无线通信系统在高速铁路中的应用范文

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高速铁路区别于其他一般的铁路，就在于其速度可以达到每小时200千米以上，最快的记录是每小时486千米。在高速铁路上行驶的过程中，基站信道便会快速进行转换，那么就会导致多普勒效应，这样一来，在列车中进行无线数据交换时，速度会十分缓慢，而且通话也会被中断。如何在高速列车上做好无线网络和通话工作成为了一个难题。现在针对这些问题，不外乎有这些做法：一种是加大基站发射频率及密度，相应地也会增加运营商的成本；一种是设置车载转发系统或对现有通信制式及算法进行有针对性的优化。显然第一种做法不会赢得运营商的青睐，第二种做法凭借较高的可行性，已经在高铁无线通信领域中占领了高地。

1无线通信系统的结构

在2009年的时候，在日本的高速铁路夜上海论坛中就早已经有了无线网络，而且速度也非常可观，下载速度一般可以达到2Mbps。但是并不是十全十美的：人们手里的高科技产品越来越多，连接的设备越来越多，这就造成速度比较缓慢。而且无线网络并不是全面覆盖的，而是在特定的区域内享有。为了改善无线通信系统，鄙人提出了以Wi-Fi为基础的无线数据交换系统，这个系统最大的亮点便是在Wi-Fi的支持下，速度可以达到16Mbps。无线数据交换系统包括四个方面：部署智能天线、Wi-Fi桥接以及地面天线的部署、Wi-Fi桥接及车载天线、使用移动IPv4地址进行网络配置。下面就从这四个方面展开论述。

1.1部署智能天线考虑到在同一轨道上，车厢的轨迹并不会有多大的区别，那么就为车载天线和地面对应天线之间的对接提供了良好的条件。当车厢处于天线阵列中时，多普勒频移规律便会发生作用，使得无线通信保持顺畅。因为智能天线能够根据周围的环境自动改变指向，这样就使得车厢里的无线网络覆盖比较均匀。

夜上海论坛1.2Wi-Fi桥接以及地面天线的部署在无线数据交换系统中配备了11个地面的Wi-Fi无线桥接。从每个天线传输出来的信息方向和铁路的轨迹是平行的，而且只要保持天线之间合理的间距，那么就可以保证接收信号的强度，一般来说天线之间的距离保持在500米。

1.3Wi-Fi桥接及车载天线在机长的车厢里面，同样少不了Wi-Fi桥接设备及智能天线的身影。因为如果在机长车厢中会屏蔽掉无线网络，那么就会造成无线网络通信之间的不顺畅，反而适得其反。因此，在机长车厢中也要配备Wi-Fi桥接设备及智能天线的身影。

夜上海论坛1.4使用移动IPv4地址进行网络配置在利用移动IPv4地址进行网络配置的过程中，象征本地的是HA，象征外部的是FA。在一个网络系统中需要三个外部和一个本地，他们都属于同一个的网段，而且在每个外部中，还配备了3个到4个的Wi-Fi无线网桥设备。在检测网络层切换的功能过程中，还要利用到3个外部的子网络。网络中Wi-Fi无线网桥设备和交换机进行交换的方式采用的是串联的形式。因此在列车上面，可以见到Wi-Fi无线桥接和移动路由的身影。

2链路层切换流程

夜上海论坛在网络配置中使用思科AIR-BR1310G-J-K9-R作为Wi-Fi无线网桥设备，该设备能够很好的支持无线链路层的快速切换。其大致工作流程为：外部触发切换，该切换请求来源于数据请求量超过预先设定阈值，或者RSSI接收值低于阈值等原因。如果是数据请求量过大所导致的切换，无线连接将会被一直处于激活状态直到该切换引致物理连接的失败，在这种情形下，车载天线将在失去连接之后主动搜索新的可用Wi-Fi无线网桥设备。如是因为RSSI接收量过低所导致的L2HO触发，此时车载天线和地面天线仍将保持连接，但车载天线将在之前的连接断开前开始主动搜索新的可用Wi-Fi网桥设备。此时链路层（L2HO）切换时间将会较短。在我们的仿真实验中将L2HO阈值设置为-85dBm，这也是最小RSSI接收量。不管是哪一种触发方式，L2HO都将会以下的流程进行切换：第一步，扫描可用的无线网桥设备；第二部，检查SSID（ServiceSetIdentifier）和密码并丢弃无效的密码匹配；第三部，在搜索结果中连接最优的无线网桥；第五步，车载BR发送使用子网接入协议（SNAP）的数据链路层广播帧；第六步，地面网桥接收到特定广播帧后主动更新无线网桥设备和第二层交换机（L2SWs）的MAC地址链表；第七步，地面和列车间便可在各设备间进行网络流量的交换。

3网络层切换流程

在一般情况下，列车都是车轨道上行驶，所以车载MR和外部之间进行无线访问还是比较稳定。因为三个外部并不是属于同一个子网，所以在FA中便有了快捷通道的产生，并且利用了思科Catalyst2960交换机。在另一个交换机里面，端口会对里面的配置进行保护，避免广播帧和组播帧被打断。这样一来，就使得靠的比较近的无线网桥设备之间就能进行数据的传输。举个例子，如果列车从左方开过来，Wi-Fi连接顺序为BR1-11然后是BR1-12。同样的一个移动IPv4隧道会通过外部FA1建立。当车运行到BR1-13区域时，车载MR可以侦听到FA2及FA1的移动IPv4报文。之后车载MR通过向FA2发送一个注册请求开始第三层切换。值得强调的是，除更新路由表所需的大约20ms外，整个过程中数据流量是一直保持传输的。

4小结

本文主要讲述了以无线网桥为基础的高速铁路无线通信系统。在这个无线系统中，链路层和网络层之间可以进行顺畅切换，不会轻易发生掉线的情况，这样一来，就使得高速铁路上的无线网络能够为车上的旅客提供便利，创造更好的列车服务。

作者：姜鑫 单位：中国联合网络通信有限公司天津市分公司