無線局域網(wǎng)技術(shù)特征與鐵路行業(yè)無線應用前景的研究

王 昳 上海鐵路局信息技術(shù)所

隨著網(wǎng)絡的飛速發(fā)展以及筆記本電腦的普及，人們對移動辦公的要求越來越高。傳統(tǒng)的有線局域網(wǎng)要受到布線的限制，如果建筑物中沒有預留的線路，布線以及調(diào)試的工程量將非常大，而且線路容易損壞，給維護和擴容等帶來不便，網(wǎng)絡中的各節(jié)點的搬遷和移動也非常麻煩。因此高效快捷、組網(wǎng)靈活的無線局域網(wǎng)便應運而生。

隨著無線局域網(wǎng)（WLAN）、第三代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（3G）等無線互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的產(chǎn)生和應用，一種新型的網(wǎng)絡—無線網(wǎng)絡使人們的網(wǎng)上生活變得更加自如，那種拿著筆記本電腦，在智能大廈的任意位置行走，隨時隨地下載資料、打印文件等早已不是電影中的情節(jié)了。

移動計算技術(shù)的日益普及和工業(yè)標準逐步被市場所采納和接受,以及無線網(wǎng)絡在技術(shù)上的成熟,產(chǎn)品種類的不斷增加和成本的下降,無線網(wǎng)在全世界還將有較大的發(fā)展,它將擴展有線局域網(wǎng)或在某些情況下取而代之。無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它以無線多址信道作為傳輸媒介，提供傳統(tǒng)有線局域網(wǎng)的功能，能夠使用戶真正實現(xiàn)隨時、隨地、隨意的寬帶網(wǎng)絡接入。

WLAN技術(shù)使網(wǎng)上的計算機具有可移動性，能快速、方便地解決有線方式不易實現(xiàn)的網(wǎng)絡信道的連通問題。WLAN利用電磁波在空氣中發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而無需線纜介質(zhì)。

1 無線局域網(wǎng)的概念

WLAN(Wireless Local Area Network)是利用無線通信技術(shù)在一定的局部范圍內(nèi)建立的網(wǎng)絡，是計算機網(wǎng)絡與

2 無線局域網(wǎng)的技術(shù)特征

2.1 無線局域網(wǎng)的特點

WLAN開始是作為有線局域網(wǎng)絡的延伸而存在的，各團體、企事業(yè)單位廣泛地采用了WLAN技術(shù)構(gòu)建辦公網(wǎng)絡。但隨著應用的進一步發(fā)展，WLAN正逐漸從傳統(tǒng)意義上的局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展成為“公共無線局域網(wǎng)”，成為國際互聯(lián)網(wǎng)INTERNET寬帶接入手段。WLAN具有易安裝、易擴展、易管理、易維護、高移動性、保密性強、抗干擾等特點。

(1)無線技術(shù)成熟,性能穩(wěn)定。無線技術(shù)的利用已相當普及,而且性能穩(wěn)定,帶寬高,傳輸質(zhì)量較好。

(2)無線設(shè)備提供的帶寬已能滿足需要。無線設(shè)備現(xiàn)在已可提供11Mbps的帶寬,完全滿足用戶的網(wǎng)絡需要。而且無線技術(shù)發(fā)展迅速,現(xiàn)在的工作在ISM 5.8GHz頻段的無線設(shè)備速率已達54Mbps。

(3)投資較少,組網(wǎng)快,可擴展性較強,組網(wǎng)靈活。相對于光纖,無線設(shè)備投資很少,成本只是敷設(shè)光纖的1/4,甚至更低,而且可擴展性較強,在無線覆蓋的區(qū)域,遠端各點只需架設(shè)天線即可和中心機房相連,組網(wǎng)方便快捷,而且節(jié)約了預敷設(shè)光纖的大量資金。

(4)安全性好,抗災能力強。隨著無線技術(shù)的發(fā)展和應用的普及,無線網(wǎng)絡已具有相當?shù)陌踩浴?/p>

(5)通信距離遠,覆蓋范圍大(25km),基站可以將鄉(xiāng)鎮(zhèn)覆蓋上。

(6)專網(wǎng)專用。利于管理維護,可入固定資產(chǎn)。并且移動性好,可隨網(wǎng)點搬遷移動。

(7)無線組網(wǎng)作為有線的補充,能彌補有線的不足,為最終用戶提供一個自由、移動、方便的網(wǎng)絡環(huán)境。

2.2 目前主流無線局域網(wǎng)的標準

由于WLAN是基于計算機網(wǎng)絡與無線通信技術(shù)，在計算機網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，邏輯鏈路控制（LLC）層及其之上的應用層對不同的物理層的要求可以是相同的，也可以是不同的，因此，WLAN標準主要是針對物理層和媒質(zhì)訪問控制層(MAC)，涉及到所使用的無線頻率范圍、空中接口通信協(xié)議等技術(shù)規(guī)范與技術(shù)標準。

2.2.1 IEEE802.11

1990年IEEE802標準化委員會成立IEEE802.11WLAN標準工作組。IEEE802.11 （別名：Wi-Fi(WirelessFidelity)無線保真）是在1997年6月由大量的局域網(wǎng)以及計算機專家審定通過的標準，該標準定義物理層和媒體訪問控制(MAC)規(guī)范。物理層定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘柼卣骱驼{(diào)制，定義了兩個RF傳輸方法和一個紅外線傳輸方法，RF傳輸標準是跳頻擴頻和直接序列擴頻，工作在2.4000～2.4835GHz頻段。

IEEE802.11是IEEE最初制定的一個無線局域網(wǎng)標準，主要用于解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中用戶與用戶終端的無線接入，業(yè)務主要限于數(shù)據(jù)訪問，速率最高只能達到2Mbps。由于它在速率和傳輸距離上都不能滿足人們的需要，所以IEEE802.11標準被IEEE802.11b所取代了。

2.2.2 IEEE802.11b

1999年9 月IEEE802.11b被正式批準，該標準規(guī)定WLAN工作頻段在2.4~2.4835GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率達到11Mbps,傳輸距離控制在50~150英尺。該標準是對IEEE802.11的一個補充，采用補償編碼鍵控調(diào)制方式，采用點對點模式和基本模式兩運作模式，在數(shù)據(jù)傳輸速率方面可以根據(jù)實際情況在11Mbps、5.5Mbps、2Mbps、1Mbps的不同速率間自動切換，它改變了WLAN設(shè)計狀況，擴大了WLAN的應用領(lǐng)域。

IEEE802.11b已成為當前主流的WLAN標準，被多數(shù)廠商所采用，所推出的產(chǎn)品廣泛應用于辦公室、家庭、賓館、車站、機場等眾多場合，但是由于許多WLAN的新標準的出現(xiàn)，IEEE802.11a和IEEE802.11g更是倍受業(yè)界關(guān)注。

2.2.3 IEEE802.11a

1999年，IEEE802.11a標準制定完成，該標準規(guī)定WLAN工作頻段在5.15~8.825GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率達到54Mbps/72Mbps(Turbo),傳輸距離控制在10~100(m)。該標準也是IEEE 802.11的一個補充，擴充了標準的物理層，采用正交頻分復用（OFDM）的獨特擴頻技術(shù)和QFSK調(diào)制方式，可提供25Mbps的無線ATM接口和10Mbps的以太網(wǎng)無線幀結(jié)構(gòu)接口，支持多種業(yè)務如話音、數(shù)據(jù)和圖像等，一個扇區(qū)可以接入多個用戶，每個用戶可帶多個用戶終端。

IEEE802.11a標準是 IEEE802.11b的后續(xù)標準，其設(shè)計初衷是取代802.11b標準。然而，工作于2.4GHz頻帶是不需要執(zhí)照的，該頻段屬于工業(yè)、教育、醫(yī)療等專用頻段，是公開的，工作于5.15~8.825GHz頻帶需要執(zhí)照的。一些公司仍沒有表示對802.11a標準的支持，一些公司更看好最新混合標準IEEE802.11g。

2.2.4 IEEE802.11g

目前,IEEE推出最新版本IEEE802.11g認證標準,該標準提出擁有IEEE802.11a的傳輸速率，安全性較IEEE802.11b好，采用2種調(diào)制方式，含802.11a中采用的OFDM與IEEE802.11b中采用的CCK，做到與802.11a和802.11b兼容。

雖然802.11a較適用于企業(yè)，但WLAN運營商為了兼顧現(xiàn)有802.11b設(shè)備投資，選用802.11g的可能性極大。

2.2.5 IEEE802.11i

IEEE802.11i標準是結(jié)合IEEE802.1x中的用戶端口身份驗證和設(shè)備驗證，對WLANMAC層進行修改與整合,定義了嚴格的加密格式和鑒權(quán)機制，以改善WLAN的安全性。IEEE802.11i新修訂標準主要包括兩項內(nèi)容："Wi-Fi保護訪問"(Wi-Fi Protected Access：WPA) 技術(shù)和"強健安全網(wǎng)絡"(RSN)。Wi-Fi聯(lián)盟計劃采用 802.11i標準作為WPA的第二個版本，并于2004年初開始實行。

IEEE802.11i標準在WLAN網(wǎng)絡建設(shè)中的是相當重要的，數(shù)據(jù)的安全性是WLAN設(shè)備制造商和WLAN網(wǎng)絡運營商應該首先考慮的頭等工作。

2.2.6 IEEE802.11e/f/h

IEEE802.11e標準對WLANMAC層協(xié)議提出改進，以支持多媒體傳輸以及所有WLAN無線廣播接口的服務質(zhì)量保證QOS機制。

IEEE802.11f定義訪問節(jié)點之間的通訊，支持IEEE802.11的接入點互操作協(xié)議（IAPP）。

IEEE802.11h用于802.11a的頻譜管理技術(shù)。

2.3 無線局域網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

2.3.1 室外網(wǎng)絡

無線局域網(wǎng)在室外主要有以下幾種結(jié)構(gòu)：點對點型、點對多點型、多點對點型和混合型。

(1)點對點型。該類型常用于固定的要聯(lián)網(wǎng)的兩個位置之間，是無線聯(lián)網(wǎng)的常用方式，使用這種聯(lián)網(wǎng)方式建成的網(wǎng)絡，優(yōu)點是傳輸距離遠，傳輸速率高，受外界環(huán)境影響較小。

(2)點對多點型。該類型常用于有一個中心點，多個遠端點的情況下。其最大優(yōu)點是組建網(wǎng)絡成本低、維護簡單，而且由于中心使用了全向天線，設(shè)備調(diào)試相對容易。但該種網(wǎng)絡的缺點也是因為使用了全向天線，波束的全向擴散使得功率大大衰減，網(wǎng)絡傳輸速率低，對于較遠距離的遠端點，網(wǎng)絡的可靠性不能得到保證。

(3)混合型。這種類型適用于所建網(wǎng)絡中有遠距離的點、近距離的點，還有建筑物或山脈阻擋的點。在組建這種網(wǎng)絡時，綜合使用上述幾種類型的網(wǎng)絡方式，對于遠距離的點使用點對點方式，近距離的多個點采用點對多點方式，有阻擋的點采用中繼方式。

2.3.2 室內(nèi)網(wǎng)絡

無線局域網(wǎng)的室內(nèi)應用有以下兩類情況：

(1)獨立的無線局域網(wǎng)。這是指整個網(wǎng)絡都使用無線通信的情形。在這種方式下可以使用AP，也可以不使用AP。在不使用AP時，各個用戶之間通過無線直接互聯(lián)。但缺點是各用戶之間的通信距離較近，且當用戶數(shù)量較多時，性能較差。

(2)非獨立的無線局域網(wǎng)。在大多數(shù)情況下，無線通信是作為有線通信的一種補充和擴展。我們把這種情況稱為非獨立的無線局域網(wǎng)。在這種配置下，多個AP通過線纜連接在有線網(wǎng)絡上，以使無線用戶即能夠訪問網(wǎng)絡的各個部分。

2.4 無線局域網(wǎng)的安全技術(shù)

無線局域網(wǎng)采用公共的電磁波作為載體,而電磁波能夠穿越天花板、玻璃、樓層、磚、墻等物體,因此在一個無線局域網(wǎng)接入點的服務區(qū)域中,任何一個無線客戶端都可以接收此接入點的電磁波信號。這樣,非授權(quán)的客戶端也能接收到數(shù)據(jù)信號。也就是說,由于采用電磁波來傳輸信號,非授權(quán)用戶在無線局域網(wǎng)(相對于有線局域網(wǎng))中竊聽或干擾信息就容易得多。所以為了阻止這些非授權(quán)用戶訪問無線局域網(wǎng)絡,從無線局域網(wǎng)應用的第一天開始便引入了相應的安全機制。

實際上,無線局域網(wǎng)比大多數(shù)有線局域網(wǎng)的安全性更高。無線局域網(wǎng)技術(shù)早在第二次世界大戰(zhàn)期間便出現(xiàn)了,它源自于軍方應用。一直以來,安全性問題在無線局域網(wǎng)設(shè)備開發(fā)及解決方案設(shè)計時,都得到了充分的重視。

目前,無線局域網(wǎng)絡產(chǎn)品主要采用的是IEEE(美國電氣和電子工程師協(xié)會)802.11b國際標準,大多應用DSSS(Direct Sequence SpreadSpectrum,直接序列擴頻)通信技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸,該技術(shù)能有效防止數(shù)據(jù)在無線傳輸過程中丟失、干擾、信息阻塞及破壞等問題。802.11標準主要應用三項安全技術(shù)來保障無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?/p>

2.4.1 SSID(Service Set Identifier)技術(shù)

該技術(shù)可以將一個無線局域網(wǎng)分為幾個需要不同身份驗證的子網(wǎng)絡,每一個子網(wǎng)絡都需要獨立的身份驗證,只有通過身份驗證的用戶才可以進入相應的子網(wǎng)絡,防止未被授權(quán)的用戶進入本網(wǎng)絡。

2.4.2 MAC(MediaAccess Control)技術(shù)

應用這項技術(shù),可在無線局域網(wǎng)的每一個接入點下設(shè)置一個許可接入的用戶的MAC地址清單,MAC地址不在清單中的用戶,接入點將拒絕其接入請求。

2.4.3 WEP(Wired Equiva2lent Privacy)加密技術(shù)

因為無線局域網(wǎng)絡是通過電波進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?存在電波泄露導致數(shù)據(jù)被截聽的風險。WEP安全技術(shù)源自于名為RC4的RSA數(shù)據(jù)加密技術(shù),以滿足用戶更高層次的網(wǎng)絡安全需求。

3 無線局域網(wǎng)在鐵路行業(yè)的應用前景

隨著中國邁入鐵路高速時代，鐵路行業(yè)也已開始飛速發(fā)展。因此利用信息技術(shù)手段提升鐵路行業(yè)整體服務質(zhì)量、工作效率和運營安全就起著舉足輕重的作用。無線局域網(wǎng)憑借其自身的許多技術(shù)優(yōu)勢在鐵路行業(yè)的應用范圍將非常廣泛。

3.1 移動辦公環(huán)境

在辦公環(huán)境中使用無線網(wǎng)絡系統(tǒng)，可以使辦公用的計算機具有移動能力，在網(wǎng)絡范圍內(nèi)可實現(xiàn)計算機漫游。各種業(yè)務人員、部門負責人、工程技術(shù)專家和管理人員，只要有可移動計算機或筆記本電腦，無論是在辦公室、會議室、洽談室，甚至在宿舍都可通過無線網(wǎng)絡隨時登錄企業(yè)辦公網(wǎng)查閱資料、獲取信息。通過內(nèi)部無線聯(lián)網(wǎng)的建立，可以擺脫傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡的束縛。

3.2 鐵路車站內(nèi)部無線網(wǎng)絡系統(tǒng)

車站部門眾多、站區(qū)分散，現(xiàn)場環(huán)境比較復雜，有些環(huán)境有時難于鋪設(shè)有線網(wǎng)絡。通過建立無線網(wǎng)絡系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)鐵路各重點區(qū)域的遠程無線聯(lián)網(wǎng)，完成業(yè)務數(shù)據(jù)的實時傳輸與交互，而且可以實現(xiàn)對全部重點區(qū)域現(xiàn)場，如道口、貨場、車站和鐵路沿線環(huán)境的實時視頻監(jiān)控，便于及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，保障生產(chǎn)安全?；谲囌緹o線局域網(wǎng)技術(shù)的運用使得在軟席候車室及城際列車中架設(shè)網(wǎng)絡環(huán)境成為可能，這將大大提高鐵路行業(yè)的服務水平和核心競爭力。

3.3 鐵路貨場數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)

貨場工作人員每日需要錄入貨物流通、庫存等信息。通過設(shè)置采用無線AP對整個貨場地區(qū)進行無線覆蓋以后，我們的工作人員就可以利用支持IEEE802.11b/g傳輸標準的條形碼掃描儀錄入貨物信息，可以通過無線網(wǎng)絡實時傳輸?shù)秸{(diào)度信息中心進行處理，大大提高了工作效率和服務質(zhì)量，避免了不必要的差錯。

3.4 鐵路電力遠動控制系統(tǒng)無線網(wǎng)絡的應用

隨著鐵路電氣化的不斷推進，為進一步提高列車運行速度、降低運輸成本、改善運輸組織，提升鐵路大通道的運輸能力，目前實現(xiàn)電氣化的線路上的供電已經(jīng)普遍使用了電力遠動控制系統(tǒng)。鐵路電力遠動系統(tǒng)由遠動控制主站、遠動終端和通信通道三部分組成，是近年來在國內(nèi)全面推廣的鐵路電力新技術(shù)。該系統(tǒng)在某些不適合鋪設(shè)傳統(tǒng)有線通信通道的供電線路區(qū)段內(nèi)設(shè)置了無線網(wǎng)路，控制主站通過無線網(wǎng)絡對遠動終端進行相應的控制，同時遠動終端也通過無線網(wǎng)絡實時將遙測、遙信、遙調(diào)、遙控等數(shù)據(jù)傳回控制主站。

4 結(jié)束語

無線局域網(wǎng)有許多優(yōu)勢，在諸多領(lǐng)域得到廣泛的應用。巨大的市場潛力是它技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展的源動力，提供更強的QoS功能和更快的速度仍是它發(fā)展的方向。

近年來,隨著適用于無線局域網(wǎng)的產(chǎn)品價格的逐漸下降,相應軟件也逐漸成熟。此外,無線局域網(wǎng)已能夠通過與廣域網(wǎng)相結(jié)合的形式提供移動互聯(lián)網(wǎng)的多媒體業(yè)務。相信在未來,無線局域網(wǎng)將以它的高速傳輸能力和靈活性發(fā)揮更加重要的作用，必將進一步改變我們的工作和生活方式。