基于無線Mesh網絡技術的旅客列車寬帶網絡設計研究

張秋亮 周星 趙曉艷

摘 要：隨著高速鐵路交通的發展，信息網絡的移動接入技術需要得到相應的改善和提高。根據公共移動通信網和鐵路專用移動通信網的發展現狀，本文提出了一種基于無線Mesh網絡技術的旅客列車服務寬帶網絡的設計方案，分析了網絡結構、關鍵技術以及網絡的應用場景。

關鍵詞：無線Mesh網絡；列車局域網；旅客列車；信息服務

Development of Broadband Network of Passenger

Train based on Wireless Mesh Network Technologies

ZHANG Qiuliang1，ZHOU Xing2

（1.Institute of Computing Technologies，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081， China；

2.Department of Passenger Transportation，Jinan Railway Administration，Jinan 250001，China）

Abstract：Along with development of high-speed railways， the mobile network access technology needs to be improved. In view of the developing status of the public mobile communication network and dedicated railway mobile communication network， this paper put forward to build an Broadband Network of passenger train based on the wireless mesh network technology， and then analyzed the network structure， key technologies and applications of the System.

Key words：wireless mesh network（WMN）；Train LAN；passenger trains；information service

1 引言

根據我國第31次互聯網絡發展狀況統計報告，截至到2012年年底，我國網民規模達5.64億，其中手機網民數達到4.20億。該報告顯示，Internet應用在我國迅速普及，已經融入到社會的各個層次和方面，特別是寬帶和手機這兩種接入方式發展加快，顯示隨時、隨地、隨意的寬帶Internet應用需求成為新的增長點。

根據鐵道部2012年鐵道統計公報，2012年我國鐵路運輸發送量達到18.93億人次，完成旅客周轉量9812.33億人公里，鐵路旅客運輸規模位于世界第一。其中客運專線建設全面推進，特別是自2007年4月“和諧號”動車組列車開行以來，以其安全、快速、舒適、方便的運輸品質，開創了我國鐵路旅客運輸新局面。

然而，在信息社會的今天，行進中的旅客列車卻依然是信息的孤島，每年有十幾億旅客在列車上度過數百億小時與Internet隔離的時光。如今，越來越多的旅客隨身攜帶筆記本電腦、平板電腦、智能手機等移動網絡設備，有在列車上隨時上網的需求。因此，旅客列車寬帶Internet應用研究不僅可提升鐵路服務質量、滿足旅客日益強烈的寬帶Internet服務的需要，同時也是一個潛力巨大的市場[1-3]。

2 旅客列車寬帶網絡概述

國內對鐵路無線的前期研究主要集中在采用GSM-R/GPRS等移動蜂窩通信技術為列車提供窄帶連接，應用領域主要為鐵路信號傳輸和列控等。然而該技術的頻率帶寬目前只有4MHZ，該網絡本質上仍然是2G移動通信技術，在移動環境下，其帶寬也只有幾kbit/s，根本就無法滿足列車上旅客訪問互聯網的需求。針對于這種情況，本文提出了一種基于無線Mesh網絡技術的旅客列車寬帶網絡設計方案。

旅客列車寬帶網絡是基于Wi-Fi的鐵路專用無線Mesh（網狀網技術）網絡技術的一種新型網絡，可提供寬帶高速移動的無線網絡，支持基于IP的話音、視頻和數據傳輸業務。網絡具有自我組織、自動配置、性能自動調節、鏈路自動修復等特性，支持負載均衡和冗余備份，為高速列車上互聯網接入、數據傳輸和語音服務提供穩定可靠的承載平臺。

它提供帶寬高達300M的無線鏈路通道，以無線基站系統所構成的無線鏈路為骨干網與鐵路有線傳輸網相結合。該網絡的的實現不僅可以滿足高速列車上旅客對寬帶Internet服務的需求，而且可以作為鐵路運營維護管理的輔助手段，能夠提供定點視頻監控、移動視頻監控、機車車輛數據實時交互、突發事件的應急指揮、話音通信及編組場應用等功能，可提高運營維護管理效率、減人增效。

旅客列車寬帶網絡的拓撲圖如圖1所示。

3 旅客列車寬帶網絡結構設計

旅客列車寬帶網絡由列車無線局域網、車-地寬帶連接、地面無線Mesh網絡3層結構組成，如圖2所示。

根據數據流的源和目的地址，可以將旅客列車寬帶網絡應用分類兩大類：車內數據流和車-地間數據流。對于車內數據流，直接在列車無線局域網內部高速轉發。對于車-地間數據流，由車-地寬帶連接實現車地數據快速交互。由于我國鐵路現有的交互網、傳輸網、數據通信網三大基礎網絡一般還只到達主要站段，沿線部署的無線基站難以實現直連，它們可以通過地面無線Mesh網絡實現通信數據匯聚。

基于無線Mesh網絡技術的旅客列車寬帶網絡結構如圖3所示。

無線Mesh網絡的最大的特點是網絡中的每個節點都可以發送和接收信號，每個無線網絡節點都可以與一個或者多個對等的無線網絡節點直接進行通信，每個無線網絡節點都可以同時作為AP和路由器。因此，在組建無線Mesh網絡時，列車上只需設置一個接入點（車載Mesh設備）即可，每節車廂中設置的AP與車廂內旅客使用的智能手機、筆記本電腦等移動終端均可視為網絡中的節點，這樣可以很好的保證網絡的連通性和穩定性。

旅客列車寬帶網絡的核心部分是地面無線Mesh網絡以及列車內部的無線局域網的組建。

3.1 地面無線Mesh網絡

鐵路無線Mesh網絡的核心部分是鐵路沿線架設的無線Mesh基站，固定Mesh基站的間距平均為2公里--直線區域Mesh基站間距離略大，而山區和隧道區域所需要的Mesh基站間距在1.5公里左右。固定Mesh基站之間的互聯采用5.8GHz技術，對車輛的接入也采用5.8GHz頻段技術。固定Mesh基站經過多跳無線組網之后，進入到就近的光纖節點處。為了保證車輛高速移動的情況下能夠在固定Mesh基站之間快速切換，必須在車輛上安裝移動車載Mesh設備。該網絡支持移動速度高達300公里時速的漫游切換。

鐵路無線Mesh網絡中主要使用兩種Mesh基站。一是，光纖落地節點固定基站采用GCM8622 Mesh基站，即每個光纖落地點均需放置一套GCM8622。該Mesh基站內置了3塊802.11n模塊，可以為系統提供更高的整體性能。按照實際環境的經驗值，每個802.11n扇區在1公里內可提供70Mbps以上的匯聚吞吐量。二是，沿線的無線中繼節點基站采用GCM8632 Mesh基站，即在鐵路沿線光纖無線中繼基站使用GCM8632設備，該設備內置3塊802.11n模塊，其中兩塊5.8GHz模塊分別處理Mesh上行和Mesh下行的通信，保證了無線網絡多跳的高寬帶和低時延，另一個5.8GHz模塊處理移動車載Mesh設備的無線接入，支持第三方太陽能電池供電。地面無線Mesh網絡結構如圖4所示。

3.2 列車無線局域網

在每節車廂設置一個AP接入點，在整列車最中央的那節車廂設置一臺車載Mesh設備、一臺路由器和流媒體服務器，整列車通過車載Mesh設備與鐵路兩邊的基站建立連接，形成一個無線局域網絡。而車廂內部以車載流媒體服務器為中心，以各車廂AP接入點為節點，組成一個車域無線網絡。目前，我國的動車組在出廠時已經部署了內部的AP接入點，只需在中央控制部分增加一套流媒體服務器設備即可滿足列車內部無線局域網的組網需求。

車載Mesh設備采用GCM8300設備，該設備保證列車在高速移動和快速切換下依然保證無間斷的通訊，提供至少40Mbps車地通信帶寬。GCM8300設備內置1個5.8GHz 802.11n無線模塊，并提供1個千兆以太網接口用于連接車載路由器。

4 旅客列車寬帶網絡關鍵技術及應用場景

4.1 旅客列車寬帶網絡的關鍵技術

⑴車地互聯的實現。旅客列車寬帶網絡采用集中接入的模式，在旅客列車內部組成一個局域網，由車載通信網關集中負責與地面基站的車-地互聯。車載網絡終端均是接入到列車局域網，當需要與地面網絡通信時再由車載通信網關進行數據中繼。

⑵車載通信網絡在不同的Mesh節點間實現無縫的AP間切換。在鐵路沿線的無線寬帶覆蓋中，AP采用方向性天線沿鐵路線進行定向覆蓋，其覆蓋半徑可超過1公里。旅客列車是沿著鐵軌按照規定的運行軌跡移動，并且鐵路沿線的AP部署也是已知的，即車載通信網關可以預知其即將接入的下一個AP。同時，由于車載通信網關往往是一個獨立的WIFI設備，比一般移動節點可以更方便地集成多個無線模塊。

⑶無線網絡安全機制。旅客列車寬帶網絡的安全機制主要由車地互聯層實現，即車載通信網關只能接入合法的地面Mesh節點，而地面Mesh節點只允許合法的車載通信網關接入。車載通信網關和地面Mesh節點都與用戶無關，可以采用特殊的身份識別機制達到更高效更安全的身份認證。

⑷網絡管理技術。旅客列車寬帶的網絡管理涉及到車地互聯層的車載通信網關、地面接入層的Mesh節點、匯聚層的匯聚網關和交換控制中心。交換控制中心定期采集每個Mesh節點和車載通信網關的狀態數據，根據操作人員指令或動態最小生成樹算法等生成包含網絡管理信息的配置腳本，然后將相關配置腳本傳送給對應節點。各節點定期或根據指令隨機向交換控制中心報告節點狀態，接收并應用交換控制中心下達的配置腳本，從而實現網絡的集中管理和性能優化。

4.2 旅客列車寬帶網絡的應用場景

⑴列車車廂應用。列車寬帶網絡可以實現多種應用：列車內部視頻監控；旅客語音通信；客運業務數據傳輸；旅客互聯網數據訪問。

⑵站場應用。可以實現在途列車與調度之間的通信、地面工作人員之間的通信、車上與地面工作人員的通信。

5 結束語

我國正處于經濟高速發展時期，各種運輸方式發展迅速，要想在激烈的運輸市場中取得有利地位，除了需要升級硬件設施外，也應以旅客為本，為旅客提供人性化的信息服務。可以確信，基于無線Mesh網絡技術的旅客列車寬帶網絡的建設將極大提高鐵路旅客服務質量，改善鐵路形象，為我國鐵路信息化建設做出貢獻。

[參考文獻]

[1]張霞，趙瑜.關于鐵路旅客綜合服務信息系統的研究[J].交通運輸系統工程與信息，2004（2）64-67.

[2]陽建鳴，戴賢春，祝繼常.面向旅客服務的現代化鐵路綜合信息系統[J].中國鐵路，2003（3）：27-32.

[3]王焱.《鐵路旅客服務信息系統的應用及發展》.科技情報開發與經濟，2007，Vol17，No.5.