轨道交通车-地通信无线局域网技术的特性和应用研究

　　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

　　[1] 洪翔，纪文莉．城市轨道交通无线局域网宽带工程技术规范[M]．北京：中国计划出版社，2016.

　　[2] 夏云杰，潘理，尹睿宏．地铁乘客信息系统中无线技术的选择[J]．中国信息化，2013(8):89.

　　[3]刘增祥，彭星辉，庄威．基于无线局域网技术的乘客信息系统车地无线通信网络的设计与试验[J]．城市轨道交通研究，2015(12):27.

　　[4]胡映．地铁车地无线通信技术比较[J]．通信信号技术，2009(4):78-79.

　　[5]王岩，陈序．地铁行业车地无线（TD-LTE）技术应用[J]．河南科技，2014(21):38-40.