基于WiFi無線通信系統(tǒng)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(chǎn)生。本文對wifi為基礎的無線通信網(wǎng)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(wǎng)絡層的切換等。

關鍵詞：wifi無線；通信系統(tǒng)；高速鐵路

列車在對無線數(shù)據(jù)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(xiàn)象進行有效的解決，有兩種做法，一種是對基站的發(fā)生密度和頻率進行增加，另一種是對系統(tǒng)和制式算法進行優(yōu)化，后者已經(jīng)成為了當前高鐵無線通信的主要優(yōu)化方式。

一、無線通信的結構

日本在2009年時就將無線網(wǎng)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(chǎn)品在人們的生活中應用越來越多，連接網(wǎng)絡的設備也隨之增加，導致速度的變慢。無線網(wǎng)絡只是在某些特殊的區(qū)域中覆蓋，而不是全范圍的覆蓋。為了對此種現(xiàn)象進行改善，就需要對無線通信系統(tǒng)實行改進，將wifi作為無線網(wǎng)絡基礎的交換系統(tǒng)，數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)在wifi的支持下能夠將傳輸?shù)乃俣忍嵘?6Mbps，在這個系統(tǒng)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(wǎng)絡配置。

智能天線：車廂在同一軌道上并不會出現(xiàn)差異較大的軌跡，因此提供了較好的條件實現(xiàn)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(fā)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(jù)周邊環(huán)境的改變來進行自動的改變，保證無線網(wǎng)絡信號能夠在車廂中進行均勻的覆蓋。

地面天線：無線數(shù)據(jù)中將11個無線wifi橋接配備于交換系統(tǒng)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(wǎng)絡進行了屏蔽，則無線網(wǎng)絡通信就會受到影響而導致出現(xiàn)不順暢的現(xiàn)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(wǎng)絡配置：在通過IPv4地址對網(wǎng)絡進行配置時，HA是本地代理的象征，F(xiàn)A是外部代理的象征。一個網(wǎng)絡系統(tǒng)中含有一個本地代理和三個外部代理，都存在于同一個網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡。Wifi橋接設備和交換機之間通過串聯(lián)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(wǎng)絡時，無線wifi網(wǎng)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(fā)，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)請求量引發(fā)的切換，無線連接會始終處于激活的狀態(tài)，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(tài)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(fā)，這時候地面天線和車載天線之間仍然保持著連接的狀態(tài)，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(wǎng)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(wǎng)橋設備進行連接；其四，數(shù)據(jù)使用SNAP（子網(wǎng)接入?yún)f(xié)議）通過車載BP進行發(fā)送出鏈路層（L2HO）的廣播幀；其五，特定的廣播幀被地面的網(wǎng)橋進行接收后，對無線wifi網(wǎng)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(wǎng)絡流量。

三、切換網(wǎng)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(wěn)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(wǎng)，因此在FA（工廠自動化）中出現(xiàn)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(wǎng)橋設備距離較近的能夠實施傳輸數(shù)據(jù)，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(lián)網(wǎng)協(xié)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(qū)域的時候，車載MR能夠對FA1和FA2的移動互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IPv4）報文進行偵聽。隨后車載的MR會將一個注冊請求發(fā)送于FA2，進行切換第三層。在這個網(wǎng)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(shù)據(jù)流量始終都處于一個傳輸?shù)谋３譅顟B(tài)。

四、結語

本文對以wifi為基礎的無線通信網(wǎng)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(tǒng)中，網(wǎng)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(fā)生，旅客在乘坐高速鐵路的過程中能夠通過無線網(wǎng)絡獲得更大的便利，為列成營造出一個更佳的服務氛圍。

參考文獻：

[1]藍博.基于WiFi無線通信系統(tǒng)在高速鐵路中的應用[J].科技視界，2015（19）.

[2]蔣新華，朱銓，鄒復民.高速鐵路3G通信的覆蓋與切換技術綜述[J].計算機應用，2012（09）.

[3]孫屹楓.基于無線通信技術的高速鐵路信號系統(tǒng)應用[J].電子技術與軟件工程，2014（04）.

[4]姜鑫.基于Wi-Fi無線通信系統(tǒng)在高速鐵路中的應用[J].電子技術與軟件工程，2015（23）.

[5]任洪權，齊浩博，崔利，康增建.高速鐵路客運站無線通信調度系統(tǒng)的設計[J].鐵路計算機應用，2011（08）.