無線通信系統高速鐵路論文

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1系統結構

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了高鐵車廂中無線信號的覆蓋，最高可實現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）和網絡層（三層）間做頻繁的切換，這兩種切換一旦同時發生將導致通訊的暫時中止，故在高速運行環境下的保證通信質量是非常困難的。本文給出了一個基于WiFi的高鐵無線數據交換系統，其最大特點為能夠利用WiFi接入實現最大16Mbps的UDP數據包吞吐量。該實驗系統主要包括以下部分：1）智能天線部署；2）行車區間WiFi信號覆蓋及優化；3）支持無線鏈路層快速切換的無線網橋；4）高速移動IP切換網絡。

1.1智能天線的部署每節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。結合實際應用所設計的智能天線滿足11.5dBi的方向性增益及40度左右的半值角。

1.2WiFi橋接及地面天線部署在該實驗系統中共包含11個地面WiFi無線橋接，由于各個天線所發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，故在系統中每兩個無線橋接間間距大約為500m。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=姨λd/2=3.94m。考慮到地面以及車載天線本身具有一定的高度，所以在我們的試驗中使用更為嚴苛的半徑條件。

1.3WiFi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。

1.4使用移動IPv4地址進行網絡配置采用IP路由協議進行移動IPv4地址的網絡配置。其中HA表示本地，FA表示外部。共包含了一個本地和三個外部，皆部署在同一個網段下，每個FA下面部署有3-4個WiFi無線網橋設備。同時為完成網絡層切換（L3HO）的性能測試，在試驗中將系統劃分為3個外部子網絡，從每個外部過來的路由器請求報文間隔時間設置為3-6s。網絡中WiFi無線網橋設備采用串聯形式通過2層的交換機進行連接。移動路由和WiFi無線橋接安裝在列車上,系統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絡配置中使用思科

AIR-BR1310G-J-K9-R作為WiFi無線網橋設備，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：外部觸發切換，該切換請求來源于數據請求量超過預先設定閾值，或者RSSI接收值低于閾值等原因。如果是數據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無線網橋設備。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,這也是在我們所示的最小RSSI接收量。不管是哪一種觸發方式，L2HO都將以以下的流程進行切換：掃描可用的無線網橋設備→檢查SSID（ServiceSetIdentifier）和密碼并丟棄無效的密碼匹配→在搜索結果中連接最優的無線網橋→車載BR發送使用子網接入協議（SNAP）的數據鏈路層廣播幀→地面網橋接收到特定廣播幀后主動更新無線網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絡流量的交換。

3網絡層切換流程

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FA到車載MR的無線訪問都是較為穩定的。其網絡層切換延遲幾乎為零。三個外部分別屬于不同的子網，在相鄰的FA間建立了快捷通道，并使用思科Catalyst2960交換機作為旁路系統。在第二層交換機中，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橋設備間接收并轉發移動IPv4報文，并且能夠保持各廣播域的尺寸最小化。舉例而言，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FA1建立。當車運行到BR1-13區域時，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發送一個注冊請求開始第三層切換。值得強調的是，除更新路由表所需的大約20ms外，整個過程中數據流量是一直保持傳輸的。

4小結

本文提出基于WiFi無線網橋的高速鐵路無線通信系統。該系統有效避免鏈路層和網絡層的同時切換，最大程度上減少網絡掉線，能夠很好地滿足高速列車對于無線網絡的基本需求，也為GSM-R隨車WiFi的建設提供了一個可行的應用方案。

作者：藍博 單位：桂林電子科技大學