[lang_en-us]Vehicle Communication[/lang_en-us][lang_jp]車両通信[/lang_jp]

[lang_en-us]

Network mobility has lately attracted considerable attention to provide the passengers on vehicles with internet connectivity. The goal of this research is to provide the mobile network installed in trains faster than 300 km/h with faster than 1 Gbps IPv6 connectivity and to achieve fast handover. For faster than 1 Gbps connectivity, infrared communication devices are employed instead of radio communication devices. As the network mobility protocol in IPv6, NEMO Basic Support Protocol is adopted. This research focuses on a fast handover mechanism in the network layer. For fast handover, a cross-layer architecture called CEAL (Cross-layer control information Exchange between Arbitrary Layers) is employed. The proposed fast handover mechanism was installed on Linux. As the first step of the goal, we had a field test using a train in service of JR-West (West Japan Railway Company). The speed of the train is 120-130 km/h. The total handover time is 124.0 msec in the best case. Bi-directional video streaming was also succeeded.

Assumed Network Configuration

Figure 1 shows the assumed network configuration in this research. The infrared communication device (IR-CD) is regarded as a repeater from the mobile router (MR) viewpoint. The IR-CD is installed at the rear of the train and is connected to the MR. In the NEMO side, a WiFi access point is connected to the MR and provides the users with Internet connectivity.

Along the railway, the IR-CDs are installed. Several IR-CDs are connected to the same access router (AR), which is connected to the global Internet. The home agent (HA) and correspondent nodes (CNs) are also connected to the global Internet.

As the train runs, the IR-CD and the MR on the train execute handover. In case that a handover occurs between the two IR-CDs that are connected to the same AR, the handover is L2 handover, i.e., the care-of address (CoA) of the MR remains unchanged. In case that a handover occurs between the two IR-CDs that are connected to different ARs, the handover is L3 handover, i.e., the CoA of MR changes. The MR must sends the Binding Update message to the HA.

Control Line between the IR-CD and the MR

Since the IR-CD is regarded as a repeater from MR and AR viewpoints, the MR and the AR cannot detect link-up and link-down between the two IR-CDs. To make it possible for the MR to detect link-up and link-down, we installed a control cable between the IR-CD and the MR in addition to data cable as shown in Figure 2. The IR-CD sends the LinkUp or LinkDown control message to the MR when the link is connected or disconnected, respectively. In the MR, these L2 events are notified to L3 by CEAL.

Fast Handover Procedure

Figure 3 shows the fast handover procedure.

  1. When the link between the IR-CD on the train and that on the ground is disconnected, the IR-CD on the train sends the LinkDown control message to the MR.
  2. L2 of the MR delivers L2-LinkDown.ind to L3.
  3. When the IR-CD on the train is connected to the new IR-CD, it sends the LinkUp control message to the MR.
  4. L2 of the MR delivers L2-LinkUp.ind to L3.
  5. The MR sends the router solicitation (RS) to the AR.
  6. The MR receives the router advertisement (RA) from the AR and detects that whether this handover is L2 handover or L3 handover. If the handover is L2 handover, the handover procedure finishes at this point.
  7. If the handover is L3 handover, the MR sends the binding update (BU) to the HA.
  8. The MR receives the binding acknowledgment (BA) from the MA.

Field Experiments

We had a field test using a train in service of JR-West (West Japan Railway Company) from January 26 to 27 and January 31 to February 2, 2010. The test area was between Tachibana Station and Koshienguchi Station of Tokaido Line. Figure 4 shows the network configuration of this field test. Figure 5 shows some photos about the test.

The speed of the train was 120-130 km/h in the test area. We measured the tracking performance of the IR-CD, the handover time, and the TCP/UDP throughput. We also tried bi-directional video streaming transmission.

As a result, the handover time was 124.0 msec in the best case while it was about 800 msec in the worst case. Bi-directional video streaming was also successful.

[/lang_en-us][lang_jp]

乗り物の乗客にインターネット接続を提供するために,ネットワークモビリティは近年大きな注目を集めている.本研究の目標は時速300km以上の列車に1Gbps以上のIPv6接続のモバイルネットワークを組み込み,高速ハンドオーバーを実現することである.1Gbps以上の接続のために赤外線通信装置を無線通信装置の代わりに用いる.IPv6におけるネットワークモビリティのプロトコルとして,NEMO Basic Support Protocolを取り入れる.本研究はネットワークレイヤにおける高速ハンドオーバー機構に力を入れている.高速ハンドオーバーのために,CEAL (Cross-layer infomation Exchange between Arbitray Layers)と呼ばれるクロスレイヤアーキテクチャが採用されている.提案した高速ハンドオーバー機構はLinuxに組み込まれた.目標の最初の段階として,我々はJR西日本で運行中の列車を使った実地試験を行った.列車の速度は時速120-130kmである.ハンドオーバーの合計時間は最良の場合で124.0ミリ秒であった.双方向のビデオストリーミングも成功した.

想定されるネットワーク環境

図1は本研究で想定されるネットワーク環境を示している.InfraRed Communication Device (赤外線通信装置: IR-CD)はMobile Router(MR)からは中継器とみなされる.IR-CDは列車の近くに設置され,MRと接続する.NEMO側では,WiFiアクセスポイントがMRと接続し,利用者にインターネットを提供する.

線路に沿ってIR-CDは設置される.いくつかのIR-CDが同じAccess Router (AR)に接続し,ARはグローバルインターネットに接続する.Home Agent (HA)とCorrespondent Node(通信相手: CN)も同様にグローバルインターネットに接続する.

列車が走っているときに,IR-CDと列車内のMRはハンドオーバーを行う.ハンドオーバーが同じARに接続している二つのIR-CD間で起きる場合,これはL2ハンドオーバーである.すなわち,MRのCare-of Address (気付アドレス: CoA)は変わらないままである.ハンドオーバーが異なるARに接続している二つのIR-CD間で起きるとき,これはL3ハンドオーバーである.すなわちMRのCoAは変わる.MRはバインディングアップデートメッセージをHAに送信しなければならない.

IR-CD,MR間の制御線

MRとARの観点からIR-CDは中継器のように考えるので,MRとARはIR-CD間のリンクアップとリンクダウンを検知することができない.MRにリンクアップとリンクダウンの検知をできるようにするため,図2に示すように我々はデータケーブルに加えて制御ケーブルをIR-CDとMRの間に取り付けた.リンクに接続か切断したときにIR-CDはそれぞれリンクアップとリンクダウンの制御メッセージをMRに送信する.MRではこれらのL2イベントがCEALによってL3に通知される.

高速ハンドオーバー処理手順

図3に高速ハンドオーバーの手順を示す.

  1. 列車と地上のIR-CD間のリンクが切断されたとき,列車のIR-CDはLinkDown control message (リンクダウン制御メッセージ)をMRに送信する.
  2. MRのL2はL2-LinkDown.ind (L2のリンクダウンの検知)をL3に伝える.
  3. 新しいIR-CDと接続したとき,列車のIR-CDはLinkDown control message (リンクアップ制御メッセージ)をMRに送信する.
  4. MRのL2はL2の L2-LinkUp.ind (リンクアップ)の検知をL3に伝える.
  5. MRはRouter Solication (ルータ要請: RS)をARに送信する.
  6. MRはRouter Advertisement (ルータ広告: RA)をARから受け取りL2ハンドオーバーかL3ハンドオーバーかを検知する.ハンドオーバー処理はここで終了する.
  7. L3ハンドオーバーなら,MRはBinding Update (バインディング更新: BU)をHAに送信する.
  8. MRはBinding Acknowledgement (バインディング応答: BA)をMAから受信する.

実地試験

我々は2010年1月26日から27日と1月31日から2月2日にJR西日本で運行中の列車を用いて実地試験を行った.試験区間は東海道本線の立花駅と甲子園口駅の間で行った.図4はこの実地試験におけるネットワーク構成を示しており,図5は試験の様子についての写真である.

試験区間での列車のスピードは時速120-130kmであった.我々が測定したのはIR-CDのトラッキング性能,ハンドオーバー時間,そしてTCP/UDPのスループットである.同様に双方向のビデオストリーミング転送も試験した.

結果として,ハンドオーバー時間は最良で124.0ミリ秒,最悪で800ミリ秒であった.双方向のビデオストリーミングは成功した.

[/lang_jp]

Leave a Reply

Posted In:

Leave a Comment