 s，基本是可以忽略不计的。
因此，WLAN就成了当前移动性和切换性最好的网络选择。
3.1.4 网络的利用能力
考虑到设备故障时仍能为用户提供很高的利用率，每个网络都应建成足够冗余的结构。蜂窝结构的网络在边缘或建筑等障碍隐蔽处的覆盖并不好，这对数据传输特别是公交调度控制的应用是不能接受的。
DCS（数据通信系统）客户基站的配置将这种问题减少到最低程度，但还不能完全消除所有信号衰减和急剧下降的情况。电路概念由于没有数据保证纠错的机制，处于不利地位。
前向纠错(FEC)技术虽然强大，但有局限性，它占用了传输能力。当信噪比下降到一定程度时，FEC技术的方案失效，产生更多的误码，过多的误码会使数据包的完整性失效。
如此低的信噪比在移动无线环境是很普通的。使用蜂窝网络时必须执行另外的查错方法，采用一些重传协议，设法控制影响完整性的突发数据丢失。
而WLAN具有内建的重传协议，与碰撞处理机制一样，对应用是透明的。所以对BRT系统来说，WLAN是可利用性的最好选择。
3.1.5 透明性比较
设计DCS的关键因素是应用的透明性。透明意味着网络不需要知道使用它的应用的相关问题，这样DCS不需要跟踪BRT车辆的位置及其当前运营状态。反之也是这样，应用系统不需要知道DCS网络的运转状态，也不需要知道信息的路由。所有的应用只需符合802．3的接口要求。在适应透明性上WLAN是理想的。
GSM-R系统不太适合透明性要求。虽然它在切换中为移动无线与基站之间分配了新电路，又接入分组交换机，但不可能在无缝切换方式的这个过程中完全不涉及到移动无线(公交车辆)的位置和目标。因为其本身切换过程太慢，有必要为预期的应用事先指派电路。管理无线电路分配的道旁设备也要负责这一过程，它将以一种非标准的专用方式来处理切换，并要求网络掌握每次网上通信公交车辆的位置、方向和目的地。这再次说明WLAN是优秀的。
3.2 其他优点
在WLAN方式的车地通信系统中，SA的主要功能就是负责启动与AP的连接，SA一次只能与1个AP连接，以保证SA和网络只有1个连接；而1个AP同时可以和多个SA建立连接。一个移动的SA会寻访小区（cell）内一个固定的AP并与其连接，它根据上一个AP的离开门限值（LT）和下一个AP的进入门限值（JT）来决定是否离开上一个AP的覆盖区。当一个小区的信号强度没有降到离开门限值之下时，即使SA接收到的下一个AP的信号强度大于进入门限值JT值，SA也不会与当前小区分离。当一个SA在某小区中时，它会鉴别下一个小区并发起小区切换的流程。一旦一个SA与一个AP连接，该AP就会在WLAN中发送一个报文，用于说明该SA已经在自己的路由表中，而其他AP可在路由表中删除该SA。
此外，无线局域网设备的平均无故障时间必须满足BRT系统对与无线通信系统的要求，为满足要求，可以使用冗余联接、热备份等方式提高整个系统的可靠性。
5 Wlan的安全防范措施
无线AP接入网络的方案一般建议采用建立企业虚拟专网的方式。利用VPN技术建立企业虚拟专网，它利用Internet公用网的资源建立资金企业的虚拟专网。相对于直接接入Internet公用网它能提供较好的安全性能，而相对于采用昂贵的方式建立企业Intranet专网它又降低了系统建设成本。
IEEE 802 .11b标准使用公用的2.4G Hz无线电频率进行联网通信，在AP架设点周边有效距离内任何安装有无线网卡的电脑都能进行监听。利用一些无线网络探测工具，如使用Network Stumbler软件可以非常容易地探测到附近的AP，显示出它使用的频道、SSID值、MAC地址、传输速率、加密方式等。
即使采用了企业Intranet专网，如果网络中的任何一个无线AP节点被攻破，整个网络的安全就将受到威胁。以下几点安全措施十分必要：1）启用IEEE802.lx 的接人验证；2）通常IEEE802.l1 b 标准的设备是采用WEP加密技术，现在广泛使用的WEP加密方式有64位、128位、256位密钥，如果采用直接连接人Internet公用网方案，AP设备密钥至少应该支持128位WEP加密；3）启用MAC地址过滤，防止非法用户接人；4）禁用SSID广播，减少安全隐患。
6 结束语
随着城市发展，交通出行的需求将日益增加，快速公交正是解决目前交通拥挤现状最行之有效的方法之一。而相对于其他通信方式，在BRT中应用Wlan是最为适合的。通过Wlan稳定提升信息传输速度使调度中心和司机乘客获取实时信息，令公交车辆的调度、安全检测等能真正做到快速高效。此文粗略提出构想，抛砖引玉。
参考文献：
[1] 何连春.无线局域网技术在公交智能调度系统中的应用[J].城市智能交通,2005,(10):15-16.
[2] 林英沛.基于无线局域网通信的列车自动控制系统[J].电子工程师,2006,(6):65-67.
[3] 张爱华,张爱军,李燕斌.无线局域网技术[J].邮电设计技术,2005(12):27-30.
[4] 谢凡,李开成.无线局域网在CBTC系统中可用性及测试方案研究[J].兰州交通大学学报,2006,(8):108-111.
[5] 何连春.GPRS的铁路综合信息无线接入平台[J].城市智能交通,2005,(10):36-37.