现代无线网络技术在铁路通信中的应用

赵建



现代无线网络技术在铁路通信中的应用

赵建

通号工程局集团有限公司，北京 100070

快速发展的中国铁路建设对铁路信息化提出了新的要求，尤其是铁路客运专线的广泛运营，让人们在列车上也能感受到与办公室一样的网络通信服务成为了移动通信发展中新的热点。这就需要运用现代无线网络技术建立运行流畅的铁路通信网络，通过基于Wi-Fi的现代无线网络技术的应用改善现有技术的不足，从而使铁路通信网和乘客服务体验得到全面的提升。

无线网络技术；铁路通信；Wi-Fi

引言

在长达数小时的铁路列车旅程中，乘客需要包括语音、电子邮件、上网浏览和流媒体等在内的多种信息化服务。为高速移动中的列车乘客提供宽带无线接入服务，已成为当今无线移动通信业务发展的热点。目前，我国的单列高速列车中通常载有800～1000名乘客。假设有约10％的乘客需要宽带接入服务，平均速率为2 Mbps，那么总共需要200 Mbps左右的数据速率来满足需求。为如此众多的乘客提供宽带无线接入所需的数据传输速率至少在100 Mbps～1 Gbps数量级。

基于IEEE-802.11标准的Wi-Fi现代无线网络技术日趋成熟，已被广泛地应用在铁路通信的各个方面。本文通过对现代无线网络技术在铁路上的具体应用进行描述，阐述了现代无线网络技术在铁路上应用的优势、需要克服的技术难点和应对的技术措施。

1 现代无线网络技术概述

基于Wi-Fi的现代无线网络技术是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。Wi-Fi是IEEE 802.11系列的别称，它是一种短程无线传输技术，能够在数百英尺范围内支持互联网接入的无线电信号。Wi-Fi无线网络是由AP和无线网卡组成的无线网络。铁路列车上现代无线网络通过车载Wi-Fi设备，把沿线通信运营商的3G或4G信号转换为Wi-Fi热点，以供乘客使用，即指在火车上利用无线热点进行互联网连接。

2 现代无线网络技术在铁路上应用的优势

现代无线网络技术在铁路上的应用则是指在旅客列车内组成一个列车Internet，由车载通信网关集中负责与地面基站的车-地互联。在该模式下，车载网络终端均是接入到列车Internet，当需要与地面网络通信时再由车载通信网关进行数据中继。相比乘客分散联网模式，现代无线网络对于基于Wi-Fi的旅客列车宽带Internet应用系统至少具有三个方面的优势[1]。

2.1 可以实现更好的车-地互联

设备的硬件配置对提高Wi-Fi移动应用性能非常关键。在分散接入模式下，显然没法提高所有车载网络终端的硬件配置，且旅客携带的智能手机，发射功率和天线增益一般都比较低。在现代无线网络技术下，车载通信网关往往是一个独立的设备，因此可以配置更高功率的无线模块，也可以配置更高增益的室外天线。

2.2 更容易实现AP问无缝切换

车载用户（80 km/h）在经过Wi-Fi热点时，其有效带宽仅达到带宽潜能的50%，其中一个重要的原因是由于认证和关联等管理数据包的丢失，导致快速移动的车载用户迟迟不能接入新AP。在同样的AP部署中，应用现代无线网络技术的车载通信网关可以达到与地面AP更好的无线连接质量，既显著减少了AP的接入用户数，又降低了误码率，从而显著提高了车载移动用户接入新AP的速度，也更容易实现AP间无缝切换。

2.3 可以更有效地利用车-地互联的带宽

联网访问的数据流量通常符合80/20法则，即80%的数据流访问的往往都是网内资源。同样地，旅客列车Internet的应用，包括乘客信息系统、在线电影和在线游戏等车载娱乐系统等都只需要访问车载服务器，不需要抢占宝贵的车-地互联的带宽资源，这样可以通过缓存和预取机制，更有效地利用车-地互联的带宽。

3 正交频分复用（OFDM）技术的应用

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multi- plexing）即正交频分复用技术，是一种无线环境下的高速传输技术，其主要思想就是在频域内将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道可以看成平坦性衰落，从而消除码间的串扰，而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，这样信道均衡将变得相对容易。

铁路移动通信中的一个重要问题是如何处理由无线电波的反射和散射引起的多径效应。多径信号具有不同的到达时间、随机相位和幅度衰落，容易造成码间干扰和信号失真。铁路列车的行驶环境地形多变，除了城市和平原，还有山区、高架桥和隧道等，各种场景会产生大量的多径信号，这些都将造成码间干扰，影响接收机性能。

OFDM技术是对抗多径效应的主要措施。OFDM系统中带宽被N个子载波占用，符号速率减少为单载波传输模式的1/N。符号速率的降低使符号的时间间隔增加，以抵抗多径传播导致的符号间干扰。同时，OFDM符号前增加循环保护间隔，在循环保护间隔大于信道最大多径时延的情况下，可以减少相邻OFDM符号之间的ISI，保证各信道间的正交性，从而降低信道间干扰。

4 多输入多输出（MIMO）技术的应用

多输入多输出技术（Multiple-Input Multiple- Output，MIMO）是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。在铁路列车中应用，能充分利用空间资源，通过车厢内多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍地提高系统信道容量。采用MIMO天线与天线阵列，通过精心设计安装在车体外保持与地面AP的最佳连接，将指向依据周边的环境的改变来进行自动改变，这都为无线网络信号在车厢中的均匀覆盖提供了重要的保障。

5 结束语

本文对基于Wi-Fi的现代无线网络技术在铁路中的应用进行了相应的分析。只有各种先进技术相互补充使用，才能带来持续的经济性、可靠性和有效性。

[1]章嘉懿.高速铁路宽带无线接入网络架构与性能分析研究[D].北京：北京交通大学，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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