（通信与信息系统专业论文）高速铁路旅客internet无线宽带接入技术研究.pdf

中文摘要 摘要：随着3 g 在我国正式商用，我国信息化社会又向前迈进了一大步。同时，我 国铁路客运随着京沪高铁的开始建设也进入一个新的纪元。然而这两者的交集， 为高速行驶的旅客提供全面无线宽带互联网接入的研究在国内尚不成熟。本文从 国内外现今的技术入手，开始了这方面研究。 该项研究面临“双高”困难列车高速( 超过3 0 0 k m h ) 、高宽带，对于无 线通信这两项都是技术的难点。高速运行带来了越区切换、多普勒频移、无线信 道快速变换等一系列技术难题。高带宽对聚合网的资源分配提出更高的要求。 本文设计一套完整高速铁路无线宽带网络系统，由2 部分组成：接入网和聚 合网。接入网主要解决高密度的切换问题，聚合网主要解决动态信道分配问题。 对此本文对于接入网采用了r o f ( r a d i oo v e rf i b e r ) 加以移动小区的技术设计，对 于聚合网设计了一套能够测算路由并动态激活信道的管理系统。另外，相关测试 结果也在文中给出。 图2 2 幅，表3 个，参考文献3 4 篇。 关键词：高速列车；宽带互联网接入；无线；r o f ；动态业务； 分类号：t n 9 2 9 5 ；u 2 8 5 a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h e3 gt e c h n o l o g yt a k e ni n t oc o m m e r c i a lo f f i c i a l l y , t h ep r o c e s so f b u i l d i n gi n f o r m a t i o ns o c i e t yi nc h i n am a k e sah u g ep r o g r e s s a tt h es a m et i m e ，w i t ht h e s t a r to ft h eb e i j i n g 。s h a n g h a ih i g h - s p e e dr a i l ，c h i n a sr a i l w a y p a s s e n g e rt r a n s p o r te n t r y an e we r a h o w e v e r , t h ei n t e r s e c t i o no ft h e s et w o p r o v i d i n gaw h o l eb r o a d b a n d i n t e r a c ta c c e s sf o rf a s tm o v i n gp a s s e n g e r , t h er e s e a r c ho ft h i sp a r ti ss t i l lp r e m a t u r e i n c h i n a t h i st h e s i sb e g i n st h er e s e a r c hf o rt h i sd o m a i nw i t h i n v e s t i g a t i n gt o d a y s t e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d t h er e s e a r c hf a c e s t w o h i e ) d i f f i c u l t y - - h i g h s p e e dr a i l ( o v e r3 0 0 ) ，h i g h b r o a d b a n d ，a r et w od i f f i c u l ti s s u ei nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n h i 曲s p e e dm o v i n gl e a d s t om a n yt r o u b l e s ，l i k eh i 【g hh a n d o f ff r e q u e n c y , d o p p l e rf r e q u e n c ys h i f t ，f a s tw i r e l e s s c h a n n e lc h a n g e h i g h e rr e q u e s ta r em a d eb yr e s o u r c ea l l o c a t i o ni nt h e a g g r e g a t i o n n e t w o r kb e c a u s eo fh i g hb r o a d b a n d ao v e r a l lw i r e l e s sb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r ka r c h i t e c t u r ei sg i v e ni n t h i s t h e s i s ， w h i c hc o n s i s t so ft w op a r t s ：( i ) a na c c e s sn e t w o r kp a r tw h i c hh a st od e a lw i t hl a r g e n u m b e ro fu s e r s ，a s k i n gf o rah i g hb a n d w i d t h ，w h i l ee x p e r i e n c i n gah i g hh a n d o f f f r e q u e n c ya n d ( i i ) a na g g r e g a t i o nn e t w o r kp a r tw h i c hh a st od e a lw i t hd y n a m i ct u n n e l s o fv e r yh i g hb a n d w i d t h ，w h i l ee x p e r i e n c i n gal o wh a n d o f f f r e q u e n c y i nt h i st h e s i s ，w e d e t a i lt h ed e s i g n e da r c h i t e c t u r e ，t o g e t h e rw i t ho p t i m i z e dh a n d o f f s t r a t e g i e s ，a l lo p t i c a l s w i t c h i n ga r c h i t e c t u r e , ad e s i g nm e t h o d o l o g yf o rd i m e n s i o n i n ga g g r e g a t i o n sn e t w o r k s a n da u t o m a t i ct u n n e lp r e c o n f i g u r a t i o na n da c t i v a t i o n m o r e o v e r , p e r f o r m a n c er e s u l t so f t h e s em e n t i o n e da s p e c t sw i l lb ep r e s e n t e d t h et h e s i su s e s2 2f i g u r e s ，3t a b l e sa n d3 4r e f e r e n c e s k e y w o r d s ：h i g h s p e e dr a i l ；b r o a d b a n di n t e m e ta c c e s s ；w i r e l e s s ；r o f ；d y n a m i c t r a f f i c c l a s s n 0 ：t n 9 2 9 5 ：u 2 8 5 图 图1 1 我国“十一五”铁路网规划图3 图2 1 平均路径路径损耗、快衰落和慢衰落1 2 图2 2 正态分布概率密度函数13 图2 3 瑞利分布概率密度函数15 图2 4 赖斯分布密度函数1 6 图2 5 多普勒效应示意图17 图3 1 高速铁路无线宽带网络系统结构2 l 图4 1 空气中氧气对毫米波的衰减情况2 5 图4 2 国际各国6 0 g h z 附近频段分配2 6 图4 3 带有r o f 的铁路基站系统设计2 9 图4 4b s c 内b t s 问越区切换流程3l 图4 5 移动小区概念3 3 图4 6 光交换结构设计3 5 图4 7 交换时间和切换时间比较3 6 图5 1 系统实际的调度方案实现3 8 图5 2 管理系统流程图3 9 图5 3 属性值的传播4 5 图5 4g a r p 的结构原理4 6 图5 5g i d 结构图4 7 图5 6 典型以太网交换机g v r p 协议应用网图4 8 图5 7 三种业务需求案例5 0 图5 8 预配置时间5 2 图5 9 激活时间5 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 南趁婵日期：1 年6 眦日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 号司瞎 签字同期：上卿年占月f 歹日 导师签名： 替眺1 钔少 致谢 完成了学位论文，我也即将要告别校园，走向工作岗位。在此，谨向在研究 生学习期间帮助过我的师长、同事、同学们致以诚挚的谢意，没有你们的帮助， 我不可能取得今天的成绩。 首先要感谢我的导师钟章队教授，作为我国通信领域内的知名专家，他为我 指明了学习和研究的方向，并毫无保留的把多年积累的知识和经验传授给我。钟 老师平易待人，严谨治学，其高度负责的工作态度使我受益良多。感谢钟老师给 我去青藏线项目实践的机会，这将是我人生一段珍贵的经历和财富，让我受益终 身，同时感谢在此期间青海铁通公司领导和员工们的指导和帮助，你们是我的良 师益友。 在此，还要对在实验室科研及工作期间给予我支持和帮助的金晓军老师、朱 刚老师、李旭老师、吴吴老师、张小津老师、丁建文老师、武贵君老师、何建军 老师表示衷心的感谢。实验室内各位老师、各位同学、各位师兄师姐师弟师妹对 于我在科研和工作中的帮助让我度过了一个充实而快乐的研究生时代。 感谢为我付出了最多的父母，他们始终不渝的关心是我进步的源泉和动力。 最后，衷心的祝愿母校的发展欣欣向荣，祝愿诸位师长身体健康，同学们事 业有成。在交大的求学生涯，将是我人生中最宝贵的经历。 1 1课题背景及选题意义 1 1 1我国高速铁路现状 1 引言 如果以最高时速超过2 0 0 公里的标准作为高速铁路的定义，则截止2 0 0 8 年末 中国的高速铁路里程已经达到6 0 0 0 多公里，其中绝大多数为铁道部在2 0 0 7 年4 月为实现第六次铁路大提速而改造的6 0 0 3 公里既有铁路。如果以国际铁路联盟规 定的商业运营时速超过2 0 0 公里的标准作为高速铁路的定义【l 】，那么截止2 0 0 8 年 末我国的高速铁路里程则达到5 0 0 多公里，高速铁路线路包括京津城际铁路( 商 业运营速度约2 3 0 千米j 、时) 和秦沈客运专线( 商业运营时速约2 0 0 公里) 这两 条线路。另外，我国在建和即将兴建的高速铁路客运专线和高速城际铁路罩程己 达1 7 万公旱。根据我国中长期铁路网规划方案，到2 0 2 0 年我国包括客运专线铁 路、城际铁路、以及客车和货车混行的时速2 0 0 公罩以上铁路在内的高速铁路里 程将会达到5 万公里。 我国的高速铁路至少涉及4 种类型的铁路：客运专线、城际客运系统、经提 速化改造后的既有线铁路、完善路网布局和西部开发性新线。 掌客运专线：客运专线是指省会城市及大中城市间的长途高速铁路【2 】。我国 中长期铁路规划的四纵四横客运专线网络全长达到1 6 0 0 0 公罩。仅行驶旅客列车 的客运专线时速可以达到3 0 0 公里以上，而旅客列车和货物列车混行的客运专线 的时速则为2 0 0 - 2 5 0 公里。客货列车混行的客运专线主要建筑于原先没有铁路的 地区，远期如果建设了平行的货运铁路，则此类客运专线的时速会被提升至3 0 0 公里。 掌城际铁路：城际铁路是指建设于各都市圈内部的短途高速铁路。一部分线 路的时速可以达到2 0 0 - 2 5 0 公里，另外一部分线路的时速可以达到3 0 0 公里以上， 例如京津城际铁路。 木经高速化改造后的既有线铁路：超过6 0 0 0 公里的中国既有线铁路已经被改 造成为时速可达2 0 0 公里以上的高速铁路，部分路段的时速甚至可达到2 5 0 公里 以上。此类铁路主要为客货混行铁路。 宰完善路网布局和西部开发性新线：此类铁路是没有被定义为客运专线或者 城际铁路但是时速可以达到2 0 0 2 5 0 公罩的在建铁路，主要为客货混行铁路。 而根据铁道部公布资料( 如图1 1 ) ： l 、“四纵 客运专线是： ( 1 ) 北京上海客运专线，包括蚌埠合肥、南京杭州客运专线，贯通京津 至长江三角洲东部沿海经济发达地区； ( 2 ) 北京武汉广州深圳客运专线，连接华北和华南地区； ( 3 ) 北京沈阳哈尔滨( 大连) 客运专线，包括锦州营口客运专线，连接东北 和关内地区； ( 4 ) 上海杭州宁波福州深圳客运专线，连接长江、珠江三角洲和东南 沿海地区。 2 、“四横”客运专线是： ( 1 ) 徐州郑州兰州客运专线，连接西北和华东地区； ( 2 ) 杭州南昌长沙贵阳昆明客运专线，连接西南、华中和华东地区； ( 3 ) 青岛石家庄太原客运专线，连接华北和华东地区； ( 4 ) 南京武汉重庆成都客运专线，连接西南和华东地区。 同时，建设南昌九江、柳州南宁、绵阳成都乐山、哈尔滨齐齐哈 尔、哈尔滨牡丹江、长春吉林、沈阳丹东等客运专线，扩大客运专线的覆 盖面。 3 、城际客运系统 在环渤海、长江三角洲、珠江三角洲、长株潭、成渝以及中原城市群、武汉 城市圈、关中城镇群、海峡西岸城镇群等经济发达和人口稠密地区建设城际客运 系统，覆盖区域内主要城镇。 2 韭直窑迪厶 ! i ! = 鲤! ：芏位监童 i 盏 削1 i 我凼“十一而”铁路阿规划吲 f i g li “e l e v e n t h f i v e - y e a r p l a nr a i l w a y n e t w o r k 从上面的介绍和图中，可以看出客运专线和城际客运系统将覆盖我国主要的 大中城市和和省会城市以及经济发达区域。斯在客运专线中的重中之重的京沪高 铁工程已于2 0 0 8 年4 月1 8 同由囡务院总理温家宝宣布讵式丌工预计2 0 1 3 年投 入运营。京沪高速铁路被看作是继三峡工程、青减铁路、南水北调工程、西气东 输和西电东送之后，中园的又一个超大型工程。京沪高速铁路总投资2 2 0 9 4 亿元 人民币是自中华人民共和国成立以柬资金一次性投放晟大的一项工程。京沪高 速铁路是中长期铁路网规划中投资规模展大、技术含量最高的一项工程，也 是我国第一条具有世界先进水平的高速铁路，正线全长约1 3 1 8 公里全线为新建 双线，设计时速3 5 0 公罩，初期运营时速3 0 0 公里。届时，北京至上海高速列车 全程运行时间只需5 小时，比目前京沪自j 特快列车缩短9 小时左右，年输送旅客 单方向可达8 0 0 0 余万人，大大释放既有京沪铁路的能力，使既有京沪线单向年货 运能力达1 3 亿吨以上，使其成为大能力货运通道，从而满足京护通道客货运输需 求从根本上解决京沪通道运输能力紧张的状况，真正实现“人便其行、货畅其 流”。京沪高速铁路建设举持以我为主，自主创新立足高起点、高标准，瞄准世 界先进水平，形成具有中国自主知识产权的高速铁路技术体系。 1 1 2旅客i n t e m e t 宽带接入需求 现代社会是一个高效率的信息社会，要求人们能快速、方便地交换所需要的 各种信息，而不受时间和空间的限制。截至2 0 0 8 年1 2 月3 1 日，中国网民规模达 到2 9 8 亿人，普及率达到2 2 6 ，超过全球平均水平；网民规模较2 0 0 7 年增长8 8 0 0 万人，年增长率为4 1 9 。继2 0 0 8 年6 月中国网民规模超过美国，成为全球第一 之后，中国的互联网普及再次实现飞跃，中国网民规模依然保持快速增长之势。 而根据爱立信2 0 0 8 年在全球的深度调查显示，互联网的接入对三个社会层面有积 极影响：它们是发展、资源配置、社会群体。 但在信息社会，行进中的旅客列车却依然是信息的孤岛，人们通常在列车上 度过数小时到数十小时的空闲时光，非常希望能够在列车行进中访问i n t e m e t ，以 进行网上娱乐、网上办公及移动电子商务等。旅客列车宽带i n t e m e t 服务是一个潜 在的巨大市场，据国际权威咨询机构b w c s 研究预测【3 】，到2 0 1 2 年，旅客列车每 年无线网络热点服务的市场需求将达到1 4 2 亿美元。我国2 0 0 8 年铁路旅客运输发 送量已达到1 4 5 亿人次，据预测2 0 1 0 年将达到1 8 亿人浏4 1 。并且越来越多的旅 客随身携带笔记本电脑、个人助理等移动网络设备，有在列车上随时上网的需求。 u h l i r z 【5 】在1 9 9 4 年提出基于g s m 的高速列车通信系统概念，g s m r 于2 0 0 0 年底被铁道部确定为我国铁路通信未来的发展方向，自此其发展规模同趋壮大并 成功应用于青藏线、大秦线、郊济线等国家大建设工程，并将在未来形成覆盖全 国铁路干线的现代化专用指挥调度通信网络。但g s m 窄带通信系统不能满足宽带 数据业务的需求，我国g s m r 频率带宽仅有4 m h z ，频率资源不足的问题成为 了制约g s m r 提供宽带数据业务的主要因素。 l i n 等【6 】于2 0 0 2 年提出包括移动子系统、车地无线传输和地面骨干网络的 车载通信与娱乐系统体系结构，而车一地无线传输形成了该系统的瓶颈。2 0 0 3 年 l i a n g 等 7 1 提出采用“w l a n + 卫星通信”的异构网络实现列车的移动i n t e m e t 接 入2 0 0 4 年o h t a 等【8 】采用5 g h z 的w l a n 技术为行进中的旅客列车提供移动接 入，但是漫游式的网络切换缺乏对高速移动性的支持。旅客列车宽带i n t e m e t 应用 的关键是车地无线传输的高数据传输速率和高移动性支持，k n o e r z e r 掣9 】建立了 高速列车车地无线宽带链路的信道模型，得出o f d m 是一种潜在可行的技术路 线。 1 2国内外研究现状 1 2 1国外研究现状 4 进入新世纪以来，欧洲、北美及日本等地区和国家已经开展了旅客列车 i n t e m e t 应用的研究、实验和试用。由欧盟资助的第5 框架项目f i f t h ，从2 0 0 2 年9 月起第一次较为系统地研究旅客列车的i n t e m e t 接入问题。c o n f o r t o 等提出通 过k u 波段移动通信卫星实现旅客列车与地面的无线网络连接，并在列车上部署 无线局域网为旅客提供无线网络接入；b i a n c h i 等提出采用无线分发网络连接各车 辆局域网，构建列车通信网；a l v a r e z 等根据铁路线两旁的树木、房屋和隧道等的 分布情况，建立了铁路卫星链路r s c ( r a i l r o a ds a t e l l i t ec h a n n e l ) 分析模型，论证 了通过k u 波段移动通信卫星实现旅客列车车地无线连接的可行性；s c a l i s e 等 进一步通过建立实证系统，发现移动通信卫星可以满足旅客列车在总运行区段内 9 9 的区域，建立良好车地无线连接；m a n c u s o 等【1 1 】应用弹性缓存技术对车地无 线连接进行优化管理，通过代理机制，在资源利用率较低时加快流媒体的下载速 率，从而缓减甚至消除旅客列车在通过隧道等障碍物时，由于网络丢失造成的对 车载i n t e r n e t 流媒体应用的严重影响；c o n f o r t o 等【1 2 】提出在移动卫星通信中断的隧 道等区域，通过增补地面通信网络的方式实现完整覆盖，并讨论了其关键的移动 性管理问题。f i f t h 项目得到了成功的实践和应用，该系统采用安装在旅客列车 上的卫星通信天线，通过大西洋l 号卫星建立数据通道，与i n t e r n e t 连接。2 0 0 4 年夏天，在意大利铁路公司t r e n i t a l i a 的支持下，f i f t h 在佛罗伦萨比萨坎普拉 线上进行了包括电子邮件、文件上传下载及实况电视转播等实验。结果表明，该 系统可以提供1 5 m b i t s 的下行和0 5 m b i t s 的上行数据传输带宽。2 0 0 4 年l1 月， f i f t h 在t r e n i t a l i a 公司时速3 0 0 k m h 的e t r 5 0 0 高速列车上安装该系统，并于2 0 0 5 年1 月起开始进入商业运行。f i f t h 还与法国国家铁路公司签订了合同，计划在 t g v 高速列车上安装该系统。法国国家铁路公司早在2 0 0 3 年1 1 月起就开始在巴 黎波尔多波城的t g v 高速列车线路上测试一套名为c l i c t g v 的信息服务系统， 为旅客提供在线信息和休闲娱乐节目。 2 0 0 3 年6 月加拿大点射公司( h t t p ：w w w p o i n t s h o t w i r e l e s s c o r n ) 的r a i l p o i n t 系 统开始在蒙特利尔一多伦多的旅客列车上安装试用，为旅客提供在线的i n t e r n e t 服 务。r a i l p o i n t 系统采用沿途建设移动蜂窝基站，并配合卫星接入来实现全程覆盖 的无线网络，列车上的中央天线保持和信号最佳的蜂窝基站或卫星建立可靠连接。 试运行中，r a i l p o i n t 最高数据传输速率可达5 1 2 k b i f f s ，稳定数据传输速率维持在 比5 6 k b i t s 电话拨号稍快的水平。2 0 0 3 年9 月，r a i l p o i n t 系统在美国硅谷a c e 公 司的斯托克顿一圣荷塞的城际列车上安装。r a i l p o i n t 系统还在加拿大的戈登堡一 哥本哈根、美国的“国会山走廊”等城际列车上安装，目前都已进入商业运行。 2 0 0 3 年3 月瑞典i c o m e r aa b 公司( h t t p ：w w w i c o m e r a e o m ) 开发的移动 i n t e m e t 系统i m s ( i c o r n e r am o b i l es y s t e m ) 采用卫星通信做下行链路、g s m g p r s 蜂窝技术做上行链路，最高可达5 1 2 k b i t s 下行和5 0 k b i t s 上行数据传输速率。当 列车经过隧道时，虽然数据传输速率会有所下降，但i m s 通过4 6 个g s m 链路 集束并行提供接入，可以保持不问断的i n t e m e t 连接。2 0 0 3 年l o 月，i m s 系统在 北欧l i n xa b 公司的哥本哈根一奥斯陆及奥斯陆一斯德哥尔摩的旅客列车上安装， 同年1 2 月i m s 系统在伦敦一爱丁堡的旅客列车上安装。目前都已进入商业运行， 称为列车上的“移动办公室 。2 0 0 5 年1 月i c o m e r a 又与北欧s j 公司签订合同， 计划在s j 的8 5 列旅客列车上安装i m s 系统，并准备使用3 ( 3 卫星配合的接入方 式提供车地连接。 2 0 0 4 年3 月英国2 1 n e t 公司( h t t p ：w w w 2 1 n e t c o r n ) 由欧洲航天局资助的宽带 列车( b r o a d b a n dt ot r a i n ) 计划启动，采用k u 波段通信卫星为高速列车提供双向 的连接。同年6 月和7 月，2 1 n e t 在西班牙3 0 0k m h 的高速列车进行了4 次测试。 2 0 0 5 年3 月，2 1 n e t 联合西门子等公司，在欧洲国际铁路公司t h a l y s 运营的巴黎 一布鲁塞尔的旅客列车上安装该系统。试用期间，该系统在3 0 0k m h 的高速列车 上，可以提供最高4 m b i t s 的下行和2 m b i t s 的上行数据传输速率。目前，该系统已 开始在布鲁塞尔一阿姆斯特丹的旅客列车上安装。不过1 3 0 万欧元的车载天线阵 列价格有些昂贵。 2 0 0 2 年起，日本松下移动通信、o k i 和n t t 等公司合作开发了基于5 g h z 无 线局域网技术的h i s w a n 系统。2 0 0 3 年，该系统在四国岛i s h i z u c h i 的快速列车上 进行了实验和试运行，其每个基站最大覆盖8 0 0m ，在9 5k m h 的移动速度环境下 可提供2 m b i t s 的数据传输速率【引。2 0 0 4 年7 1 1 月，日本电信在北海道新千岁 机场一札幌的“快速空港”上进行了i n t e m e t 接入实验，沿线每隔约1k m 设置w i f i 接入点，在机车上安装圆盘状定向性天线与地面接入点通信。结果表明支持约1 3 0 k m h 的列车行驶速度，数据传输速率最高可达8 m b i t s 。 l e e u w e n 等【1 3 】分析了移动蜂窝技术存在的带宽不足和无线局域网技术导致 的频繁切换问题，指出提高带宽和增强移动性支持是实现车载宽带无线通信的两 个关键问题。2 0 0 3 年4 月支持非视距接入的无线城域网( 又称w i m a x 技术) 标准 8 0 2 1 6 a 正式发布，w i m a x 技术可提供高达1 2 0 m b i t s 的高数据传输速率、6 0k m 以上的无线覆盖半径，推动了旅客列车i n t e m e t 应用的发展。b a l l 等 1 4 】从链路和 系统两个层次分析了w i m a x 技术在移动环境下的网络吞吐量、信道利用率和负 荷分布性能；c h a n g t l 5 】根据w i m a x 技术的特点，设计了层次化微移动的移动性管 理机制，证明w i m a x 技术可以满足快速移动用户的无线宽带接入需要；h a a g s m a 等【l6 】基于统计模型建立移动应用的技术评估方法，指出w i m a x 是高速列车车地 无线连接的理想技术之一；g r e v e 等【1 7 , 1 8 】提出为快速移动用户提供宽带服务的网络 结构f a m o u s ，将旅客列车宽带i n t e r n e t 应用系统划分为接入网和汇聚网两部分， 6 并基于动态v l a n 设计一种旅客列车宽带接入的快速网络恢复算法，增强了 w i m a x 技术对旅客列车接入的高速移动性支持。采用加拿大红线通信公司的 w i m a x 产品，在伦敦一布赖顿的铁路线上首次为旅客提供w i m a x w i f i 无线宽 带接入服务，该系统称为游牧数字铁路n d r ( n o m a dd i g i t a lr a i l ) 。2 0 0 5 年2 月英 国n o m a dd i g i t a l 公司( h t t p ：w w w u k n o m a d c o m ) 开发的n d r 系统可以为车地之 间提供最高达3 2 m b i t s 的双向数据传输速率，稳定数据传输速率可保持在6 m b i t s ， 能够支持旅客的大文件传输和在线的视音频等娱乐服务。基于n d r 的优异性能， 已经拥有超过1 20 0 0 个热点的移动服务运营商t - m o b i l e 公司与s o u t h e r n 铁路公司 合作，开始在伦敦一布赖顿的1 4 辆列车上安装配置n d r 系统，为旅客提供商业 化的宽带w i f i 热点服务。经过几个月的试运行服务，2 0 0 5 年6 月这项服务已经 开始实施。t - m o b i l e 还计划在巴黎一伦敦的旅客列车上也推出这项移动w i f i 热点 服务。2 0 0 1 年提供视距接入的无线城域网标准8 0 2 1 6 发布后，t o z e r 等【1 9 】提出 将w i m a x 基站建在2 2k m 高的高空平流层上，为地面的快速移动用户特别是旅 客列车提供车地宽带连接。d a v i d 等通过气艇或气球将w i m a x 基站载到高空平 流层，使用3 1 2 8 g h z 和4 7 4 8g h z 频段的8 0 2 1 6 技术，预计可以实现有效覆盖直 径达6 0 - - 9 0k m ，提供高达1 2 0 m b i t s 的网络吞吐量，并支持高速列车3 0 0k m h 的 行车速度。该项目c a p a n i n a ( h t t p ：w w w c a p a n i n a o r g ) 得到欧盟第6 框架资助，已开 始一系列的研究与试验。 1 2 2国内研究现状 我国铁路部门也已开始类似的探索和研究。2 0 0 4 年底，采用联通的c d m a l x 网络，在扬州一南京一上海的t 7 3 5 次列车上首次尝试为旅客提供无线宽带上网服 务。据统计，在沪宁线的城际列车上，约有1 0 0 o 1 5 的旅客携带笔记本电脑，而 这部分旅客中，又有半数以上有随时上网的需求。其实，只要携带配置了c d m a i x 上网卡的笔记本电脑，就可以在任何有联通c d m a 网络覆盖的铁路线上连接 i n t e m e t 。作者本人从2 0 0 4 年8 月开始使用v t i o nv 1 8 0 2 无线上网卡，在汽车、 火车上访问w e b 网页、收发电子邮件，还可以通过s k y p e 进行语音电话。不过， 由于列车移动速度很快，v t i o nv 1 8 0 2 无线上网卡仅能提供约lk b 左右的文件 下载速度，s k y p e 语音电话听不清楚，信号质量也不稳定。 2 0 0 0 年，中国航天科技集团和北方波尔科技等公司( h t t p ：w w w i n m o t i o n n e t w o r k c o r n ) 分别研制出“动中通”移动卫星通信系统。经过两年的试验 和技术改进，“动中通”能够支持达1 6 0k m h 的移动速度，系统可准确跟踪卫星信 号。基于“动中通 的火车移动卫星通信系统在京哈、京石线上进行了试装和试 7 验。 2 0 0 3 年经国家广电总局批准，广源传媒( h t t p ：w w w g y c m c o m ) 成为列车车载 电视试点企业。基于联通的c d m a l x 网络，结合无线局域网等多网补偿技术，开 发了无线列车电视系统。目前，无线列车电视系统已在1 0 0 多辆列车上安装，进 入正式商业运营阶段，可为旅客提供在线电视节目和i n t e r n e t 应用。 2 0 0 4 年9 月，中铁亿品科技有限公司( h t t p ：w w w e p i n t e c h t o m c n ) 推出站车综 合信息服务系统t r a i n e t ，在北京一上海、北京一武昌和广州一深圳的旅客列车进 行测试。2 0 0 5 年7 月，t r a i n e t 系统在北京一镇江的1 4 7 7 次车上安装试用，为旅 客提供在线的i n t e m e t 连接和交互式的视频信息服务。8 月t r a i n e r 系统在北京西 客站进行了演示，并开始在北京铁路局部分高等级列车上安装。 1 3论文主要工作与贡献 论文的主要工作是对高速铁路下的旅客i n t e n l e t 无线宽带接入技术进行全面的 设计研究。首先从无线电波的基础理论入手针对高速铁路的运营场景分析了高速 情况下的无线信道特点。无线信道作为整个服务的无线承载，其特点的研究必要 性是不言而喻的。在此基础上提出了一种完整的高速铁路无线宽带网络的系统设 计方案，这其中把该网络分成了接入网、聚合网和核心网三大部分。本文针对接 入网和聚合网分别做了设计研究。对于接入网，本文设计了基于r o f 技术的移动 小区方案来减少切换。对于聚合网本文主要提出了一个管理系统的方案。这个管 理系统能够对旅客的宽带接入请求产生并触发聚合网上信道配置和激活。这个系 统主要运用了以太网聚合网技术。相关协议在管理系统被采用，并加以仿真。论 文所涉及的内容包括： 论述了无线电波传播的基本原理，重点分析了快衰落、慢衰落特性，包括 衰落分布、衰落保护余量等；介绍了对高速移动通信有重要影响的多普勒效应， 并在g s m 系统中加以举例；总结了高速铁路环境下的无线信道特点。 提出了高速铁路无线宽带网络的系统设计方案，把该网络分成了接入网、 聚合网和核心网三大部分，并概述了每个部分的概念和具体研究问题。 针对接入网，从带宽需求研究入手，平行考察当前技术，选定6 0 gh z 频 段作为无线承载和采用r o f 技术架设网络，并在此基础上加以引入移动小区概念 来减少对高速移动的无线通信影响最大的切换问题。分析了做出这样设计的原因 和选定的这几种技术的特点。并提出了相应的光交换结构。 针对聚合网，设计了一个管理系统的方案，规划了管理系统的主要功能和 工作流程，并对网络容量规划和信道路由判决从网络和业务两个层面建模，提出 了采用整数线性规划的办法来优化分配路由。聚合网主要依托以太网聚合网技术， 采用g v r p 等相关协议来激活已配置的信道。最后对整个流程加以仿真评估。 分析了当前工作还不完善的地方，指出了下一步工作的方向。 9 2 高速铁路无线信道基础研究 2 1无线电波传播机制 移动通信系统中，若电磁波在理想的、均匀的、各项同性的介质空间中传播 时，只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗，即自由空间损耗。此外，影响无 线电波传播的三种最基本的机制是反射、绕射和散射。 2 1 1自由空间波 自由空i 白j 传播模型适用于预测接收机和发射机之i 瑚是完全无阻挡的视距路径 时的接收信号场强。卫星通信和微波视距链路是典型的自由空间传播。自由空间 中距发射机d 处天线的接受功率，由f r i i s 公式给出【2 0 】： 删) = 器 j 其中，只为发射功率，e ( d ) 是接收功率，为t - r 距离的函数；g f 为发射天线 增益；g r 是接收天线增益；d 是t - r 问距离，单位为米；是与传播无关的系统 损耗因子；五为波长，单位米。天线增益与它的有效截面相关，即： g ：掣 ( 2 2 ) 显而易见，f r i i s 公式不包括d = 0 的情况。为此，使用近地距离d 。作为接收功 率的参考点。当d d o 时，接收功率p a d ) 与d o 处的e 相关。p ( 如) 可由f r i i s 公式 预测或由测量的平均值得到。参考距离必须选择在远场区，即d o d ，同时氐小 于移动通信系统中所用的实际距离。这样，自由空间中接收功率为： e ( d ) = e ( 矗) ( 鲁) 2 d 以办 ( 2 3 ) 2 1 2反射 电磁波遇到比波长大得多的物体( 地球表面、建筑物和墙壁表面) 时发生反 射。有效反射区的大小基本上由第一菲涅尔区或者2 3 个菲涅尔区所决定。 平坦地面反射波的幅度和相位取决于反射系数( 和地面的介质常数及入射角 的大小有关) 、反射点处入射波的幅度和相位的大小以及入射波的初始极化。 l o 反射系数：( 对于第一介质为自由空间和1 1 = ：的情形) r qs i n 9 + 一c o s 2b r r 十y rl s r s i n o , + 、3 s r - - c o s 29 i 。- - 。_ _ _ _ _ - 。_ _ - - _ 。_ - 。_ 一 r s i n 幺+ q c o s 22 。s i n 0 + 0 s r - - c o s 29 i 其中谚为入射角，8 r 为介质的介电常数。 2 1 3绕射 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 当入射射线遇到散射体边界面的边缘、拐角、尖项和凸曲面时，会产生一新 的绕射射线( 在高频段，绕射依赖于物体的形状，以及绕射点入射波的振幅、相 位和极化情况) 。 绕射现象可由h u y g e n s 原理解释，说明波前上的所有点可作为产生次级波的 波源。这些次级波组合起来形成传播方向上的新的波前。绕射由次级波的传播进 入阴影区而形成的。阴影区绕射波场强为围绕阻挡物所有次级波的矢量和。接收 能量为非阻挡菲涅尔区( 在发射机和接收机之间的附加路径延迟为半个波长整数 倍的一簇球) 所贡献能量的矢量和。 如果阻挡物不阻挡第一菲涅尔区，则绕射损失最小，绕射影响可忽略不计。 一般经验，视距链路设计只要保证5 5 的第一菲涅尔区保持无阻挡，其他菲涅尔 区的情况基本不影响绕射损耗。 2 1 4散射 当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨 大时发生散射。( 粗糙表面、小物体或其他不规则物体，如树叶、街道标志和灯柱 等) 由予反射能量散射而分布于所有方向，导致接收到的信号要比单独绕射和反 射模型预测的要强。散射通常会造成多径效应。 当给定入射角谚，表面平整度的参考高度五，为： ”南 。2 射 如果表面上最大突起高度h 小于五，则认为表面是光滑的，否则认为是粗糙 的，反射系数需要乘以一个散射损耗系数，以代表减弱的反射场。 2 2无线电波衰落特性 电磁波在无线空间中传输，将经历三类衰落过程，平均路径损耗、快衰落、慢 衰落，从而形成到达接收机的最终信号。如图2 1 所示： 一1 0 2 0 3 0 场强 _ 4 0 ( d b m ) 5 0 - 6 0 7 0 _ 8 0 9 0 快衰落 l 平均路径损耗 冗氘m 矿 ) i - ki ，i ，! 一弋掣必i ： ) i - i 夕一 i v t 一_ l 吣。， t ：w i i l i 、一 o ， i l 。i - li _ - 飞f - h i 孽一一一1 阼 1一w 1 l i |i 一帆卜 慢衰鹩 1 i j h 一 1 0 0 05 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 0 3 5 0 04 0 0 04 5 0 05 0 0 0 距离( m ) 图2 1 平均路径路径损耗、快衰落和慢衰落 f i g2 1 a v e r a g el o s so fp a t h ，f a s tf a d i n ga n ds l o wf a d i n g 2 2 1平均路径损耗 平均路径损耗通常用对数距离路径损耗模型来表示： 一一，l p l ( d b ) = p l ( d o ) + 1 0 nl o g ( - 兰- - ) “o ( 2 7 ) 其中：以为近地参考距离，由测试决定； d 为t - r 距离； 刀为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速率。它的取值依赖于 特定的传播环境，自由空问取之为2 ； 2 2 2慢衰落 1 2 1 ) 慢衰落产生的原因 电波在传播的路径上遇到起伏的地形、建筑物、树林等障碍物的阻挡，在障 碍物的后面，会形成电波的阴影区。阴影区的信号场强较弱，当移动台在运动中 穿过阴影区时，就会造成接收信号场强中值的缓慢衰落。通常把这种现象口l i 做阴 影效应。另外，由于气象条件的改变，电波折射系数随时问平缓变化，使得同一 地点接收到的信号的场强中值也随时间缓慢的变化。有阴影效应和气象条件变化 造成的接收信号的缓慢变化称为慢衰落。气象条件引起的信号场强变化一般小于 阴影效应造成的信号场强变化，通常可以忽略【2 l 】。 慢衰落的衰落速率与频率无关，其衰落速率主要决定于传播环境，即移动台 周围的地形，包括起伏的山丘、建筑物的分布与高度及结构、街道的走向、基站 天线的位置与高度以及移动台的速度。 慢衰落的深度，即接收信号场强中值电平的变化幅度取决于信号频率与障碍 物的状况。频率较高的信号比频率较低的信号容易穿透建筑物，而频率较低的信 号比