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轨道交通车-地通信无线局域网技术的特性和应用研究

来源:铁道通信信号 作者:谢红霞 孙林祥
发布于:2021-02-25 共4579字

  摘要:无线局域网技术方案在覆盖、网络、系统接入等方面具有独特优势。本文针对轨道交通车-地通信无线局域网技术应用的优缺点,以及技术方案设计进行阐述,指出无线局域网技术还将在轨道交通车-地通信中具有应用价值。

  关键词:轨道交通; 车-地通信; 无线局域网技术; 应用; 无线通信系统;

  Application of Wireless Local Area Network Technology for Vehicle-Trackside Communication in Rail Transit

  Xie Hongxia Sun Linxiang

  Abstract:Wireless LAN technology scheme has unique advantages in coverage,network,system access,etc.,the advantages and disadvantages of wireless LAN technology for train-ground communication application are analyzed as well as the design of technical scheme is described.In the end,we believe that wireless LAN technology will continue to be used in train-ground communication for rail transit.

  轨道交通车-地通信系统采用无线局域网技术(WLAN)已有10年,其提供的无线接入方案方便、成熟,且设备性能持续进步,基本解决了车-地无线网络径路问题。而随着第四代移动技术(LTE)的出现,其具有的适应高速移动传输的特点,使目前国内轨道交通项目纷纷采用该技术作为车-地传输通道。那么,无线局域网技术是否还会继续用于车-地无线系统,本文就此对无线局域网技术的特性和应用进行研究。

  1 需求分析

  城市轨道交通车-地无线通信系统,主要为列车与地面之间提供各种数据业务,主要承载信号控制、车载乘客信息系统(PIS)、车载视频监控系统、车辆监控信息等业务,其中有些业务需要传输大带宽数据与视频。

  1)车载乘客信息系统,执行信息预报与安全告知业务,同时推送视频资讯。视频播放有预录和实时2种基本方式。以每列车接收一路图像信息计算下发信息,保证D1(720×576)的图像质量,采用MPEG-2的编码方式,考虑其他定时下载、传输丢包率等,下传数据需要8 Mb/s带宽。如果考虑列车个性化服务,则需要2路以上视频传输。

  2)车载视频监控系统,实现对车内情况的实时监控,并将车厢内的视频监控图像信息上传至车站和中心。车载监控图像采用MPEG-4或H.264的编码方式。6列编组列车一般会安装14只以上监控摄像,如果每列车向地面上传2路客室监控图像信息,每路2 Mb/s,共需4 Mb/s。新规范提出监控视频需保存90天,如果全部保存在列车上需要大量的防振动车载存储硬盘,并且视频拷贝时间很长,故应将视频传输到地面存储。而实现车载视频转存,保守估算每列车传输带宽需30 Mb/s。

  3)车辆监控信息等其他需求。随着智能运维的技术发展,较多的应用需要进行车-地无线传输。比如,列车诊断、运程下载、弓网关系监视等,带宽需求越来越高。

  4)公众无线局域网,每列车传输带宽不宜小于200 Mb/s。

  由于LTE带宽比较有限,LTE网络很难完全满足上述这些应用需求。因此,在建设LTE网络的同时,还需要建设一套非安全信息网络,由LTE承载安全核心业务,而采用无线局域网(WLAN)技术承载非安全视频业务、智能维护功能业务等。

  2 技术特点

  现有无线局域网采用IEEE 802.11系列标准,具有开放、进步、融合的技术发展路径,以及诸如共用开放频谱、方便认证接入、支持移动及宽带接入等性能。新标准融合了很多前沿技术,支持不断提升的网络带宽。现开放2.4 GHz、5.8 GHz 2个频段。各标准的基本信息如表1所示。

  表1 IEEE802.11标准技术对比表     

 

  1)发展性。IEEE802.11a/g的带宽理论上可达54 Mb/s,系统实际运行一般可达20 Mb/s。IEEE802.11n的带宽又有很大提升,系统实际运行测试结果信道带宽平均100 Mb/s,地下线路情况较好时,能够满足较大带宽的需求,比较适合视频传输等宽带应用。新推出的IEEE 802.11ac是一个更高带宽的标准,理论上能够提供最少1Gb/s带宽进行多站式无线局域网通信,采用并扩展了源自802.11n的空中接口概念,具有更宽的RF(射频)带宽(提升至160 MHz)、更多的MIMO(多输入多输出天线系统)空间流(增加到8),及更高阶的调制(达到256QAM(正交振幅调制)),并且还将出现更高性能的兼容标准。

  2)融合性。无线局域网和有线局域网均基于IP架构,兼容互通性强,方便融合为统一网络,可实现全网络的扁平化设计。

  3)开发性。在无线局域网基础上加入特定协议再开发,可解决快速移动下的切换、干扰和流量等问题,支持车速100~600km/h时基站间的无缝无损切换;可按用户指定的频率进行定制;专有的空中数据加密,保证数据传输的安全和完整性;支持业务分段切割、分时上传等特性。

  目前无线局域网技术在无线网络接入方面有不可替代的优势,而且该技术还在不断发展,因此在轨道交通车-地通信方面还会继续发挥重要作用。

  3 方案设计

  3.1 网络结构

  轨道交通车-地通信系统由控制中心管理设备、有线网络、轨旁无线设备、车载无线单元等组成。无线部分与有线网络融合,与系统车站信息交互共用有线网络。控制中心配置网管中心系统和无线控制器,完成对整个无线局域网的设备管理、安全管理与业务流量控制。轨旁无线设备由轨旁设置的无线接入点(AP)、天线和配套设备组成。车载无线单元由车载无线设备和天线组成。

  为满足列车沿线的高速运动、频繁接入、连接切换、抗反射干扰等要求,提高车-地无线局域网的可靠性,应对轨旁AP、车载无线单元及天线进行合理配置及布设。每个区间AP通过区间光缆连接到车站的接入交换机上。建议每个轨旁AP点连接双方向的定向天线,分别面向2个方向,降低区间环境多径反射影响,确保车尾/车头的车载单元冗余机制和单机失效下切换。

  3.2 公众接入网

  公众接入网设计应符合规范要求,信号覆盖区域包含站厅、站台和列车;若需提供智能维护,信号还需覆盖行车区间和设备管理区,区间接入点应为双模式工作,既可接入车-地通信,也可连接维修移动终端(手持PTA应用),应统筹规划信道频段,并与其他系统隔离。由于带宽需求较大,网络设备可考虑采用多入多出、大频宽和信道集成技术。

  3.3 双网布设

  信号系统采用CBTC(基于通信的列车控制系统)方案,独立设置车-地无线子系统。若2套车-地无线系统均采用802.11标准技术,且使用2.4 GHz频段,则需隔离信道频率,即信号系统占用2个信道,比如1和11,剩下6个信道给系统其他业务使用。这样在物理上2套信号系统完全分开,减少干扰,便于工程实施。

  根据工程情况合理布设信号和乘客信息系统的天线位置,适当拉开2个系统的天线距离,一般轨旁前后间隔15 m以上,高度间隔0.5 m;车载天线在车头前端上部,与轨旁天线等高;信号天线在两侧,乘客信息系统天线在中部,两者间隔0.5 m。

  信号系统的车-地无线通信系统,若采用完全不同的频谱或传输技术标准来建设,可以更好地避免相互干扰。

  3.4 抗干扰能力

  为提高设备的抗干扰能力,AP采用正交频分复用(OFDM)调制方式,以解决子载波间的相互干扰;为减少连接的不稳定性,可采用载波同步锁相环技术;而双向放大器的接收部分,可采用2个RF滤波器。将相邻的AP设置到独立的工作频段中,可大大减少相邻AP之间的干扰。

  采用定向差异双天线,可减少覆盖范围且多路径最小化。差异双天线是指如果一个天线处于信号无效点,另一个天线不会处于信号无效点。

  3.5 场强覆盖

  当个别AP发生故障时,为保证系统仍然能够正常运转,每个AP覆盖区域必须重叠。在全线地下区间内,一般按200 m间隔布放AP(遇到弯道处需要增加布点),每套AP覆盖半径要求是200 m。地上区间按150 m间隔布设AP和天线。

  3.6 智能漫游

  在传统漫游模式下,移动端将从一系列邻近的AP中选择下一个最佳AP进行切换,其信号电平高于链接门限值。因为采用IEEE802.1X/EAP进行认证,其客户端和服务器之间需要交换多个帧,认证时间大概需要700 ms。为应对车辆高速运行时AP距离短,漫游时间要小于100 ms,系统需要快速和安全的漫游切换。

  快速漫游需要双通道设计。无线模块持续监测信号强度和信号质量,如果检测到信号下降并低于一定的门限值,无线模块启动切换,断开现有的通信链路,并建立新的链接;如果计划切换的频率已知,切换会立即发生,否则会不断地搜索,以找到合适的频率建立链接。

  快速漫游切换中,无线控制器对接入点集中管理,接入点IP地址不需要更新,可以在漫游中保持,也不需要重新进行认证与加密,改为协议层上的IPSec加密,从而降低链路链接时间。

  在逻辑层控制主动漫游和合作漫游,可有效减少漫游时间。主动漫游为当列车沿着轨道运动时,预先安排了从一个接入点到另一个移交序列的位置,系统在学习的基础上自动调整漫游地点;合作漫游基于2个列车单元彼此通信,以优化漫游所用的时隙。系统列车头尾单元均处于通信状态,相互交换收到的数据,为应用提供无缝通信。

  3.7 双回路冗余

  系统冗余应在系统的所有层面上,包括空中的信号路径,网络冗余结构如图1所示。

 

  图1 网络冗余结构   

  按照完全冗余的设计方针,采用双回路对区间内AP点进行跳接供电,任一区间内一路电源故障时,由另一路电源来供电,保证AP点正常冗余工作。

  车站接入交换机与区间AP的连接可采用2种方式:(1)采用环型网,区间AP间隔接入不同环形网络,不同接入网负责区间的一半AP,并可以利用环型网冗余性能;(2)采用星型网,每个区间AP分别与车站交换机进行连接,形成一个逻辑上的星型分布,每个AP的工作状态与其他AP独立。不同车站交换机负责部分区间的AP,减少故障影响区域。这2种方式可根据具体设备的切换机制和设备特点选择采用。

  3.8 车载无线单元

  车头和车尾分别设置一套车载无线单元及天线,2套单元采用热备冗余或者并行工作机制。

  车载无线单元主备用的确定,应由列车运行时无线信号接收效果来定。当车头向前运行时,车尾无线单元经过的无线信号覆盖强度是衰减的,切换点相邻AP的无线信号场强差异大,车尾无线单元可以减少切换时间。因此正常情况下,推荐采用以车尾无线单元为主用的工作方式。当车尾无线单元发生故障时,自动切换至车头无线单元进行通信。

  并行工作机制需对车载AP虚拟和车载应用数据交互,可获得更好漫游性能和数据完整性,在堆叠应用时更能实现带宽叠加。

  4 总结

  经工程实际应用验证,无线局域网技术能够可靠应用于轨道交通车-地通信中,满足一定的业务带宽需求。其中5.8 GHz频段,无线环境更纯净,受到的干扰更小,无线性能较稳定,可供选择的独立信道更多;2.4 GHz频段,无线环境复杂,需做好场强环境监测与频率规划,多系统应用时也有独立信道选择。通过无线局域网技术新标准、新设备应用,以及工程设计改进,其轨道交通应用也有新的发展。

  当然,无线局域网技术还存在一些不足,主要是采用共用频段及自由天线方式,场强覆盖情况复杂,实际应用现场监测丢包率时有增加,AP覆盖距离较短,区间布置设备较多,而且现有无线局域网技术对更高速运营线路有一定的局限性。因此期待进一步提升无线设备性能和设计更稳定的场强覆盖方案,提高单AP覆盖距离,改善场强覆盖质量。

  参考文献

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作者单位:中移铁通江苏分公司 南京地铁建设公司
原文出处:谢红霞,孙林祥.轨道交通车-地通信无线局域网技术应用[J].铁道通信信号,2020,56(02):63-66.
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