基于WiFi無線通信系統在高速鐵路中的應用

摘 要：相較于一般的鐵路，高速鐵路運行具有更快的速度，平均時速可達200km/h，最快的速度可以達到486km/h，行駛在高速鐵路的過程中，會進行快速的基站信號轉換，這會導致多普勒效應的產生。本文對wifi為基礎的無線通信網絡在高速鐵路中的應用進行了闡述，如無線通信的結構、鏈路層和網絡層的切換等。

關鍵詞：wifi無線；通信系統；高速鐵路

列車在對無線數據信息進行交換的過程中，速度就會降低，甚至導致通話被迫中斷。為了對這種現象進行有效的解決，有兩種做法，一種是對基站的發生密度和頻率進行增加，另一種是對系統和制式算法進行優化，后者已經成為了當前高鐵無線通信的主要優化方式。

一、無線通信的結構

日本在2009年時就將無線網絡應用于高速鐵路當中，并且能夠達到較快的速度，通常情況下能夠達到2Mbps。然而，其中仍然存在著較多的缺點，隨著高科技產品在人們的生活中應用越來越多，連接網絡的設備也隨之增加，導致速度的變慢。無線網絡只是在某些特殊的區域中覆蓋，而不是全范圍的覆蓋。為了對此種現象進行改善，就需要對無線通信系統實行改進，將wifi作為無線網絡基礎的交換系統，數據交換系統在wifi的支持下能夠將傳輸的速度提升到16Mbps，在這個系統中存在四個方面的工作內容：智能天線的部署、部署地面天線和橋接wifi、車載天線、IPv4網絡配置。

智能天線：車廂在同一軌道上并不會出現差異較大的軌跡，因此提供了較好的條件實現地面接應天線和車載天線之間的對接，當天線的陣列覆蓋了車廂時，會在其中發生多普勒頻移，進而能夠保障無線通信的順暢。由于智能天線能夠將指向依據周邊環境的改變來進行自動的改變，保證無線網絡信號能夠在車廂中進行均勻的覆蓋。

地面天線：無線數據中將11個無線wifi橋接配備于交換系統中，信號從天線中傳輸出來，其每條信號的方向都平行于鐵路的軌跡，并且能夠對天線之間的間距進行合理的保持，就能夠將有效的保障提供給信號的強度，通常情況下，天線之間保持的距離為500m。

車載天線：機長所在的車廂內，也需要進行wifi橋接設備的安裝和智能天線的安裝，因為機長所在的車廂內若對無線網絡進行了屏蔽，則無線網絡通信就會受到影響而導致出現不順暢的現象，反而影響信息傳輸。所以，應當將智能天線和橋接wifi的設備在機長所在的車廂進行配備。

IPv4網絡配置：在通過IPv4地址對網絡進行配置時，HA是本地代理的象征，FA是外部代理的象征。一個網絡系統中含有一個本地代理和三個外部代理，都存在于同一個網段之中，并且一個外部代理中還需要三個或四個的橋接設備的配備。在對網絡層切換的情況進行檢測的過程中，還需要使用到來自外部代理的三個子網絡。Wifi橋接設備和交換機之間通過串聯的形式進行交換，所以在高速列車中，配備有wifi橋接設備和移動路由器。

二、切換鏈路層

在進行配置網絡時，無線wifi網橋設備選擇，此設備能夠較好的對快速切換無線鏈路層進行支持。其切換的流程大致為：由外部對切換進行觸發，數據的請求量大于設定的閥值，或者閥值大于RSSI的接收值等。若是較大的數據請求量引發的切換，無線連接會始終處于激活的狀態，直至物理連接因切換而失敗，這時候車載天線會再失去連接的狀態下對可用的wifi無線設備進行重新的搜索。若是鏈路層由于較低的RSSI接收量而導致觸發，這時候地面天線和車載天線之間仍然保持著連接的狀態，但是天線在前一個連接斷開前就對新的可用wifi設備進行主動的搜索。這時鏈路層的切換按以下流程進行：其一，對可用的無線網絡進行掃描；其二，對SSID（服務集標識）和密碼進行檢查，將查出的無效密碼進行丟棄；其三，在搜索所得的結果中，選擇出最佳的無線wifi網橋設備進行連接；其四，數據使用SNAP（子網接入協議）通過車載BP進行發送出鏈路層（L2HO）的廣播幀；其五，特定的廣播幀被地面的網橋進行接收后，對無線wifi網橋設備和L2SWs（第二層交換機）的物理地址（MAC）地址鏈表進行主動地更新；其六，列車間和地面在各自的所在的位置就能夠實行交換網絡流量。

三、切換網絡層

在通常的情況下，列車行駛的位置都是車軌道，因此車載的MR能夠和外部代理進行較為穩定的無線訪問。由于三個外部代理之間并不來自于相同的一個子網，因此在FA（工廠自動化）中出現了更加快捷的通道，且其能夠通過思科的交換機CAataltst 2960進行利用。而在另一個交換機之中，端口能夠保護其中存在的配置，以免組播幀和廣播幀被外界的一些因素所打斷。如此這樣，就使得無線wifi網橋設備距離較近的能夠實施傳輸數據，例如，若列車的行駛方向是從左向右行駛，wifi會按照以下順序進行連接：先BR1-11，后BR1-12。相同的一個移動IPv4（互聯網協議第四版）隧道建立時會利用外部代理FA1.當列車載進行運行中到達BR1-13區域的時候，車載MR能夠對FA1和FA2的移動互聯網協議（IPv4）報文進行偵聽。隨后車載的MR會將一個注冊請求發送于FA2，進行切換第三層。在這個網絡層的切換過程中，尤其要注意的是，除了對路由表實行更新需要20ms左右的流量之外，在整個切換的過程中，數據流量始終都處于一個傳輸的保持狀態。

四、結語

本文對以wifi為基礎的無線通信網絡在高速鐵路中的應用進行了闡述，在上述的無線通信系統中，網絡層和鏈路層（L2HO）之間能夠順暢地進行切換，鮮有掉線的情況發生，旅客在乘坐高速鐵路的過程中能夠通過無線網絡獲得更大的便利，為列成營造出一個更佳的服務氛圍。

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