基于Wi F i無(wú)線通信系統(tǒng)在高速鐵路中的應(yīng)用

藍(lán) 博

（桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林541004）

高速鐵路最大特點(diǎn)是高速運(yùn)行在200km/h以上的速度區(qū)間內(nèi)，國(guó)內(nèi)最高曾達(dá)到過486.1km/h。在其快速運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)基站信道迅速、頻繁的切換，以及多普勒效應(yīng)的產(chǎn)生，這會(huì)導(dǎo)致列車上無(wú)線數(shù)據(jù)交換速度緩慢、通話不連續(xù)甚至中斷等問題。在高鐵全速運(yùn)行時(shí)要保持與外界的通話和數(shù)據(jù)交換，需要新的通信機(jī)制的產(chǎn)生及高速前提下新一代鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)的研發(fā)。現(xiàn)有的針對(duì)措施主要包括：增大基站發(fā)射頻率及密度，但這將導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)成本的迅速增加；另外可設(shè)置車載轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)或?qū)ΜF(xiàn)有通信制式及算法進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化。后者由于其可行性較高，已逐漸成為高鐵無(wú)線通信的研究重點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

早在2009年日本新干線高鐵線路即采用沿途泄露電纜鋪設(shè)的方式實(shí)現(xiàn)了高鐵車廂中無(wú)線信號(hào)的覆蓋，最高可實(shí)現(xiàn)2Mbps的下載速度。但是隨著智能設(shè)備的普及，用戶對(duì)于高鐵無(wú)線接入有了更高的需求。WiFi接入可有效減少鐵路沿線基站運(yùn)營(yíng)成本，但另一方面由于無(wú)線橋接的覆蓋范圍較小，且車廂高速運(yùn)行會(huì)在無(wú)線鏈路層（二層）和網(wǎng)絡(luò)層（三層）間做頻繁的切換，這兩種切換一旦同時(shí)發(fā)生將導(dǎo)致通訊的暫時(shí)中止，故在高速運(yùn)行環(huán)境下的保證通信質(zhì)量是非常困難的。本文給出了一個(gè)基于WiFi的高鐵無(wú)線數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)，其最大特點(diǎn)為能夠利用WiFi接入實(shí)現(xiàn)最大16Mbps的UDP數(shù)據(jù)包吞吐量。

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括以下部分：1）智能天線部署；2）行車區(qū)間WiFi信號(hào)覆蓋及優(yōu)化；3）支持無(wú)線鏈路層快速切換的無(wú)線網(wǎng)橋；4）高速移動(dòng)IP切換網(wǎng)絡(luò)。

1.1 智能天線的部署

每節(jié)車廂在軌道上的軌跡都是一致的，這可以使得車載天線能夠與地面對(duì)應(yīng)的天線良好的對(duì)接。從而當(dāng)列車通過天線陣列時(shí)，在存在多普勒頻移的條件下能夠保證良好的無(wú)線通信條件。在該過程中充分利用智能天線良好的自適應(yīng)指向特點(diǎn)，使之能夠有效的覆蓋列車軌道范圍。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用所設(shè)計(jì)的智能天線滿足11.5 dBi的方向性增益及40度左右的半值角。

1.2 WiFi橋接及地面天線部署

在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中共包含11個(gè)地面WiFi無(wú)線橋接，由于各個(gè)天線所發(fā)射的信號(hào)方向與鐵軌互相平行，且接收信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)（RSSI）會(huì)隨著天線間距增大而降低，故在系統(tǒng)中每?jī)蓚€(gè)無(wú)線橋接間間距大約為500m。圖1所示為地面天線安裝在距離臨近天線點(diǎn)的RSSI強(qiáng)度約為-85dBm（變化范圍為從-87.2dBm到-81.2dBm）的位置，這其中包含車廂箱體所引致的8.3dB的穿透衰減。此時(shí)的最大菲涅爾半徑為：r=/2=3.94m。考慮到地面以及車載天線本身具有一定的高度，所以在我們的試驗(yàn)中使用更為嚴(yán)苛的半徑條件。

1.3 WiFi橋接及車載天線

在駕駛員車廂中也同樣安裝了WiFi橋接設(shè)備及智能天線。在本測(cè)試系統(tǒng)中考慮列車車廂的屏蔽作用，將其量化為箱體及擋風(fēng)玻璃會(huì)引致8.3dB左右的衰減。圖2所示為車載天線及地面天線的物理關(guān)系示意。

圖1 地面天線配置示意圖

圖2 地面天線與車載天線的物理關(guān)系

1.4 使用移動(dòng)IPv4地址進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置

采用IP路由協(xié)議進(jìn)行移動(dòng)IPv4地址的網(wǎng)絡(luò)配置如圖3所示。其中HA表示本地代理，F(xiàn)A表示外部代理。圖中共包含了一個(gè)本地代理和三個(gè)外部代理，皆部署在同一個(gè)網(wǎng)段下，每個(gè)FA下面部署有3-4個(gè)WiFi無(wú)線網(wǎng)橋設(shè)備。同時(shí)為完成網(wǎng)絡(luò)層切換（L3HO）的性能測(cè)試，在試驗(yàn)中將系統(tǒng)劃分為3個(gè)外部代理子網(wǎng)絡(luò)，從每個(gè)外部代理過來(lái)的路由器請(qǐng)求報(bào)文間隔時(shí)間設(shè)置為3-6s。網(wǎng)絡(luò)中WiFi無(wú)線網(wǎng)橋設(shè)備采用串聯(lián)形式通過2層的交換機(jī)進(jìn)行連接。 移動(dòng)路由 （即圖中MR）和WiFi無(wú)線橋接安裝在列車上,系統(tǒng)所使用的三層設(shè)備都需要支持移動(dòng)IPv4(即 PFC3344)地址。

2 鏈路層切換流程

在網(wǎng)絡(luò)配置中使用思科AIR-BR1310G-J-K9-R作為WiFi無(wú)線網(wǎng)橋設(shè)備，該設(shè)備能夠很好的支持無(wú)線鏈路層的快速切換。其大致工作流程為：外部觸發(fā)切換，該切換請(qǐng)求來(lái)源于數(shù)據(jù)請(qǐng)求量超過預(yù)先設(shè)定閾值，或者RSSI接收值低于閾值等原因。如果是數(shù)據(jù)請(qǐng)求量過大所導(dǎo)致的切換，無(wú)線連接將會(huì)被一直處于激活狀態(tài)直到該切換引致物理連接的失敗，在這種情形下，車載天線將在失去連接之后主動(dòng)搜索新的可用WiFi無(wú)線網(wǎng)橋設(shè)備。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置及分布

如是因?yàn)镽SSI接收量過低所導(dǎo)致的L2HO觸發(fā)，此時(shí)車載天線和地面天線仍將保持連接，但車載天線將在之前的連接斷開前開始主動(dòng)搜索新的可用WiFi網(wǎng)橋設(shè)備。此時(shí)鏈路層（L2HO）切換時(shí)間將會(huì)較短。在我們的仿真實(shí)驗(yàn)中將L2HO閾值設(shè)置為-85dBm,這也是在圖1中我們所示的最小RSSI接收量。

不管是哪一種觸發(fā)方式，L2HO都將以以下的流程進(jìn)行切換：掃描可用的無(wú)線網(wǎng)橋設(shè)備→檢查SSID（Service Set Identifier）和密碼并丟棄無(wú)效的密碼匹配→在搜索結(jié)果中連接最優(yōu)的無(wú)線網(wǎng)橋→車載BR發(fā)送使用子網(wǎng)接入?yún)f(xié)議（SNAP）的數(shù)據(jù)鏈路層廣播幀→地面網(wǎng)橋接收到特定廣播幀后主動(dòng)更新無(wú)線網(wǎng)橋設(shè)備和第二層交換機(jī) （L2SWs）的MAC地址鏈表→地面和列車間便可在各設(shè)備間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)流量的交換。

3 網(wǎng)絡(luò)層切換流程

由于列車限定在車軌上前行，因此除開列車突然脫離軌道的情形外，外部代理FA到車載MR的無(wú)線訪問都是較為穩(wěn)定的。圖3中所描述的列車無(wú)線通信的拓?fù)鋱D中，其網(wǎng)絡(luò)層切換延遲幾乎為零。三個(gè)外部代理分別屬于不同的子網(wǎng)，在相鄰的FA間建立了快捷通道，并使用思科Catalyst 2960交換機(jī)作為旁路系統(tǒng)。在第二層交換機(jī)中，端口保護(hù)的配置如圖3中箭頭所示的物理端口一致，該過程中會(huì)丟棄保護(hù)端口間的廣播幀和組播幀。這一配置方式能夠使得相鄰的無(wú)線網(wǎng)橋設(shè)備間接收并轉(zhuǎn)發(fā)移動(dòng)IPv4報(bào)文，并且能夠保持各廣播域的尺寸最小化。

舉例而言，在圖3中如果列車從左方開過來(lái)，WiFi連接順序?yàn)锽R1-11然后是BR1-12。同樣的一個(gè)移動(dòng)IPv4隧道會(huì)通過外部代理FA1建立。當(dāng)車運(yùn)行到BR1-13區(qū)域時(shí)，車載MR可以偵聽到FA2及FA1的移動(dòng)IPv4報(bào)文。之后車載MR通過向FA2發(fā)送一個(gè)注冊(cè)請(qǐng)求開始第三層切換。值得強(qiáng)調(diào)的是，除更新路由表所需的大約20ms外，整個(gè)過程中數(shù)據(jù)流量是一直保持傳輸?shù)摹?/p>

4 小結(jié)

本文提出基于WiFi無(wú)線網(wǎng)橋的高速鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)有效避免鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的同時(shí)切換，最大程度上減少網(wǎng)絡(luò)掉線，能夠很好地滿足高速列車對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的基本需求，也為GSM-R隨車WiFi的建設(shè)提供了一個(gè)可行的應(yīng)用方案。

［1］蘭慧.智能天線技術(shù)在無(wú)線通信中的應(yīng)用[J].中國(guó)新通信,2014,10(14):80-81.

［2］楊大成,等.移動(dòng)傳播環(huán)境（理論基礎(chǔ)、分析方法和建模技術(shù)）[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

［3］郭梯云,等.移動(dòng)通信[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2000.