摘要：高鐵作為高速、遠距離出行的重要公共交通工具，具有載客量大、旅客密度較高等特點。由于近年來諸如手提電腦、智能手機、智能手表等移動設(shè)備的普及，乘客們在高鐵上使用移動設(shè)備作為休閑、娛樂方式的時間逐漸增加，對高鐵移動網(wǎng)絡(luò)的使用需求日漸增長。然而，“復(fù)興號”的運行速度高達350 km/h，為無線通信帶來了巨大的挑戰(zhàn)。鐵路動車組WiFi運營服務(wù)系統(tǒng)運用先進的現(xiàn)代化信息技術(shù)，為列車上的旅客提供車內(nèi)的局域網(wǎng)服務(wù)以及互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。對實際網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的分析表明：大部分TCP會話的規(guī)模較小，傳輸速率較低，并且持續(xù)時間較短。通過聯(lián)合使用不同運營商的蜂窩網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，高鐵WiFi系統(tǒng)保證了鐵路動車組WiFi服務(wù)能夠為乘客提供吞吐量穩(wěn)定且服務(wù)優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

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。同時，近年來諸如手提電腦、智能手機、智能手表等移動設(shè)備逐漸普及，而高鐵旅客的乘車時間平均約為3.8小時，乘客們在高鐵上使用移動設(shè)備進行辦公、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，中國標準動車組“復(fù)興號”列車的運行時速已經(jīng)提升到350 km/h。列車的高速運行、車廂內(nèi)高密度并發(fā)、車體對無線信號的屏蔽等特點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，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)量進行整體的測評。

1 鐵路動車組WiFi運營服務(wù)

鐵路動車組WiFi運營服務(wù)系統(tǒng)運用先進的現(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)運行穩(wěn)定可靠。

1.1 鐵路動車組WiFi服務(wù)實現(xiàn)

車載WiFi子系統(tǒng)是鐵路動車組WiFi運營服務(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，路由器還對旅客的互聯(lián)網(wǎng)行為進行安全管控和記錄，保證鐵路動車組WiFi運營服務(wù)系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)接入的安全。

路由器同時支持中國移動、中國聯(lián)通、中國電信三大運營商的3G/4G網(wǎng)絡(luò)，支持每個運營商最多3個3G/4G通信模塊(使用用戶身份識別SIM卡)同時接入網(wǎng)絡(luò)，并支持帶寬匯聚及負載均衡。由于列車統(tǒng)一使用布署在車頂?shù)?a target="_blank">天線，有效地減弱了LTE信號穿過車廂的損耗，因此能夠為乘客提供更加穩(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運營服務(wù)系統(tǒng)是通過接入鐵路沿線三大運營商的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運營服務(wù)質(zhì)量。高速列車運行速度高達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運營服務(wù)系統(tǒng)的真實原始數(shù)據(jù)進行分析，真實地反應(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運營服務(wù)系統(tǒng)已在京滬高鐵“復(fù)興號”列車上正式運營。系統(tǒng)通過中國移動、中國聯(lián)通、中國電信三大運營商的3G/4G網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)，每家運營商使用3個3G/4G通信模塊，其中主要使用4G LTE網(wǎng)絡(luò)。同時，系統(tǒng)使用車載AP為旅客提供車廂內(nèi)的WiFi接入服務(wù)。路由器負責(zé)網(wǎng)絡(luò)負載均衡、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)的真實使用數(shù)據(jù)進行測量分析。

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)包完全截獲下來進行分析，并支持針對網(wǎng)絡(luò)層、協(xié)議、主機和端口的過濾[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和鐵路動車組WiFi運營服務(wù)系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。

3 高鐵動車組WiFi運營服務(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，將每個用戶傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)流劃分出來。劃分數(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，將列車一次運行中的所有TCP流進行初步分類；再將每個IP地址對、端口號對相同的流，根據(jù)序列號的連續(xù)性進一步劃分出每個流。

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建立連接時使用的握手信號中的第一個包)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，由于大量用戶之間存在網(wǎng)絡(luò)競爭，用戶無法長時間持續(xù)進行高吞吐量、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

首先將每個流的大小計算出來，然后統(tǒng)計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)量遠遠超過上行數(shù)據(jù)量。經(jīng)統(tǒng)計，下行流量約為上行流量的26倍。用戶下行傳輸?shù)男枨筮h大于上行傳輸?shù)男枨蟆?/p>

3.2.2 TCP流的速率分布

本文首先計算TCP流的平均傳輸速率，然后綜合統(tǒng)計所有數(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，這是因為上行的大部分流都小于1 KB，且TCP的慢啟動（slow start）導(dǎo)致剛開始傳輸時速率緩慢，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)流進行了分析。首先，計算所有成功建立會話的數(shù)據(jù)流大小，并按照大小進行分類。對每個類別中的流，計算其平均速率。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)時間分布

本文首先計算成功傳輸?shù)腡CP流持續(xù)時間，然后統(tǒng)計所有流的持續(xù)時間分布情況。圖5是TCP流持續(xù)時間的CDF統(tǒng)計圖，根據(jù)圖中數(shù)據(jù)可以看出，超過90%的流持續(xù)時間在1 s以上，80%的流持續(xù)時間在10 s以內(nèi)，60%的流持續(xù)時間在20 s以內(nèi)。由此可見，持續(xù)時間較短的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 實時用戶數(shù)量統(tǒng)計

本文統(tǒng)計了每秒鐘使用鐵路動車組WiFi運營服務(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)計每分鐘進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腎P地址個數(shù)。圖7是使用高鐵網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)目實時統(tǒng)計情況。

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”動車組運行時間約5 h。列車啟動后使用人數(shù)迅速增加到170人，之后隨著列車的運行，用戶數(shù)目逐漸減少，在列車到達終點站后用戶數(shù)迅速減少。在列車運行過程中，高鐵動車組WiFi運營服務(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 實時吞吐量統(tǒng)計

本文統(tǒng)計了列車上不同運營商各3G/4G通信模塊的實時吞吐量以及9個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運營服務(wù)系統(tǒng)各3G/4G通信模塊的實時吞吐量統(tǒng)計圖。從圖中可以看出，鐵路動車組WiFi運營服務(wù)系統(tǒng)實時平均總吞吐量約為20 Mb/s。整列車在車頂中部位置安裝一個多模組合天線，并支持MIMO技術(shù)，為三大運營商的9個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3G/4G通信模塊的吞吐量隨時間波動較大，并且有降為0的情況出現(xiàn)，高鐵動車組WiFi運營服務(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)。這是因為列車同時接入三大運營商的3G/4G網(wǎng)絡(luò)，由于不同運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

高鐵動車組作為運輸量極大的公共交通工具，每天進行平均長達11個小時的長距離行駛。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。鐵路動車組WiFi運營服務(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營商的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，保證了鐵路動車組WiFi運營服務(wù)系統(tǒng)能夠為乘客提供吞吐量穩(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一步深化研究，提高系統(tǒng)性能，增強用戶體驗。