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高速鐵路區別于其他一般的鐵路，就在于其速度可以達到每小時200千米以上，最快的記錄是每小時486千米。在高速鐵路上行駛的過程中，基站信道便會快速進行轉換，那么就會導致多普勒效應，這樣一來，在列車中進行無線數據交換時，速度會十分緩慢，而且通話也會被中斷。如何在高速列車上做好無線網絡和通話工作成為了一個難題。現在針對這些問題，不外乎有這些做法：一種是加大基站發射頻率及密度，相應地也會增加運營商的成本；一種是設置車載轉發系統或對現有通信制式及算法進行有針對性的優化。顯然第一種做法不會贏得運營商的青睞，第二種做法憑借較高的可行性，已經在高鐵無線通信領域中占領了高地。

1無線通信系統的結構

在2009年的時候，在日本的高速鐵路中就早已經有了無線網絡，而且速度也非常可觀，下載速度一般可以達到2Mbps。但是并不是十全十美的：人們手里的高科技產品越來越多，連接的設備越來越多，這就造成速度比較緩慢。而且無線網絡并不是全面覆蓋的，而是在特定的區域內享有。為了改善無線通信系統，鄙人提出了以Wi-Fi為基礎的無線數據交換系統，這個系統最大的亮點便是在Wi-Fi的支持下，速度可以達到16Mbps。無線數據交換系統包括四個方面：部署智能天線、Wi-Fi橋接以及地面天線的部署、Wi-Fi橋接及車載天線、使用移動IPv4地址進行網絡配置。下面就從這四個方面展開論述。

1.1部署智能天線考慮到在同一軌道上，車廂的軌跡并不會有多大的區別，那么就為車載天線和地面對應天線之間的對接提供了良好的條件。當車廂處于天線陣列中時，多普勒頻移規律便會發生作用，使得無線通信保持順暢。因為智能天線能夠根據周圍的環境自動改變指向，這樣就使得車廂里的無線網絡覆蓋比較均勻。

1.2Wi-Fi橋接以及地面天線的部署在無線數據交換系統中配備了11個地面的Wi-Fi無線橋接。從每個天線傳輸出來的信息方向和鐵路的軌跡是平行的，而且只要保持天線之間合理的間距，那么就可以保證接收信號的強度，一般來說天線之間的距離保持在500米。

1.3Wi-Fi橋接及車載天線在機長的車廂里面，同樣少不了Wi-Fi橋接設備及智能天線的身影。因為如果在機長車廂中會屏蔽掉無線網絡，那么就會造成無線網絡通信之間的不順暢，反而適得其反。因此，在機長車廂中也要配備Wi-Fi橋接設備及智能天線的身影。

1.4使用移動IPv4地址進行網絡配置在利用移動IPv4地址進行網絡配置的過程中，象征本地的是HA，象征外部的是FA。在一個網絡系統中需要三個外部和一個本地，他們都屬于同一個的網段，而且在每個外部中，還配備了3個到4個的Wi-Fi無線網橋設備。在檢測網絡層切換的功能過程中，還要利用到3個外部的子網絡。網絡中Wi-Fi無線網橋設備和交換機進行交換的方式采用的是串聯的形式。因此在列車上面，可以見到Wi-Fi無線橋接和移動路由的身影。

2鏈路層切換流程

在網絡配置中使用思科AIR-BR1310G-J-K9-R作為Wi-Fi無線網橋設備，該設備能夠很好的支持無線鏈路層的快速切換。其大致工作流程為：外部觸發切換，該切換請求來源于數據請求量超過預先設定閾值，或者RSSI接收值低于閾值等原因。如果是數據請求量過大所導致的切換，無線連接將會被一直處于激活狀態直到該切換引致物理連接的失敗，在這種情形下，車載天線將在失去連接之后主動搜索新的可用Wi-Fi無線網橋設備。如是因為RSSI接收量過低所導致的L2HO觸發，此時車載天線和地面天線仍將保持連接，但車載天線將在之前的連接斷開前開始主動搜索新的可用Wi-Fi網橋設備。此時鏈路層（L2HO）切換時間將會較短。在我們的仿真實驗中將L2HO閾值設置為-85dBm，這也是最小RSSI接收量。不管是哪一種觸發方式，L2HO都將會以下的流程進行切換：第一步，掃描可用的無線網橋設備；第二部，檢查SSID（ServiceSetIdentifier）和密碼并丟棄無效的密碼匹配；第三部，在搜索結果中連接最優的無線網橋；第五步，車載BR發送使用子網接入協議（SNAP）的數據鏈路層廣播幀；第六步，地面網橋接收到特定廣播幀后主動更新無線網橋設備和第二層交換機（L2SWs）的MAC地址鏈表；第七步，地面和列車間便可在各設備間進行網絡流量的交換。

3網絡層切換流程

在一般情況下，列車都是車軌道上行駛，所以車載MR和外部之間進行無線訪問還是比較穩定。因為三個外部并不是屬于同一個子網，所以在FA中便有了快捷通道的產生，并且利用了思科Catalyst2960交換機。在另一個交換機里面，端口會對里面的配置進行保護，避免廣播幀和組播幀被打斷。這樣一來，就使得靠的比較近的無線網橋設備之間就能進行數據的傳輸。舉個例子，如果列車從左方開過來，Wi-Fi連接順序為BR1-11然后是BR1-12。同樣的一個移動IPv4隧道會通過外部FA1建立。當車運行到BR1-13區域時，車載MR可以偵聽到FA2及FA1的移動IPv4報文。之后車載MR通過向FA2發送一個注冊請求開始第三層切換。值得強調的是，除更新路由表所需的大約20ms外，整個過程中數據流量是一直保持傳輸的。

4小結

本文主要講述了以無線網橋為基礎的高速鐵路無線通信系統。在這個無線系統中，鏈路層和網絡層之間可以進行順暢切換，不會輕易發生掉線的情況，這樣一來，就使得高速鐵路上的無線網絡能夠為車上的旅客提供便利，創造更好的列車服務。

作者：姜鑫 單位：中國聯合網絡通信有限公司天津市分公司