現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在鐵路通信中的應(yīng)用

趙建

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現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在鐵路通信中的應(yīng)用

趙建

通號工程局集團(tuán)有限公司，北京 100070

快速發(fā)展的中國鐵路建設(shè)對鐵路信息化提出了新的要求，尤其是鐵路客運(yùn)專線的廣泛運(yùn)營，讓人們在列車上也能感受到與辦公室一樣的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)成為了移動通信發(fā)展中新的熱點(diǎn)。這就需要運(yùn)用現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立運(yùn)行流暢的鐵路通信網(wǎng)絡(luò)，通過基于Wi-Fi的現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用改善現(xiàn)有技術(shù)的不足，從而使鐵路通信網(wǎng)和乘客服務(wù)體驗(yàn)得到全面的提升。

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；鐵路通信；Wi-Fi

引言

在長達(dá)數(shù)小時的鐵路列車旅程中，乘客需要包括語音、電子郵件、上網(wǎng)瀏覽和流媒體等在內(nèi)的多種信息化服務(wù)。為高速移動中的列車乘客提供寬帶無線接入服務(wù)，已成為當(dāng)今無線移動通信業(yè)務(wù)發(fā)展的熱點(diǎn)。目前，我國的單列高速列車中通常載有800～1000名乘客。假設(shè)有約10％的乘客需要寬帶接入服務(wù)，平均速率為2?Mbps，那么總共需要200?Mbps左右的數(shù)據(jù)速率來滿足需求。為如此眾多的乘客提供寬帶無線接入所需的數(shù)據(jù)傳輸速率至少在100?Mbps～1?Gbps數(shù)量級。

基于IEEE-802.11標(biāo)準(zhǔn)的Wi-Fi現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日趨成熟，已被廣泛地應(yīng)用在鐵路通信的各個方面。本文通過對現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在鐵路上的具體應(yīng)用進(jìn)行描述，闡述了現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在鐵路上應(yīng)用的優(yōu)勢、需要克服的技術(shù)難點(diǎn)和應(yīng)對的技術(shù)措施。

1 現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述

基于Wi-Fi的現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種可以將個人電腦、手持設(shè)備（如PDA、手機(jī)）等終端以無線方式互相連接的技術(shù)。Wi-Fi是IEEE 802.11系列的別稱，它是一種短程無線傳輸技術(shù)，能夠在數(shù)百英尺范圍內(nèi)支持互聯(lián)網(wǎng)接入的無線電信號。Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)是由AP和無線網(wǎng)卡組成的無線網(wǎng)絡(luò)。鐵路列車上現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)通過車載Wi-Fi設(shè)備，把沿線通信運(yùn)營商的3G或4G信號轉(zhuǎn)換為Wi-Fi熱點(diǎn)，以供乘客使用，即指在火車上利用無線熱點(diǎn)進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)連接。

2 現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在鐵路上應(yīng)用的優(yōu)勢

現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在鐵路上的應(yīng)用則是指在旅客列車內(nèi)組成一個列車Internet，由車載通信網(wǎng)關(guān)集中負(fù)責(zé)與地面基站的車-地互聯(lián)。在該模式下，車載網(wǎng)絡(luò)終端均是接入到列車Internet，當(dāng)需要與地面網(wǎng)絡(luò)通信時再由車載通信網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼。相比乘客分散聯(lián)網(wǎng)模式，現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)對于基于Wi-Fi的旅客列車寬帶Internet應(yīng)用系統(tǒng)至少具有三個方面的優(yōu)勢[1]。

2.1 可以實(shí)現(xiàn)更好的車-地互聯(lián)

設(shè)備的硬件配置對提高Wi-Fi移動應(yīng)用性能非常關(guān)鍵。在分散接入模式下，顯然沒法提高所有車載網(wǎng)絡(luò)終端的硬件配置，且旅客攜帶的智能手機(jī)，發(fā)射功率和天線增益一般都比較低。在現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)下，車載通信網(wǎng)關(guān)往往是一個獨(dú)立的設(shè)備，因此可以配置更高功率的無線模塊，也可以配置更高增益的室外天線。

2.2 更容易實(shí)現(xiàn)AP問無縫切換

車載用戶（80?km/h）在經(jīng)過Wi-Fi熱點(diǎn)時，其有效帶寬僅達(dá)到帶寬潛能的50%，其中一個重要的原因是由于認(rèn)證和關(guān)聯(lián)等管理數(shù)據(jù)包的丟失，導(dǎo)致快速移動的車載用戶遲遲不能接入新AP。在同樣的AP部署中，應(yīng)用現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的車載通信網(wǎng)關(guān)可以達(dá)到與地面AP更好的無線連接質(zhì)量，既顯著減少了AP的接入用戶數(shù)，又降低了誤碼率，從而顯著提高了車載移動用戶接入新AP的速度，也更容易實(shí)現(xiàn)AP間無縫切換。

2.3 可以更有效地利用車-地互聯(lián)的帶寬

聯(lián)網(wǎng)訪問的數(shù)據(jù)流量通常符合80/20法則，即80%的數(shù)據(jù)流訪問的往往都是網(wǎng)內(nèi)資源。同樣地，旅客列車Internet的應(yīng)用，包括乘客信息系統(tǒng)、在線電影和在線游戲等車載娛樂系統(tǒng)等都只需要訪問車載服務(wù)器，不需要搶占寶貴的車-地互聯(lián)的帶寬資源，這樣可以通過緩存和預(yù)取機(jī)制，更有效地利用車-地互聯(lián)的帶寬。

3 正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)的應(yīng)用

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multi- plexing）即正交頻分復(fù)用技術(shù)，是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)，其主要思想就是在頻域內(nèi)將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進(jìn)行傳輸。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道可以看成平坦性衰落，從而消除碼間的串?dāng)_，而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，這樣信道均衡將變得相對容易。

鐵路移動通信中的一個重要問題是如何處理由無線電波的反射和散射引起的多徑效應(yīng)。多徑信號具有不同的到達(dá)時間、隨機(jī)相位和幅度衰落，容易造成碼間干擾和信號失真。鐵路列車的行駛環(huán)境地形多變，除了城市和平原，還有山區(qū)、高架橋和隧道等，各種場景會產(chǎn)生大量的多徑信號，這些都將造成碼間干擾，影響接收機(jī)性能。

OFDM技術(shù)是對抗多徑效應(yīng)的主要措施。OFDM系統(tǒng)中帶寬被N個子載波占用，符號速率減少為單載波傳輸模式的1/N。符號速率的降低使符號的時間間隔增加，以抵抗多徑傳播導(dǎo)致的符號間干擾。同時，OFDM符號前增加循環(huán)保護(hù)間隔，在循環(huán)保護(hù)間隔大于信道最大多徑時延的情況下，可以減少相鄰OFDM符號之間的ISI，保證各信道間的正交性，從而降低信道間干擾。

4 多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)的應(yīng)用

多輸入多輸出技術(shù)（Multiple-Input Multiple- Output，MIMO）是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。在鐵路列車中應(yīng)用，能充分利用空間資源，通過車廂內(nèi)多個天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍地提高系統(tǒng)信道容量。采用MIMO天線與天線陣列，通過精心設(shè)計(jì)安裝在車體外保持與地面AP的最佳連接，將指向依據(jù)周邊的環(huán)境的改變來進(jìn)行自動改變，這都為無線網(wǎng)絡(luò)信號在車廂中的均勻覆蓋提供了重要的保障。

5 結(jié)束語

本文對基于Wi-Fi的現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在鐵路中的應(yīng)用進(jìn)行了相應(yīng)的分析。只有各種先進(jìn)技術(shù)相互補(bǔ)充使用，才能帶來持續(xù)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和有效性。

[1]章嘉懿.高速鐵路寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與性能分析研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2014.

The Application of Modern Wireless Network Technology in Railway Communication

Zhao Jian

Signal & Communication Engineering Bureau Group Co., Ltd., Beijing 100070

Rapid development of China’s railway construction puts forward new requirements of railway informationization.It has become a new hotspot in communication development for people to feel the same network communication service as the office on the train of high-speed.The application of modern wireless network technology based on Wi-Fi improves the shortage of existing technology.Thus, the railway communication network and passenger service experience are improved comprehensively.

Wireless network technology; Railway communication; Wi-Fi

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