基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)設(shè)計研究

張秋亮 周星 趙曉艷

摘 要：隨著高速鐵路交通的發(fā)展，信息網(wǎng)絡(luò)的移動接入技術(shù)需要得到相應(yīng)的改善和提高。根據(jù)公共移動通信網(wǎng)和鐵路專用移動通信網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀，本文提出了一種基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的旅客列車服務(wù)寬帶網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方案，分析了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景。

關(guān)鍵詞：無線Mesh網(wǎng)絡(luò)；列車局域網(wǎng)；旅客列車；信息服務(wù)

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(jù)我國第31次互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展狀況統(tǒng)計報告，截至到2012年年底，我國網(wǎng)民規(guī)模達5.64億，其中手機網(wǎng)民數(shù)達到4.20億。該報告顯示，Internet應(yīng)用在我國迅速普及，已經(jīng)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(fā)展加快，顯示隨時、隨地、隨意的寬帶Internet應(yīng)用需求成為新的增長點。

根據(jù)鐵道部2012年鐵道統(tǒng)計公報，2012年我國鐵路運輸發(fā)送量達到18.93億人次，完成旅客周轉(zhuǎn)量9812.33億人公里，鐵路旅客運輸規(guī)模位于世界第一。其中客運專線建設(shè)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(zhì)，開創(chuàng)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(shù)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(wǎng)絡(luò)設(shè)備，有在列車上隨時上網(wǎng)的需求。因此，旅客列車寬帶Internet應(yīng)用研究不僅可提升鐵路服務(wù)質(zhì)量、滿足旅客日益強烈的寬帶Internet服務(wù)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(wǎng)絡(luò)概述

國內(nèi)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(shù)為列車提供窄帶連接，應(yīng)用領(lǐng)域主要為鐵路信號傳輸和列控等。然而該技術(shù)的頻率帶寬目前只有4MHZ，該網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上仍然是2G移動通信技術(shù)，在移動環(huán)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(lián)網(wǎng)的需求。針對于這種情況，本文提出了一種基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案。

旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)是基于Wi-Fi的鐵路專用無線Mesh（網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一種新型網(wǎng)絡(luò)，可提供寬帶高速移動的無線網(wǎng)絡(luò)，支持基于IP的話音、視頻和數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。網(wǎng)絡(luò)具有自我組織、自動配置、性能自動調(diào)節(jié)、鏈路自動修復(fù)等特性，支持負載均衡和冗余備份，為高速列車上互聯(lián)網(wǎng)接入、數(shù)據(jù)傳輸和語音服務(wù)提供穩(wěn)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(tǒng)所構(gòu)成的無線鏈路為骨干網(wǎng)與鐵路有線傳輸網(wǎng)相結(jié)合。該網(wǎng)絡(luò)的的實現(xiàn)不僅可以滿足高速列車上旅客對寬帶Internet服務(wù)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(jiān)控、移動視頻監(jiān)控、機車車輛數(shù)據(jù)實時交互、突發(fā)事件的應(yīng)急指揮、話音通信及編組場應(yīng)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(wǎng)絡(luò)的拓撲圖如圖1所示。

3 旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)由列車無線局域網(wǎng)、車-地寬帶連接、地面無線Mesh網(wǎng)絡(luò)3層結(jié)構(gòu)組成，如圖2所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)流的源和目的地址，可以將旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分類兩大類：車內(nèi)數(shù)據(jù)流和車-地間數(shù)據(jù)流。對于車內(nèi)數(shù)據(jù)流，直接在列車無線局域網(wǎng)內(nèi)部高速轉(zhuǎn)發(fā)。對于車-地間數(shù)據(jù)流，由車-地寬帶連接實現(xiàn)車地數(shù)據(jù)快速交互。由于我國鐵路現(xiàn)有的交互網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)三大基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)一般還只到達主要站段，沿線部署的無線基站難以實現(xiàn)直連，它們可以通過地面無線Mesh網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)匯聚。

基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

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

旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)的核心部分是地面無線Mesh網(wǎng)絡(luò)以及列車內(nèi)部的無線局域網(wǎng)的組建。

3.1 地面無線Mesh網(wǎng)絡(luò)

鐵路無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的核心部分是鐵路沿線架設(shè)的無線Mesh基站，固定Mesh基站的間距平均為2公里--直線區(qū)域Mesh基站間距離略大，而山區(qū)和隧道區(qū)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(lián)采用5.8GHz技術(shù)，對車輛的接入也采用5.8GHz頻段技術(shù)。固定Mesh基站經(jīng)過多跳無線組網(wǎng)之后，進入到就近的光纖節(jié)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(shè)備。該網(wǎng)絡(luò)支持移動速度高達300公里時速的漫游切換。

鐵路無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中主要使用兩種Mesh基站。一是，光纖落地節(jié)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(nèi)置了3塊802.11n模塊，可以為系統(tǒng)提供更高的整體性能。按照實際環(huán)境的經(jīng)驗值，每個802.11n扇區(qū)在1公里內(nèi)可提供70Mbps以上的匯聚吞吐量。二是，沿線的無線中繼節(jié)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(shè)備，該設(shè)備內(nèi)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(wǎng)絡(luò)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(shè)備的無線接入，支持第三方太陽能電池供電。地面無線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2 列車無線局域網(wǎng)

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

車載Mesh設(shè)備采用GCM8300設(shè)備，該設(shè)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(shè)備內(nèi)置1個5.8GHz 802.11n無線模塊，并提供1個千兆以太網(wǎng)接口用于連接車載路由器。

4 旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用場景

4.1 旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

⑴車地互聯(lián)的實現(xiàn)。旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)采用集中接入的模式，在旅客列車內(nèi)部組成一個局域網(wǎng)，由車載通信網(wǎng)關(guān)集中負責(zé)與地面基站的車-地互聯(lián)。車載網(wǎng)絡(luò)終端均是接入到列車局域網(wǎng)，當(dāng)需要與地面網(wǎng)絡(luò)通信時再由車載通信網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)中繼。

⑵車載通信網(wǎng)絡(luò)在不同的Mesh節(jié)點間實現(xiàn)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(guī)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(wǎng)關(guān)可以預(yù)知其即將接入的下一個AP。同時，由于車載通信網(wǎng)關(guān)往往是一個獨立的WIFI設(shè)備，比一般移動節(jié)點可以更方便地集成多個無線模塊。

⑶無線網(wǎng)絡(luò)安全機制。旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)的安全機制主要由車地互聯(lián)層實現(xiàn)，即車載通信網(wǎng)關(guān)只能接入合法的地面Mesh節(jié)點，而地面Mesh節(jié)點只允許合法的車載通信網(wǎng)關(guān)接入。車載通信網(wǎng)關(guān)和地面Mesh節(jié)點都與用戶無關(guān)，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(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)。旅客列車寬帶的網(wǎng)絡(luò)管理涉及到車地互聯(lián)層的車載通信網(wǎng)關(guān)、地面接入層的Mesh節(jié)點、匯聚層的匯聚網(wǎng)關(guān)和交換控制中心。交換控制中心定期采集每個Mesh節(jié)點和車載通信網(wǎng)關(guān)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)操作人員指令或動態(tài)最小生成樹算法等生成包含網(wǎng)絡(luò)管理信息的配置腳本，然后將相關(guān)配置腳本傳送給對應(yīng)節(jié)點。各節(jié)點定期或根據(jù)指令隨機向交換控制中心報告節(jié)點狀態(tài)，接收并應(yīng)用交換控制中心下達的配置腳本，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的集中管理和性能優(yōu)化。

4.2 旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景

⑴列車車廂應(yīng)用。列車寬帶網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)多種應(yīng)用：列車內(nèi)部視頻監(jiān)控；旅客語音通信；客運業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸；旅客互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)訪問。

⑵站場應(yīng)用?？梢詫崿F(xiàn)在途列車與調(diào)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(jié)束語

我國正處于經(jīng)濟高速發(fā)展時期，各種運輸方式發(fā)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(shè)施外，也應(yīng)以旅客為本，為旅客提供人性化的信息服務(wù)。可以確信，基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的旅客列車寬帶網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)將極大提高鐵路旅客服務(wù)質(zhì)量，改善鐵路形象，為我國鐵路信息化建設(shè)做出貢獻。

[參考文獻]

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