基于无线Mesh网络技术的旅客列车宽带网络设计研究

张秋亮 周星 赵晓艳

摘 要：随着高速铁路交通的发展，信息网络的移动接入技术需要得到相应的改善和提高。根据公共移动通信网和铁路专用移动通信网的发展现状，本文提出了一种基于无线Mesh网络技术的旅客列车服务宽带网络的设计方案，分析了网络结构、关键技术以及网络的应用场景。

关键词：无线Mesh网络；列车局域网；旅客列车；信息服务

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

根据我国第31次互联网络发展状况统计报告，截至到2012年年底，我国网民规模达5.64亿，其中手机网民数达到4.20亿。该报告显示，Internet应用在我国迅速普及，已经融入到社会的各个层次和方面，特别是宽带和手机这两种接入方式发展加快，显示随时、随地、随意的宽带Internet应用需求成为新的增长点。

根据铁道部2012年铁道统计公报，2012年我国铁路运输发送量达到18.93亿人次，完成旅客周转量9812.33亿人公里，铁路旅客运输规模位于世界第一。其中客运专线建设全面推进，特别是自2007年4月“和谐号”动车组列车开行以来，以其安全、快速、舒适、方便的运输品质，开创了我国铁路旅客运输新局面。

然而，在信息社会的今天，行进中的旅客列车却依然是信息的孤岛，每年有十几亿旅客在列车上度过数百亿小时与Internet隔离的时光。如今，越来越多的旅客随身携带笔记本电脑、平板电脑、智能手机等移动网络设备，有在列车上随时上网的需求。因此，旅客列车宽带Internet应用研究不仅可提升铁路服务质量、满足旅客日益强烈的宽带Internet服务的需要，同时也是一个潜力巨大的市场[1-3]。

2 旅客列车宽带网络概述

国内对铁路无线的前期研究主要集中在采用GSM-R/GPRS等移动蜂窝通信技术为列车提供窄带连接，应用领域主要为铁路信号传输和列控等。然而该技术的频率带宽目前只有4MHZ，该网络本质上仍然是2G移动通信技术，在移动环境下，其带宽也只有几kbit/s，根本就无法满足列车上旅客访问互联网的需求。针对于这种情况，本文提出了一种基于无线Mesh网络技术的旅客列车宽带网络设计方案。

旅客列车宽带网络是基于Wi-Fi的铁路专用无线Mesh（网状网技术）网络技术的一种新型网络，可提供宽带高速移动的无线网络，支持基于IP的话音、视频和数据传输业务。网络具有自我组织、自动配置、性能自动调节、链路自动修复等特性，支持负载均衡和冗余备份，为高速列车上互联网接入、数据传输和语音服务提供稳定可靠的承载平台。

它提供带宽高达300M的無线链路通道，以无线基站系统所构成的无线链路为骨干网与铁路有线传输网相结合。该网络的的实现不仅可以满足高速列车上旅客对宽带Internet服务的需求，而且可以作为铁路运营维护管理的辅助手段，能够提供定点视频监控、移动视频监控、机车车辆数据实时交互、突发事件的应急指挥、话音通信及编组场应用等功能，可提高运营维护管理效率、减人增效。

旅客列车宽带网络的拓扑图如图1所示。

3 旅客列车宽带网络结构设计

旅客列车宽带网络由列车无线局域网、车-地宽带连接、地面无线Mesh网络3层结构组成，如图2所示。

根据数据流的源和目的地址，可以将旅客列车宽带网络应用分类两大类：车内数据流和车-地间数据流。对于车内数据流，直接在列车无线局域网内部高速转发。对于车-地间数据流，由车-地宽带连接实现车地数据快速交互。由于我国铁路现有的交互网、传输网、数据通信网三大基础网络一般还只到达主要站段，沿线部署的无线基站难以实现直连，它们可以通过地面无线Mesh网络实现通信数据汇聚。

基于无线Mesh网络技术的旅客列车宽带网络结构如图3所示。

无线Mesh网络的最大的特点是网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个无线网络节点都可以与一个或者多个对等的无线网络节点直接进行通信，每个无线网络节点都可以同时作为AP和路由器。因此，在组建无线Mesh网络时，列车上只需设置一个接入点（车载Mesh设备）即可，每节车厢中设置的AP与车厢内旅客使用的智能手机、笔记本电脑等移动终端均可视为网络中的节点，这样可以很好的保证网络的连通性和稳定性。

旅客列车宽带网络的核心部分是地面无线Mesh网络以及列车内部的无线局域网的组建。

3.1 地面无线Mesh网络

铁路无线Mesh网络的核心部分是铁路沿线架设的无线Mesh基站，固定Mesh基站的间距平均为2公里--直线区域Mesh基站间距离略大，而山区和隧道区域所需要的Mesh基站间距在1.5公里左右。固定Mesh基站之间的互联采用5.8GHz技术，对车辆的接入也采用5.8GHz频段技术。固定Mesh基站经过多跳无线组网之后，进入到就近的光纤节点处。为了保证车辆高速移动的情况下能够在固定Mesh基站之间快速切换，必须在车辆上安装移动车载Mesh设备。该网络支持移动速度高达300公里时速的漫游切换。

铁路无线Mesh网络中主要使用两种Mesh基站。一是，光纤落地节点固定基站采用GCM8622 Mesh基站，即每个光纤落地点均需放置一套GCM8622。该Mesh基站内置了3块802.11n模块，可以为系统提供更高的整体性能。按照实际环境的经验值，每个802.11n扇区在1公里内可提供70Mbps以上的汇聚吞吐量。二是，沿线的无线中继节点基站采用GCM8632 Mesh基站，即在铁路沿线光纤无线中继基站使用GCM8632设备，该设备内置3块802.11n模块，其中两块5.8GHz模块分别处理Mesh上行和Mesh下行的通信，保证了无线网络多跳的高宽带和低时延，另一个5.8GHz模块处理移动车载Mesh设备的无线接入，支持第三方太阳能电池供电。地面无线Mesh网络结构如图4所示。

3.2 列车无线局域网

在每节车厢设置一个AP接入点，在整列车最中央的那节车厢设置一台车载Mesh设备、一台路由器和流媒体服务器，整列车通过车载Mesh设备与铁路两边的基站建立连接，形成一个无线局域网络。而车厢内部以车载流媒体服务器为中心，以各车厢AP接入点为节点，组成一个车域无线网络。目前，我国的动车组在出厂时已经部署了内部的AP接入点，只需在中央控制部分增加一套流媒体服务器设备即可满足列车内部无线局域网的组网需求。

车载Mesh设备采用GCM8300设备，该设备保证列车在高速移动和快速切换下依然保证无间断的通讯，提供至少40Mbps车地通信带宽。GCM8300设备内置1个5.8GHz 802.11n无线模块，并提供1个千兆以太网接口用于连接车载路由器。

4 旅客列车宽带网络关键技术及应用场景

4.1 旅客列车宽带网络的关键技术

⑴车地互联的实现。旅客列车宽带网络采用集中接入的模式，在旅客列车内部组成一个局域网，由车载通信网关集中负责与地面基站的车-地互联。车载网络终端均是接入到列车局域网，当需要与地面网络通信时再由车载通信网关进行数据中继。

⑵车载通信网络在不同的Mesh节点间实现无缝的AP间切换。在铁路沿线的无线宽带覆盖中，AP采用方向性天线沿铁路线进行定向覆盖，其覆盖半径可超过1公里。旅客列车是沿着铁轨按照规定的运行轨迹移动，并且铁路沿线的AP部署也是已知的，即车载通信网关可以预知其即将接入的下一个AP。同时，由于车载通信网关往往是一个独立的WIFI设备，比一般移动节点可以更方便地集成多个无线模块。

⑶无线网络安全机制。旅客列车宽带网络的安全机制主要由车地互联层实现，即车载通信网关只能接入合法的地面Mesh节点，而地面Mesh节点只允许合法的车载通信网关接入。车载通信网关和地面Mesh节点都与用户无关，可以采用特殊的身份识别机制达到更高效更安全的身份认证。

⑷网络管理技术。旅客列车宽带的网络管理涉及到车地互联层的车载通信网关、地面接入层的Mesh节点、汇聚层的汇聚网关和交换控制中心。交换控制中心定期采集每个Mesh节点和车载通信网关的状态数据，根据操作人员指令或动态最小生成树算法等生成包含网络管理信息的配置脚本，然后将相关配置脚本传送给对应节点。各节点定期或根据指令随机向交换控制中心报告节点状态，接收并应用交换控制中心下达的配置脚本，从而实现网络的集中管理和性能优化。

4.2 旅客列车宽带网络的應用场景

⑴列车车厢应用。列车宽带网络可以实现多种应用：列车内部视频监控；旅客语音通信；客运业务数据传输；旅客互联网数据访问。

⑵站场应用。可以实现在途列车与调度之间的通信、地面工作人员之间的通信、车上与地面工作人员的通信。

5 结束语

我国正处于经济高速发展时期，各种运输方式发展迅速，要想在激烈的运输市场中取得有利地位，除了需要升级硬件设施外，也应以旅客为本，为旅客提供人性化的信息服务。可以确信，基于无线Mesh网络技术的旅客列车宽带网络的建设将极大提高铁路旅客服务质量，改善铁路形象，为我国铁路信息化建设做出贡献。

[参考文献]

[1]张霞，赵瑜.关于铁路旅客综合服务信息系统的研究[J].交通运输系统工程与信息，2004（2）64-67.

[2]阳建鸣，戴贤春，祝继常.面向旅客服务的现代化铁路综合信息系统[J].中国铁路，2003（3）：27-32.

[3]王焱.《铁路旅客服务信息系统的应用及发展》.科技情报开发与经济，2007，Vol17，No.5.