現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在鐵路通信中的應(yīng)用

趙建

?

現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在鐵路通信中的應(yīng)用

趙建

通號工程局集團(tuán)有限公司，北京 100070

快速發(fā)展的中國鐵路建設(shè)對鐵路信息化提出了新的要求，尤其是鐵路客運(yùn)專線的廣泛運(yùn)營，讓人們在列車上也能感受到與辦公室一樣的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)成為了移動(dòng)通信發(fā)展中新的熱點(diǎn)。這就需要運(yùn)用現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立運(yùn)行流暢的鐵路通信網(wǎng)絡(luò)，通過基于Wi-Fi的現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用改善現(xiàn)有技術(shù)的不足，從而使鐵路通信網(wǎng)和乘客服務(wù)體驗(yàn)得到全面的提升。

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；鐵路通信；Wi-Fi

引言

在長達(dá)數(shù)小時(shí)的鐵路列車旅程中，乘客需要包括語音、電子郵件、上網(wǎng)瀏覽和流媒體等在內(nèi)的多種信息化服務(wù)。為高速移動(dòng)中的列車乘客提供寬帶無線接入服務(wù)，已成為當(dāng)今無線移動(dòng)通信業(yè)務(wù)發(fā)展的熱點(diǎn)。目前，我國的單列高速列車中通常載有800～1000名乘客。假設(shè)有約10％的乘客需要寬帶接入服務(wù)，平均速率為2?Mbps，那么總共需要200?Mbps左右的數(shù)據(jù)速率來滿足需求。為如此眾多的乘客提供寬帶無線接入所需的數(shù)據(jù)傳輸速率至少在100?Mbps～1?Gbps數(shù)量級。

基于IEEE-802.11標(biāo)準(zhǔn)的Wi-Fi現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日趨成熟，已被廣泛地應(yīng)用在鐵路通信的各個(gè)方面。本文通過對現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在鐵路上的具體應(yīng)用進(jìn)行描述，闡述了現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在鐵路上應(yīng)用的優(yōu)勢、需要克服的技術(shù)難點(diǎn)和應(yīng)對的技術(shù)措施。

1 現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述

基于Wi-Fi的現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種可以將個(gè)人電腦、手持設(shè)備（如PDA、手機(jī)）等終端以無線方式互相連接的技術(shù)。Wi-Fi是IEEE 802.11系列的別稱，它是一種短程無線傳輸技術(shù)，能夠在數(shù)百英尺范圍內(nèi)支持互聯(lián)網(wǎng)接入的無線電信號。Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)是由AP和無線網(wǎng)卡組成的無線網(wǎng)絡(luò)。鐵路列車上現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)通過車載Wi-Fi設(shè)備，把沿線通信運(yùn)營商的3G或4G信號轉(zhuǎn)換為Wi-Fi熱點(diǎn)，以供乘客使用，即指在火車上利用無線熱點(diǎn)進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)連接。

2 現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在鐵路上應(yīng)用的優(yōu)勢

現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在鐵路上的應(yīng)用則是指在旅客列車內(nèi)組成一個(gè)列車Internet，由車載通信網(wǎng)關(guān)集中負(fù)責(zé)與地面基站的車-地互聯(lián)。在該模式下，車載網(wǎng)絡(luò)終端均是接入到列車Internet，當(dāng)需要與地面網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)再由車載通信網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼。相比乘客分散聯(lián)網(wǎng)模式，現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)對于基于Wi-Fi的旅客列車寬帶Internet應(yīng)用系統(tǒng)至少具有三個(gè)方面的優(yōu)勢[1]。

2.1 可以實(shí)現(xiàn)更好的車-地互聯(lián)

設(shè)備的硬件配置對提高Wi-Fi移動(dòng)應(yīng)用性能非常關(guān)鍵。在分散接入模式下，顯然沒法提高所有車載網(wǎng)絡(luò)終端的硬件配置，且旅客攜帶的智能手機(jī)，發(fā)射功率和天線增益一般都比較低。在現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)下，車載通信網(wǎng)關(guān)往往是一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備，因此可以配置更高功率的無線模塊，也可以配置更高增益的室外天線。

2.2 更容易實(shí)現(xiàn)AP問無縫切換

車載用戶（80?km/h）在經(jīng)過Wi-Fi熱點(diǎn)時(shí)，其有效帶寬僅達(dá)到帶寬潛能的50%，其中一個(gè)重要的原因是由于認(rèn)證和關(guān)聯(lián)等管理數(shù)據(jù)包的丟失，導(dǎo)致快速移動(dòng)的車載用戶遲遲不能接入新AP。在同樣的AP部署中，應(yīng)用現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的車載通信網(wǎng)關(guān)可以達(dá)到與地面AP更好的無線連接質(zhì)量，既顯著減少了AP的接入用戶數(shù)，又降低了誤碼率，從而顯著提高了車載移動(dòng)用戶接入新AP的速度，也更容易實(shí)現(xiàn)AP間無縫切換。

2.3 可以更有效地利用車-地互聯(lián)的帶寬

聯(lián)網(wǎng)訪問的數(shù)據(jù)流量通常符合80/20法則，即80%的數(shù)據(jù)流訪問的往往都是網(wǎng)內(nèi)資源。同樣地，旅客列車Internet的應(yīng)用，包括乘客信息系統(tǒng)、在線電影和在線游戲等車載娛樂系統(tǒng)等都只需要訪問車載服務(wù)器，不需要搶占寶貴的車-地互聯(lián)的帶寬資源，這樣可以通過緩存和預(yù)取機(jī)制，更有效地利用車-地互聯(lián)的帶寬。

3 正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)的應(yīng)用

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multi- plexing）即正交頻分復(fù)用技術(shù)，是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)，其主要思想就是在頻域內(nèi)將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。每個(gè)子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道可以看成平坦性衰落，從而消除碼間的串?dāng)_，而且由于每個(gè)子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，這樣信道均衡將變得相對容易。

鐵路移動(dòng)通信中的一個(gè)重要問題是如何處理由無線電波的反射和散射引起的多徑效應(yīng)。多徑信號具有不同的到達(dá)時(shí)間、隨機(jī)相位和幅度衰落，容易造成碼間干擾和信號失真。鐵路列車的行駛環(huán)境地形多變，除了城市和平原，還有山區(qū)、高架橋和隧道等，各種場景會(huì)產(chǎn)生大量的多徑信號，這些都將造成碼間干擾，影響接收機(jī)性能。

OFDM技術(shù)是對抗多徑效應(yīng)的主要措施。OFDM系統(tǒng)中帶寬被N個(gè)子載波占用，符號速率減少為單載波傳輸模式的1/N。符號速率的降低使符號的時(shí)間間隔增加，以抵抗多徑傳播導(dǎo)致的符號間干擾。同時(shí)，OFDM符號前增加循環(huán)保護(hù)間隔，在循環(huán)保護(hù)間隔大于信道最大多徑時(shí)延的情況下，可以減少相鄰OFDM符號之間的ISI，保證各信道間的正交性，從而降低信道間干擾。

4 多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)的應(yīng)用

多輸入多輸出技術(shù)（Multiple-Input Multiple- Output，MIMO）是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。在鐵路列車中應(yīng)用，能充分利用空間資源，通過車廂內(nèi)多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍地提高系統(tǒng)信道容量。采用MIMO天線與天線陣列，通過精心設(shè)計(jì)安裝在車體外保持與地面AP的最佳連接，將指向依據(jù)周邊的環(huán)境的改變來進(jìn)行自動(dòng)改變，這都為無線網(wǎng)絡(luò)信號在車廂中的均勻覆蓋提供了重要的保障。

5 結(jié)束語

本文對基于Wi-Fi的現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在鐵路中的應(yīng)用進(jìn)行了相應(yīng)的分析。只有各種先進(jìn)技術(shù)相互補(bǔ)充使用，才能帶來持續(xù)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和有效性。

[1]章嘉懿.高速鐵路寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與性能分析研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2014.

The Application of Modern Wireless Network Technology in Railway Communication

Zhao Jian

Signal & Communication Engineering Bureau Group Co., Ltd., Beijing 100070

Rapid development of China’s railway construction puts forward new requirements of railway informationization.It has become a new hotspot in communication development for people to feel the same network communication service as the office on the train of high-speed.The application of modern wireless network technology based on Wi-Fi improves the shortage of existing technology.Thus, the railway communication network and passenger service experience are improved comprehensively.

Wireless network technology; Railway communication; Wi-Fi

TN925

A