藍 博

（桂林電子科技大學，廣西 桂林541004）

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

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的方式實現(xiàn)了高鐵車廂中無線信號的覆蓋，最高可實現(xiàn)2Mbps的下載速度。但是隨著智能設備的普及，用戶對于高鐵無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營成本，但另一方面由于無線橋接的覆蓋范圍較小，且車廂高速運行會在無線鏈路層（二層）和網(wǎng)絡層（三層）間做頻繁的切換，這兩種切換一旦同時發(fā)生將導致通訊的暫時中止，故在高速運行環(huán)境下的保證通信質(zhì)量是非常困難的。本文給出了一個基于WiFi的高鐵無線數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)，其最大特點為能夠利用WiFi接入實現(xiàn)最大16Mbps的UDP數(shù)據(jù)包吞吐量。

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

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應的天線良好的對接。從而當列車通過天線陣列時，在存在多普勒頻移的條件下能夠保證良好的無線通信條件。在該過程中充分利用智能天線良好的自適應指向特點，使之能夠有效的覆蓋列車軌道范圍。結(jié)合實際應用所設計的智能天線滿足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

在該實驗系統(tǒng)中共包含11個地面WiFi無線橋接，由于各個天線所發(fā)射的信號方向與鐵軌互相平行，且接收信號強度指標（RSSI）會隨著天線間距增大而降低，故在系統(tǒng)中每兩個無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的RSSI強度約為-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。此時的最大菲涅爾半徑為：r=/2=3.94m?？紤]到地面以及車載天線本身具有一定的高度，所以在我們的試驗中使用更為嚴苛的半徑條件。

1.3 WiFi橋接及車載天線

在駕駛員車廂中也同樣安裝了WiFi橋接設備及智能天線。在本測試系統(tǒng)中考慮列車車廂的屏蔽作用，將其量化為箱體及擋風玻璃會引致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IPv4地址進行網(wǎng)絡配置

采用IP路由協(xié)議進行移動IPv4地址的網(wǎng)絡配置如圖3所示。其中HA表示本地代理，F(xiàn)A表示外部代理。圖中共包含了一個本地代理和三個外部代理，皆部署在同一個網(wǎng)段下，每個FA下面部署有3-4個WiFi無線網(wǎng)橋設備。同時為完成網(wǎng)絡層切換（L3HO）的性能測試，在試驗中將系統(tǒng)劃分為3個外部代理子網(wǎng)絡，從每個外部代理過來的路由器請求報文間隔時間設置為3-6s。網(wǎng)絡中WiFi無線網(wǎng)橋設備采用串聯(lián)形式通過2層的交換機進行連接。 移動路由 （即圖中MR）和WiFi無線橋接安裝在列車上,系統(tǒng)所使用的三層設備都需要支持移動IPv4(即 PFC3344)地址。

2 鏈路層切換流程

在網(wǎng)絡配置中使用思科AIR-BR1310G-J-K9-R作為WiFi無線網(wǎng)橋設備，該設備能夠很好的支持無線鏈路層的快速切換。其大致工作流程為：外部觸發(fā)切換，該切換請求來源于數(shù)據(jù)請求量超過預先設定閾值，或者RSSI接收值低于閾值等原因。如果是數(shù)據(jù)請求量過大所導致的切換，無線連接將會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搜索新的可用WiFi無線網(wǎng)橋設備。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡配置及分布

如是因為RSSI接收量過低所導致的L2HO觸發(fā)，此時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搜索新的可用WiFi網(wǎng)橋設備。此時鏈路層（L2HO）切換時間將會較短。在我們的仿真實驗中將L2HO閾值設置為-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行切換：掃描可用的無線網(wǎng)橋設備→檢查SSID（Service Set Identifier）和密碼并丟棄無效的密碼匹配→在搜索結(jié)果中連接最優(yōu)的無線網(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更新無線網(wǎng)橋設備和第二層交換機 （L2SWs）的MAC地址鏈表→地面和列車間便可在各設備間進行網(wǎng)絡流量的交換。

3 網(wǎng)絡層切換流程

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的無線訪問都是較為穩(wěn)定的。圖3中所描述的列車無線通信的拓撲圖中，其網(wǎng)絡層切換延遲幾乎為零。三個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交換機作為旁路系統(tǒng)。在第二層交換機中，端口保護的配置如圖3中箭頭所示的物理端口一致，該過程中會丟棄保護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線網(wǎng)橋設備間接收并轉(zhuǎn)發(fā)移動IPv4報文，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，WiFi連接順序為BR1-11然后是BR1-12。同樣的一個移動IPv4隧道會通過外部代理FA1建立。當車運行到BR1-13區(qū)域時，車載MR可以偵聽到FA2及FA1的移動IPv4報文。之后車載MR通過向FA2發(fā)送一個注冊請求開始第三層切換。值得強調(diào)的是，除更新路由表所需的大約20ms外，整個過程中數(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無線網(wǎng)橋的高速鐵路無線通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)有效避免鏈路層和網(wǎng)絡層的同時切換，最大程度上減少網(wǎng)絡掉線，能夠很好地滿足高速列車對于無線網(wǎng)絡的基本需求，也為GSM-R隨車WiFi的建設提供了一個可行的應用方案。

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