基于Wi F i无线通信系统在高速铁路中的应用

2015-12-24蓝博

科技视界 2015年19期

蓝博

（桂林电子科技大学，广西桂林541004）

高速铁路最大特点是高速运行在200km/h以上的速度区间内，国内最高曾达到过486.1km/h。在其快速运行过程中会出现基站信道迅速、频繁的切换，以及多普勒效应的产生，这会导致列车上无线数据交换速度缓慢、通话不连续甚至中断等问题。在高铁全速运行时要保持与外界的通话和数据交换，需要新的通信机制的产生及高速前提下新一代铁路移动通信系统的研发。现有的针对措施主要包括：增大基站发射频率及密度，但这将导致运营成本的迅速增加；另外可设置车载转发系统或对现有通信制式及算法进行有针对性的优化。后者由于其可行性较高，已逐渐成为高铁无线通信的研究重点。

1 系统结构

早在2009年日本新干线高铁线路即采用沿途泄露电缆铺设的方式实现了高铁车厢中无线信号的覆盖，最高可实现2Mbps的下载速度。但是随着智能设备的普及，用户对于高铁无线接入有了更高的需求。WiFi接入可有效减少铁路沿线基站运营成本，但另一方面由于无线桥接的覆盖范围较小，且车厢高速运行会在无线链路层（二层）和网络层（三层）间做频繁的切换，这两种切换一旦同时发生将导致通讯的暂时中止，故在高速运行环境下的保证通信质量是非常困难的。本文给出了一个基于WiFi的高铁无线数据交换系统，其最大特点为能够利用WiFi接入实现最大16Mbps的UDP数据包吞吐量。

该实验系统主要包括以下部分：1）智能天线部署；2）行车区间WiFi信号覆盖及优化；3）支持无线链路层快速切换的无线网桥；4）高速移动IP切换网络。

1.1 智能天线的部署

每节车厢在轨道上的轨迹都是一致的，这可以使得车载天线能够与地面对应的天线良好的对接。从而当列车通过天线阵列时，在存在多普勒频移的条件下能够保证良好的无线通信条件。在该过程中充分利用智能天线良好的自适应指向特点，使之能够有效的覆盖列车轨道范围。结合实际应用所设计的智能天线满足11.5 dBi的方向性增益及40度左右的半值角。

1.2 WiFi桥接及地面天线部署

在该实验系统中共包含11个地面WiFi无线桥接，由于各个天线所发射的信号方向与铁轨互相平行，且接收信号强度指标（RSSI）会随着天线间距增大而降低，故在系统中每两个无线桥接间间距大约为500m。图1所示为地面天线安装在距离临近天线点的RSSI强度约为-85dBm（变化范围为从-87.2dBm到-81.2dBm）的位置，这其中包含车厢箱体所引致的8.3dB的穿透衰减。此时的最大菲涅尔半径为：r=/2=3.94m。考虑到地面以及车载天线本身具有一定的高度，所以在我们的试验中使用更为严苛的半径条件。

1.3 WiFi桥接及车载天线

在驾驶员车厢中也同样安装了WiFi桥接设备及智能天线。在本测试系统中考虑列车车厢的屏蔽作用，将其量化为箱体及挡风玻璃会引致8.3dB左右的衰减。图2所示为车载天线及地面天线的物理关系示意。

图1 地面天线配置示意图

图2 地面天线与车载天线的物理关系

1.4 使用移动IPv4地址进行网络配置

采用IP路由协议进行移动IPv4地址的网络配置如图3所示。其中HA表示本地代理，FA表示外部代理。图中共包含了一个本地代理和三个外部代理，皆部署在同一个网段下，每个FA下面部署有3-4个WiFi无线网桥设备。同时为完成网络层切换（L3HO）的性能测试，在试验中将系统划分为3个外部代理子网络，从每个外部代理过来的路由器请求报文间隔时间设置为3-6s。网络中WiFi无线网桥设备采用串联形式通过2层的交换机进行连接。移动路由（即图中MR）和WiFi无线桥接安装在列车上,系统所使用的三层设备都需要支持移动IPv4(即 PFC3344)地址。

2 链路层切换流程

在网络配置中使用思科AIR-BR1310G-J-K9-R作为WiFi无线网桥设备，该设备能够很好的支持无线链路层的快速切换。其大致工作流程为：外部触发切换，该切换请求来源于数据请求量超过预先设定阈值，或者RSSI接收值低于阈值等原因。如果是数据请求量过大所导致的切换，无线连接将会被一直处于激活状态直到该切换引致物理连接的失败，在这种情形下，车载天线将在失去连接之后主动搜索新的可用WiFi无线网桥设备。

图3 系统网络配置及分布

如是因为RSSI接收量过低所导致的L2HO触发，此时车载天线和地面天线仍将保持连接，但车载天线将在之前的连接断开前开始主动搜索新的可用WiFi网桥设备。此时链路层（L2HO）切换时间将会较短。在我们的仿真实验中将L2HO阈值设置为-85dBm,这也是在图1中我们所示的最小RSSI接收量。

不管是哪一种触发方式，L2HO都将以以下的流程进行切换：扫描可用的无线网桥设备→检查SSID（Service Set Identifier）和密码并丢弃无效的密码匹配→在搜索结果中连接最优的无线网桥→车载BR发送使用子网接入协议（SNAP）的数据链路层广播帧→地面网桥接收到特定广播帧后主动更新无线网桥设备和第二层交换机（L2SWs）的MAC地址链表→地面和列车间便可在各设备间进行网络流量的交换。

3 网络层切换流程

由于列车限定在车轨上前行，因此除开列车突然脱离轨道的情形外，外部代理FA到车载MR的无线访问都是较为稳定的。图3中所描述的列车无线通信的拓扑图中，其网络层切换延迟几乎为零。三个外部代理分别属于不同的子网，在相邻的FA间建立了快捷通道，并使用思科Catalyst 2960交换机作为旁路系统。在第二层交换机中，端口保护的配置如图3中箭头所示的物理端口一致，该过程中会丢弃保护端口间的广播帧和组播帧。这一配置方式能够使得相邻的无线网桥设备间接收并转发移动IPv4报文，并且能够保持各广播域的尺寸最小化。

举例而言，在图3中如果列车从左方开过来，WiFi连接顺序为BR1-11然后是BR1-12。同样的一个移动IPv4隧道会通过外部代理FA1建立。当车运行到BR1-13区域时，车载MR可以侦听到FA2及FA1的移动IPv4报文。之后车载MR通过向FA2发送一个注册请求开始第三层切换。值得强调的是，除更新路由表所需的大约20ms外，整个过程中数据流量是一直保持传输的。