基于無線Mesh網絡技術的旅客列車服務信息系統研究

張秋亮，周培森，方 凱，楊國元

(中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京，100081)

基于無線Mesh網絡技術的旅客列車服務信息系統研究

張秋亮，周培森，方 凱，楊國元

(中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京，100081)

針對我國既有旅客列車服務信息系統存在的不足，本文在分析旅客旅行需求信息的基礎上，提出基于無線Mesh網絡技術的旅客列車服務信息系統設計方案，分析系統基本功能、網絡架構以及系統關鍵技術。

無線Mesh網絡；列車局域網；旅客列車；信息服務

我國鐵路部門從上世紀80年代后期就開始研發客運管理信息系統[1～3]，90年代開始，先后建設了TMIS、PMIS、DMIS等，這些系統的研發及建設極大地提高了我國鐵路的現代化管理和運營水平。然而以旅客需求為向導，面向旅客服務的信息系統功能還不完善。列車為旅客提供的信息極為有限，除了廣播外，只能在車廂兩頭的LED顯示屏循環滾動顯示車速、氣溫、前方停靠站等信息，而這些信息單一、單向傳播、時效性差，缺少互動性，缺乏娛樂性。針對這種情況，分析旅客各種信息需求，研究建設旅客列車服務信息系統，為旅客提供人性化的信息服務，可以提高鐵路旅客運輸的競爭力。

1 系統需求分析

1.1 旅客需求信息分析

根據旅客出行各階段所需時間統計，旅客從出發地到目的地的旅行中，在交通運輸車輛上停留的時間約占整個旅行時間2/3以上。因此，建設旅客列車服務系統顯得尤為重要。旅客在途信息需求主要分為以下4項。

（1）列車運行狀態：運行速度，運行區間，前方到站，正晚點情況以及晚點原因等。

（2）信息服務：列車時刻表，換乘方案，新聞資訊，沿途站點天氣預報，沿途站城市風光及旅游資源，酒店和票務預訂，沿途站點公交信息等。

（3）互聯網訪問服務：旅客利用自己攜帶的移動設備（智能手機、筆記本電腦等）接入互聯網。

（4）娛樂服務：音頻，視頻點播，游戲等。

1.2 系統網絡需求分析

旅客列車服務信息系統的網絡需求分為兩類：

（1）無線通信網：列車需要通過運營商提供的無線通信網絡滿足旅客訪問互聯網信息的需求。

（2）列車無線局域網：列車需要利用車內的無線局域網來滿足旅客多媒體信息、娛樂服務等需求。

2 系統解決方案及網絡結構設計

2.1 解決方案

根據目前公共移動通信網絡和鐵路專用移動通信網絡的發展現狀，旅客列車服務信息系統設計的最大瓶頸在于既有的無線通信網絡無法滿足系統信息傳輸的需要。

當前，在高速移動的列車上，旅客通過基于蜂窩移動通信技術的2 G或3 G窄帶無線網絡訪問互聯網，經常會出現掉線或無法訪問的現象，尤其是在高速鐵路上，無法保持不間斷的可靠連接。盡管鐵路部門采用GSM-R（GSM for Railway）技術為列車提供的無線網絡能滿足時速500 km以下的列車不間斷地接入互聯網，然而該技術的頻率帶寬目前只有4 MHZ，該網絡本質上仍然是2 G移動通信技術，在移動環境下，其帶寬也只有幾kbit/s，無法滿足列車上旅客訪問互聯網的需求。

為此，本文提出一種基于無線Mesh網絡技術的旅客列車寬帶網絡應用方案。旅客列車寬帶網絡由列車無線局域網、車-地寬帶連接和地面無線Mesh網絡3層結構組成，如圖1所示。

圖1 旅客列車寬帶網絡體系結構圖

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、數據通信網一般只到達主要站段，沿線部署的無線基站難以實現直連，可通過地面無線Mesh網絡實現通信數據匯聚。

2.2 系統網絡結構設計

基于無線Mesh網絡技術的旅客列車寬帶網絡結構如圖2所示。

圖2 旅客列車寬帶網絡結構示意圖

無線Mesh網絡的最大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無線接入點（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，這樣可以很好地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網絡以及列車內部無線局域網的組建。

2.2.1 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 km，直線區域Mesh基站間距離略大，而山區和隧道區域Mesh基站間距在1.5 km左右。固定Mesh基站之間的互聯采用5.8 GHz技術，對車輛的接入也采用5.8 GHz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 km/h的漫游切換。

鐵路無線Mesh網絡中主要使用2種Mesh基站。（1）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1套GCM8622。該基站內置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 km內可提供70 Mbps以上的匯聚吞吐量。（2）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2塊5.8 GHz模塊分別處理Mesh上行和Mesh下行的通信，保證無線網絡多跳的高寬帶和低時延，另一個5.8 GHz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3所示。

圖3 地面無線Mesh網絡結構圖

2.2.2 列車無線局域網

在每節車廂設置1個AP，在整列車最中央的那節車廂設置1臺車載Mesh設備、1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1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為節點，組成1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，只需在中央控制部分增加1套流媒體服務器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通信，提供至少40 Mbps車地通信帶寬。GCM8300設備內置1個5.8 GHz 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。

3 系統主要功能

系統的軟件設計采用B/S架構，部署在車載流媒體服務器上。旅客可通過列車內部的無線局域網和自己攜帶的移動設備（智能手機、平板電腦、筆記本電腦等）直接訪問該軟件。

旅客列車服務信息系統主要實現以下功能。

（1）列車運行狀態查詢

提供列車當前運行速度、運行區間、前方到站、正晚點情況以及晚點原因等信息的查詢。

（2）信息服務

提供列車時刻表、換乘方案、新聞資訊、沿途站點天氣預報、沿途站城市風光及旅游資源、沿途站點公交信息以及酒店和票務預訂。

（3）娛樂服務

提供音頻點播、視頻點播、局域網游戲等功能。

（4）互聯網訪問服務

為旅客提供互聯網不間斷連接的訪問服務。

4 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服務信息系統的建設將極大地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。

[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[J].科技情報開發與經濟，2007，l17（5）.

責任編輯 楊利明

Study on Passenger Train Service Information System based on Wireless Mesh Network technology

ZHANG Qiuliang, ZHOU Peisen, FANG Kai, YANG Guoyuan
（Institute of Computing Technologies, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China）

In view of the existing deficiencies in Passenger Train Service Information System, this paper analyzed the information of passenger demand, put forward the design plan of Passenger Train Service Information System based on the Wireless Mesh Network technology, and then analyzed the basic function, network architecture and key technologies of the System.

Wireless Mesh Network(WMN); train LAN; passenger trains; information service

U285.2∶TP39

A

1005-8451（2014）02-0011-03

2013-08-15

鐵道部科技研究開發計劃項目（2011X014-D）。

張秋亮，助理研究員；周培森，助理研究員。