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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(shè)的方式實(shí)現(xiàn)了高鐵車廂中無線信號(hào)的覆蓋，最高可實(shí)現(xiàn)2Mbps的下載速度。但是隨著智能設(shè)備的普及，用戶對(duì)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(yùn)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(yùn)行會(huì)在無線鏈路層（二層）和網(wǎng)絡(luò)層（三層）間做頻繁的切換，這兩種切換一旦同時(shí)發(fā)生將導(dǎo)致通訊的暫時(shí)中止，故在高速運(yùn)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(gè)基于WiFi的高鐵無線數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)，其最大特點(diǎn)為能夠利用WiFi接入實(shí)現(xiàn)最大16Mbps的UDP數(shù)據(jù)包吞吐量。該實(shí)驗(yàn)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(hào)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(dòng)IP切換網(wǎng)絡(luò)。

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(duì)應(yīng)的天線良好的對(duì)接。從而當(dāng)列車通過天線陣列時(shí)，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(yīng)指向特點(diǎn)，使之能夠有效的覆蓋列車軌道范圍。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用所設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中共包含11個(gè)地面WiFi無線橋接，由于各個(gè)天線所發(fā)射的信號(hào)方向與鐵軌互相平行，且接收信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)（RSSI）會(huì)隨著天線間距增大而降低，故在系統(tǒng)中每?jī)蓚€(gè)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(shí)的最大菲涅爾半徑為：r=姨λd/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(yàn)中使用更為嚴(yán)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(shè)備及智能天線。在本測(cè)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(fēng)玻璃會(huì)引致8.3dB左右的衰減。

1.4使用移動(dòng)IPv4地址進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置采用IP路由協(xié)議進(jìn)行移動(dòng)IPv4地址的網(wǎng)絡(luò)配置。其中HA表示本地，F(xiàn)A表示外部。共包含了一個(gè)本地和三個(gè)外部，皆部署在同一個(gè)網(wǎng)段下，每個(gè)FA下面部署有3-4個(gè)WiFi無線網(wǎng)橋設(shè)備。同時(shí)為完成網(wǎng)絡(luò)層切換（L3HO）的性能測(cè)試，在試驗(yàn)中將系統(tǒng)劃分為3個(gè)外部子網(wǎng)絡(luò)，從每個(gè)外部過來的路由器請(qǐng)求報(bào)文間隔時(shí)間設(shè)置為3-6s。網(wǎng)絡(luò)中WiFi無線網(wǎng)橋設(shè)備采用串聯(lián)形式通過2層的交換機(jī)進(jìn)行連接。移動(dòng)路由和WiFi無線橋接安裝在列車上,系統(tǒng)所使用的三層設(shè)備都需要支持移動(dòng)IPv4(即PFC3344)地址。

2鏈路層切換流程在網(wǎng)絡(luò)配置中使用思科

AIR-BR1310G-J-K9-R作為WiFi無線網(wǎng)橋設(shè)備，該設(shè)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(qǐng)求來源于數(shù)據(jù)請(qǐng)求量超過預(yù)先設(shè)定閾值，或者RSSI接收值低于閾值等原因。如果是數(shù)據(jù)請(qǐng)求量過大所導(dǎo)致的切換，無線連接將會(huì)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(dòng)搜索新的可用WiFi無線網(wǎng)橋設(shè)備。此時(shí)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(dòng)搜索新的可用WiFi網(wǎng)橋設(shè)備。此時(shí)鏈路層（L2HO）切換時(shí)間將會(huì)較短。在我們的仿真實(shí)驗(yàn)中將L2HO閾值設(shè)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(fā)方式，L2HO都將以以下的流程進(jìn)行切換：掃描可用的無線網(wǎng)橋設(shè)備→檢查SSID（ServiceSetIdentifier）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(dòng)更新無線網(wǎng)橋設(shè)備和第二層交換機(jī)（L2SWs）的MAC地址鏈表→地面和列車間便可在各設(shè)備間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)流量的交換。

3網(wǎng)絡(luò)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(wěn)定的。其網(wǎng)絡(luò)層切換延遲幾乎為零。三個(gè)外部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Catalyst2960交換機(jī)作為旁路系統(tǒng)。在第二層交換機(jī)中，該過程中會(huì)丟棄保護(hù)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(shè)備間接收并轉(zhuǎn)發(fā)移動(dòng)IPv4報(bào)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?yàn)锽R1-11然后是BR1-12。同樣的一個(gè)移動(dòng)IPv4隧道會(huì)通過外部FA1建立。當(dāng)車運(yùn)行到BR1-13區(qū)域時(shí)，車載MR可以偵聽到FA2及FA1的移動(dòng)IPv4報(bào)文。之后車載MR通過向FA2發(fā)送一個(gè)注冊(cè)請(qǐng)求開始第三層切換。值得強(qiáng)調(diào)的是，除更新路由表所需的大約20ms外，整個(gè)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(luò)層的同時(shí)切換，最大程度上減少網(wǎng)絡(luò)掉線，能夠很好地滿足高速列車對(duì)于無線網(wǎng)絡(luò)的基本需求，也為GSM-R隨車WiFi的建設(shè)提供了一個(gè)可行的應(yīng)用方案。

作者：藍(lán)博 單位：桂林電子科技大學(xué)