0 引言

    在我國(guó),，高速鐵路作為中長(zhǎng)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(lái)諸如手提電腦、智能手機(jī),、智能手表等移動(dòng)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?cè)诟哞F上使用移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行辦公,、休閑娛樂的需求不斷增加,，對(duì)高鐵移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)使用的需求也日漸增長(zhǎng)。

    如今,，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組“復(fù)興號(hào)”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(duì)無(wú)線信號(hào)的屏蔽等特點(diǎn)給高速鐵路上的無(wú)線通信帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn),，如何為旅客提供高質(zhì)量的移動(dòng)通信服務(wù)成為需要解決的難題。鐵路動(dòng)車組WiFi運(yùn)營(yíng)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(dòng)車組上使用WiFi系統(tǒng)的真實(shí)數(shù)據(jù),，測(cè)量并分析無(wú)線網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)及用戶的行為，對(duì)高鐵WiFi服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行整體的測(cè)評(píng),。

1 鐵路動(dòng)車組WiFi運(yùn)營(yíng)服務(wù)

    鐵路動(dòng)車組WiFi運(yùn)營(yíng)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(shì)，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(dòng)車組WiFi服務(wù)實(shí)現(xiàn)

    車載WiFi子系統(tǒng)是鐵路動(dòng)車組WiFi運(yùn)營(yíng)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(chǔ),，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(yíng)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(duì)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(dòng)車組WiFi運(yùn)營(yíng)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(guó)移動(dòng),、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)電信三大運(yùn)營(yíng)商的3G/4G網(wǎng)絡(luò),，支持每個(gè)運(yùn)營(yíng)商最多3個(gè)3G/4G通信模塊(使用用戶身份識(shí)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(hào)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(dòng)車組WiFi系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

    由于鐵路動(dòng)車組WiFi運(yùn)營(yíng)服務(wù)系統(tǒng)是通過接入鐵路沿線三大運(yùn)營(yíng)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(yíng)服務(wù)質(zhì)量,。高速列車運(yùn)行速度高達(dá)350 km/h，因此會(huì)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(huì)造成大量用戶競(jìng)爭(zhēng),。

1.2.1 多普勒效應(yīng)

    在高鐵列車高速移動(dòng)過程中,，車廂天線接收到的信號(hào)頻率與基站發(fā)送出的信號(hào)頻率會(huì)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(dòng)終端之間通信信號(hào)發(fā)生頻移,，導(dǎo)致誤碼率較高，甚至無(wú)法正確接收信號(hào)，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(dòng)帶來(lái)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(duì)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(huì)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(lái)巨大挑戰(zhàn),。

1.2.3 大量用戶之間的競(jìng)爭(zhēng)

    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(dòng)車組WiFi運(yùn)營(yíng)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(jìng)爭(zhēng)，所有用戶共享有限的帶寬,，使得服務(wù)無(wú)法滿足每個(gè)用戶的使用需求,。

2 測(cè)量描述

    本文對(duì)乘客使用高鐵動(dòng)車組WiFi運(yùn)營(yíng)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(cè)量場(chǎng)景

    鐵路動(dòng)車組WiFi運(yùn)營(yíng)服務(wù)系統(tǒng)已在京滬高鐵“復(fù)興號(hào)”列車上正式運(yùn)營(yíng),。系統(tǒng)通過中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通,、中國(guó)電信三大運(yùn)營(yíng)商的3G/4G網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng),，每家運(yùn)營(yíng)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(cè)量?jī)?nèi)容

    通過使用Tcpdump工具在鐵路動(dòng)車組WiFi運(yùn)營(yíng)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(cè)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(lái)進(jìn)行分析,，并支持針對(duì)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(hào)”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(dòng)車組WiFi運(yùn)營(yíng)服務(wù)系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。

3 高鐵動(dòng)車組WiFi運(yùn)營(yíng)服務(wù)分析

    本文基于Tcpdump采集到的用戶數(shù)據(jù),，測(cè)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(lái),。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(hào),、目的端口號(hào),，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(duì),、端口號(hào)對(duì)相同的流,，根據(jù)序列號(hào)的連續(xù)性進(jìn)一步劃分出每個(gè)流。

    對(duì)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(hào)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(hào)),，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(dòng)設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行休閑,、娛樂活動(dòng)，其行為有異于其他環(huán)境(例如：辦公場(chǎng)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(jìng)爭(zhēng),，用戶無(wú)法長(zhǎng)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(lái)說(shuō),，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(wú)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(lái),，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流都很小,；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(dòng)（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(yíng)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(duì)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(huì)話的數(shù)據(jù)流大小，并按照大小進(jìn)行分類,。對(duì)每個(gè)類別中的流,，計(jì)算其平均速率。對(duì)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(duì)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(zhǎng),，TCP慢啟動(dòng)對(duì)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)牧鳎治銎銫ontent-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(dòng)車組WiFi運(yùn)營(yíng)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(hào)”動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)間約5 h。列車啟動(dòng)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(dòng)車組WiFi運(yùn)營(yíng)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(yíng)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(dòng)車組WiFi運(yùn)營(yíng)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(dòng)車組WiFi運(yùn)營(yíng)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(yíng)商的9個(gè)3G/4G通信模塊提供無(wú)線信號(hào)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(dòng)較大,，并且有降為0的情況出現(xiàn)，高鐵動(dòng)車組WiFi運(yùn)營(yíng)服務(wù)系統(tǒng)的總吞吐量波動(dòng)也較為明顯,，但相比較單張卡的吞吐量波動(dòng),，其波動(dòng)較為平穩(wěn)。這是因?yàn)榱熊囃瑫r(shí)接入三大運(yùn)營(yíng)商的3G/4G網(wǎng)絡(luò),，由于不同運(yùn)營(yíng)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(yíng)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(dòng)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(zhǎng)達(dá)11個(gè)小時(shí)的長(zhǎng)距離行駛,。近年來(lái)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，移動(dòng)設(shè)備越來(lái)越普及,，乘客對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的使用需求不斷增強(qiáng),。鐵路動(dòng)車組WiFi運(yùn)營(yíng)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(yíng)商的蜂窩網(wǎng)絡(luò),，保證了鐵路動(dòng)車組WiFi運(yùn)營(yíng)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)。

參考文獻(xiàn)

[1] 唐飛雄.高速鐵路TD-LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋關(guān)鍵問題探討[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化,，2013(7)：45-48.

[2] 翟英鴻,，王強(qiáng)，魏康.高速鐵路TD-LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案的探討[J].電信網(wǎng)技術(shù),，2014(11)：89-93.

[3] FENG Y.An introduction to TCPDUMP.Computer Study,，2004.

[4] JACOBSON V，LERES C,，MCCANNE S.The tcpdump mannual page.Lawrence Berkeley Laboratory,，Berkeley，CA,，1989,，143.

[5] 張藝瀕，張志斌,，趙詠,，等.TCP與UDP網(wǎng)絡(luò)流量對(duì)比分析研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,，2010，27(6)：2192-2197.

作者信息:

王忠峰1,，王富章1,，孫華龍2

（1.中國(guó)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）