基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的旅客列車服務(wù)信息系統(tǒng)研究

張秋亮，周培森，方 凱，楊國元

(中國鐵道科學研究院 電子計算技術(shù)研究所，北京，100081)

基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的旅客列車服務(wù)信息系統(tǒng)研究

張秋亮，周培森，方 凱，楊國元

(中國鐵道科學研究院 電子計算技術(shù)研究所，北京，100081)

針對我國既有旅客列車服務(wù)信息系統(tǒng)存在的不足，本文在分析旅客旅行需求信息的基礎(chǔ)上，提出基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的旅客列車服務(wù)信息系統(tǒng)設(shè)計方案，分析系統(tǒng)基本功能、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)；列車局域網(wǎng)；旅客列車；信息服務(wù)

我國鐵路部門從上世紀80年代后期就開始研發(fā)客運管理信息系統(tǒng)[1～3]，90年代開始，先后建設(shè)了TMIS、PMIS、DMIS等，這些系統(tǒng)的研發(fā)及建設(shè)極大地提高了我國鐵路的現(xiàn)代化管理和運營水平。然而以旅客需求為向?qū)?，面向旅客服?wù)的信息系統(tǒng)功能還不完善。列車為旅客提供的信息極為有限，除了廣播外，只能在車廂兩頭的LED顯示屏循環(huán)滾動顯示車速、氣溫、前方?？空镜刃畔?，而這些信息單一、單向傳播、時效性差，缺少互動性，缺乏娛樂性。針對這種情況，分析旅客各種信息需求，研究建設(shè)旅客列車服務(wù)信息系統(tǒng)，為旅客提供人性化的信息服務(wù)，可以提高鐵路旅客運輸?shù)母偁幜Α?/p>

1 系統(tǒng)需求分析

1.1 旅客需求信息分析

根據(jù)旅客出行各階段所需時間統(tǒng)計，旅客從出發(fā)地到目的地的旅行中，在交通運輸車輛上停留的時間約占整個旅行時間2/3以上。因此，建設(shè)旅客列車服務(wù)系統(tǒng)顯得尤為重要。旅客在途信息需求主要分為以下4項。

（1）列車運行狀態(tài)：運行速度，運行區(qū)間，前方到站，正晚點情況以及晚點原因等。

（2）信息服務(wù)：列車時刻表，換乘方案，新聞資訊，沿途站點天氣預(yù)報，沿途站城市風光及旅游資源，酒店和票務(wù)預(yù)訂，沿途站點公交信息等。

（3）互聯(lián)網(wǎng)訪問服務(wù)：旅客利用自己攜帶的移動設(shè)備（智能手機、筆記本電腦等）接入互聯(lián)網(wǎng)。

（4）娛樂服務(wù)：音頻，視頻點播，游戲等。

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)需求分析

旅客列車服務(wù)信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)需求分為兩類：

（1）無線通信網(wǎng)：列車需要通過運營商提供的無線通信網(wǎng)絡(luò)滿足旅客訪問互聯(lián)網(wǎng)信息的需求。

（2）列車無線局域網(wǎng)：列車需要利用車內(nèi)的無線局域網(wǎng)來滿足旅客多媒體信息、娛樂服務(wù)等需求。

2 系統(tǒng)解決方案及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 解決方案

根據(jù)目前公共移動通信網(wǎng)絡(luò)和鐵路專用移動通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀，旅客列車服務(wù)信息系統(tǒng)設(shè)計的最大瓶頸在于既有的無線通信網(wǎng)絡(luò)無法滿足系統(tǒng)信息傳輸?shù)男枰?/p>

當前，在高速移動的列車上，旅客通過基于蜂窩移動通信技術(shù)的2 G或3 G窄帶無線網(wǎng)絡(luò)訪問互聯(lián)網(wǎng)，經(jīng)常會出現(xiàn)掉線或無法訪問的現(xiàn)象，尤其是在高速鐵路上，無法保持不間斷的可靠連接。盡管鐵路部門采用GSM-R（GSM for Railway）技術(shù)為列車提供的無線網(wǎng)絡(luò)能滿足時速500 km以下的列車不間斷地接入互聯(lián)網(wǎng)，然而該技術(shù)的頻率帶寬目前只有4 MHZ，該網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上仍然是2 G移動通信技術(shù)，在移動環(huán)境下，其帶寬也只有幾kbit/s，無法滿足列車上旅客訪問互聯(lián)網(wǎng)的需求。

為此，本文提出一種基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方案。旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)由列車無線局域網(wǎng)、車-地寬帶連接和地面無線Mesh網(wǎng)絡(luò)3層結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。

圖1 旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)數(shù)據(jù)流的源和目的地址，可以將旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分兩大類：車內(nèi)數(shù)據(jù)流和車-地間數(shù)據(jù)流。對于車內(nèi)數(shù)據(jù)流，直接在列車無線局域網(wǎng)內(nèi)部高速轉(zhuǎn)發(fā)。對于車-地間數(shù)據(jù)流，由車-地寬帶連接實現(xiàn)車地數(shù)據(jù)快速交互。由于我國鐵路現(xiàn)有的交互網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)一般只到達主要站段，沿線部署的無線基站難以實現(xiàn)直連，可通過地面無線Mesh網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)匯聚。

2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的最大特點是網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都可以發(fā)送和接收信號，每個無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都可以與一個或者多個對等的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點直接進行通信，每個無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都可以同時作為無線接入點（AP）和路由器。因此，在組建無線Mesh網(wǎng)絡(luò)時，列車上只需設(shè)置一個接入點（車載Mesh設(shè)備）即可，每節(jié)車廂中設(shè)置的AP與車廂內(nèi)旅客使用的智能手機、筆記本電腦等移動終端均可視為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，這樣可以很好地保證網(wǎng)絡(luò)的連通性和穩(wěn)定性。

旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)的核心部分是地面無線Mesh網(wǎng)絡(luò)以及列車內(nèi)部無線局域網(wǎng)的組建。

2.2.1 地面無線Mesh網(wǎng)絡(luò)

鐵路無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的核心部分是鐵路沿線架設(shè)的無線Mesh基站，固定Mesh基站的間距平均為2 km，直線區(qū)域Mesh基站間距離略大，而山區(qū)和隧道區(qū)域Mesh基站間距在1.5 km左右。固定Mesh基站之間的互聯(lián)采用5.8 GHz技術(shù)，對車輛的接入也采用5.8 GHz頻段技術(shù)。固定Mesh基站經(jīng)過多跳無線組網(wǎng)之后，進入到就近的光纖節(jié)點處。為了保證車輛高速移動的情況下能夠在固定Mesh基站之間快速切換，必須在車輛上安裝移動車載Mesh設(shè)備。該網(wǎng)絡(luò)支持移動速度高達300 km/h的漫游切換。

鐵路無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中主要使用2種Mesh基站。（1）光纖落地節(jié)點固定基站采用GCM8622 Mesh基站，即每個光纖落地點均需放置1套GCM8622。該基站內(nèi)置3塊802.11n模塊，可以為系統(tǒng)提供更高的整體性能。按照實際環(huán)境的經(jīng)驗值，每個802.11n扇區(qū)在1 km內(nèi)可提供70 Mbps以上的匯聚吞吐量。（2）沿線的無線中繼節(jié)點基站采用GCM8632 Mesh基站，即在鐵路沿線光纖無線中繼基站使用GCM8632設(shè)備，該設(shè)備內(nèi)置3塊802.11n模塊，其中2塊5.8 GHz模塊分別處理Mesh上行和Mesh下行的通信，保證無線網(wǎng)絡(luò)多跳的高寬帶和低時延，另一個5.8 GHz模塊處理移動車載Mesh設(shè)備的無線接入，支持第三方太陽能電池供電。地面無線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 地面無線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 列車無線局域網(wǎng)

在每節(jié)車廂設(shè)置1個AP，在整列車最中央的那節(jié)車廂設(shè)置1臺車載Mesh設(shè)備、1臺路由器和流媒體服務(wù)器，整列車通過車載Mesh設(shè)備與鐵路兩邊的基站建立連接，形成1個無線局域網(wǎng)絡(luò)。而車廂內(nèi)部以車載流媒體服務(wù)器為中心，以各車廂AP為節(jié)點，組成1個車域無線網(wǎng)絡(luò)。目前，我國的動車組在出廠時已經(jīng)部署了內(nèi)部的AP，只需在中央控制部分增加1套流媒體服務(wù)器即可滿足列車內(nèi)部無線局域網(wǎng)的組網(wǎng)需求。

車載Mesh設(shè)備采用GCM8300設(shè)備，該設(shè)備保證列車在高速移動和快速切換下依然保證無間斷通信，提供至少40 Mbps車地通信帶寬。GCM8300設(shè)備內(nèi)置1個5.8 GHz 802.11n無線模塊，并提供1個千兆以太網(wǎng)接口，用于連接車載路由器。

3 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用B/S架構(gòu)，部署在車載流媒體服務(wù)器上。旅客可通過列車內(nèi)部的無線局域網(wǎng)和自己攜帶的移動設(shè)備（智能手機、平板電腦、筆記本電腦等）直接訪問該軟件。

旅客列車服務(wù)信息系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能。

（1）列車運行狀態(tài)查詢

提供列車當前運行速度、運行區(qū)間、前方到站、正晚點情況以及晚點原因等信息的查詢。

（2）信息服務(wù)

提供列車時刻表、換乘方案、新聞資訊、沿途站點天氣預(yù)報、沿途站城市風光及旅游資源、沿途站點公交信息以及酒店和票務(wù)預(yù)訂。

（3）娛樂服務(wù)

提供音頻點播、視頻點播、局域網(wǎng)游戲等功能。

（4）互聯(lián)網(wǎng)訪問服務(wù)

為旅客提供互聯(lián)網(wǎng)不間斷連接的訪問服務(wù)。

4 結(jié)束語

我國正處于經(jīng)濟高速發(fā)展時期，各種運輸方式發(fā)展迅速，要想在激烈的運輸市場中取得有利地位，除了需要升級硬件設(shè)施外，也應(yīng)以旅客為本，為旅客提供人性化的信息服務(wù)?？梢源_信，基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的旅客列車服務(wù)信息系統(tǒng)的建設(shè)將極大地提高鐵路旅客服務(wù)質(zhì)量，改善鐵路形象，為我國鐵路信息化建設(shè)做出貢獻。

[1]張 霞，趙 瑜.關(guān)于鐵路旅客綜合服務(wù)信息系統(tǒng)的研究[J].交通運輸系統(tǒng)工程與信息，2004（2）：64-67.

[2]陽建鳴,戴賢春,祝繼常.面向旅客服務(wù)的現(xiàn)代化鐵路綜合信息系統(tǒng)[J].中國鐵路，2003（3）：27-32.

[3]王 焱.鐵路旅客服務(wù)信息系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2007，l17（5）.

責任編輯 楊利明

Study on Passenger Train Service Information System based on Wireless Mesh Network technology

ZHANG Qiuliang, ZHOU Peisen, FANG Kai, YANG Guoyuan
（Institute of Computing Technologies, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China）

In view of the existing deficiencies in Passenger Train Service Information System, this paper analyzed the information of passenger demand, put forward the design plan of Passenger Train Service Information System based on the Wireless Mesh Network technology, and then analyzed the basic function, network architecture and key technologies of the System.

Wireless Mesh Network(WMN); train LAN; passenger trains; information service

U285.2∶TP39

A

1005-8451（2014）02-0011-03

2013-08-15

鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目（2011X014-D）。

張秋亮，助理研究員；周培森，助理研究員。