WiMAX 技術(shù)在地鐵應(yīng)急通信組網(wǎng)中的應(yīng)用

張 馳

（蘭州交通大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，碩士研究生，甘肅 蘭州 730070；）

無線寬帶接入作為互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商ISP使用的重要無線通信技術(shù)，在應(yīng)急通信系統(tǒng)中逐漸得到了運(yùn)用。在地下鐵道等公共交通場(chǎng)所，當(dāng)出現(xiàn)大型災(zāi)害或者突發(fā)狀況造成有線通信組網(wǎng)癱瘓時(shí)，需要能夠在第一時(shí)間，利用最少的設(shè)備和最快捷的方式進(jìn)行臨時(shí)無線組網(wǎng)。根據(jù)目前的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和將來的發(fā)展〔1〕，主流的寬帶無線接入技術(shù)可以分為：無線個(gè)人局域網(wǎng)技術(shù)，如藍(lán)牙技術(shù)和IEEE 802.15；無線局域網(wǎng)技術(shù)，如IEEE 802111b/a和ETSI HIPERLAN/2；固定寬帶無線接入技術(shù)，如IEEE 802.16無線城域網(wǎng)技術(shù)〔2〕。WiMAX 為 World Interoperability for Microwave Access的縮寫，是無線接入網(wǎng)技術(shù)。WiMAX技術(shù)被國際電信聯(lián)盟（ITU）正式批準(zhǔn)將成為繼WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA之后全球第四大3G標(biāo)準(zhǔn)。在其他技術(shù)的運(yùn)用中WLAN技術(shù)雖然其工作頻段處于免許可頻段，具有成本低的優(yōu)勢(shì)，但是WLAN由于對(duì)障礙物穿透能力和無線傳輸距離的限制，無法滿足應(yīng)急通信系統(tǒng)的通信需求，所以無法在實(shí)際應(yīng)用中被采納。而WiMAX作為一種低成本的寬帶無線接入技術(shù)，可以較好地滿足寬帶基礎(chǔ)設(shè)施還不夠完善時(shí)對(duì)于臨時(shí)通信的組網(wǎng)需求。為此，探討WiMAX技術(shù)在地鐵應(yīng)急組網(wǎng)中的應(yīng)用方法。

1 WiMAX技術(shù)簡介

1.1 WiMAX中所采用的關(guān)鍵技術(shù)WiMAX標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.16。它是一項(xiàng)無線城域網(wǎng)（WMAN）技術(shù)，是針對(duì)微波和毫米波頻段提出的一種新的空中接口標(biāo)準(zhǔn)。其關(guān)鍵技術(shù)主要有：

1）正交頻分多址OFDMA。該技術(shù)對(duì)信道進(jìn)行子載波化，在信道條件較好的子信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該技術(shù)正在逐步取代單載波擴(kuò)頻技術(shù)CDMA，成為新一代寬帶無線通信系統(tǒng)的主流調(diào)制技術(shù)〔3〕。

2）多入多出MIMO技術(shù)。MIMO系統(tǒng)是在發(fā)信機(jī)/接收機(jī)采用多天線發(fā)送/接收的系統(tǒng)。MIMO系統(tǒng)的最大功能就是可以在不消耗額外碼/時(shí)/頻資源的前提下大大提高系統(tǒng)的容量。利用了多天線的空間分集特性。WiMAX系統(tǒng)中的自適應(yīng)天線模式，其流程如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)天線模式

假設(shè)系統(tǒng)的初始天線為多天線模式，則每N幀將接收機(jī)測(cè)量到的平均信噪比，與單天線模式下的SNRmin進(jìn)行比較。單天線模式的SNRmin為m dB（m的取值應(yīng)由具體業(yè)務(wù)需求所決定）〔4〕。所以，如果平均信噪比＞m dB，天線模式將轉(zhuǎn)換為單天線模式。此時(shí)仍能保證通信質(zhì)量，滿足業(yè)務(wù)需求。反之，當(dāng)要保持在多天線模式下，必須要求平均信噪比＜m dB。

3）Mesh組網(wǎng)。在 IEEE802.16（WiMAX）標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定了基于單跳IEEE802.16點(diǎn)到多點(diǎn)體制，即高速率大范圍的多跳無線Mesh網(wǎng)絡(luò)機(jī)制。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)由單個(gè)中心節(jié)點(diǎn)控制，被定義為Mesh基站（BS），作為WiMAX Mesh與外網(wǎng)的接口。Mesh網(wǎng)中的眾多網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)則需要一個(gè)連接到主干網(wǎng)的接口，將上述2種網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，通過固定寬帶無線接入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到骨干網(wǎng)的接入，形成一個(gè)層次化的寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)。

1.2 WiMAX與現(xiàn)有3G的比較SCDMA，TD-SCDMA，WCDMA的載波間隔分別為0.5 MHz，1.6 MHz，5 MHz，而802.16e（WiMAX）的載波間隔則可選〔5〕?？梢赃x擇5/10/20 MHz。在每載波用戶數(shù)方面，SCDMA的30個(gè)碼道，提供32 K的音速率，最大話音用戶最大約為30個(gè)，TD-SCDMA最多約為24個(gè)音頻用戶。WCDMA（中國新聯(lián)通）按照Mode5和Mode7編碼方式能達(dá)到98個(gè)，但是在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的數(shù)據(jù)率偏低，不能很好地滿足地鐵輕軌最高時(shí)速120 km對(duì)數(shù)據(jù)率的需求。SCDMA（“大靈通”，同步碼分多址）、TD-SCDMA（中國移動(dòng)）由于受到碼道數(shù)和音頻傳輸速率的限制，SCDMA采用64-QAM的正交調(diào)幅調(diào)制方式，每用戶使用4個(gè)載波時(shí)，最大帶寬可達(dá) 3 Mb/s；TD-SCDMA 可達(dá) 2 Mb/s，均低于802.16e的最大帶寬 25 Mb/s〔6〕。在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的數(shù)據(jù)率，當(dāng)車速為60～80 km/h時(shí)，SCDMA的數(shù)據(jù)率＞1 Mb/s，車速120 km/h時(shí)，TD-SCDMA的速率為0.144 Mb/s，而WiMAX在車速120 km/h時(shí)，可達(dá)2～4 Mb/s。

通過上述對(duì)比可知，WiMAX對(duì)于載波帶寬要求更小，在調(diào)制方式上擁有更多的選擇，且視距更加符合實(shí)際地情和周邊復(fù)雜環(huán)境的要求，并可以根據(jù)不同的情況來滿足對(duì)帶寬以及覆蓋半徑的要求。

2 應(yīng)急指揮系統(tǒng)對(duì)通信組網(wǎng)的要求

無線通信為地鐵內(nèi)部固定工作人員與流動(dòng)工作人員之間提供高效短信息和話音通訊。系統(tǒng)為運(yùn)營控制指揮中心的行車調(diào)度員、環(huán)境控制調(diào)度員、治安值班員、維修調(diào)度員等與列車司機(jī)、運(yùn)營人員、維護(hù)人員和現(xiàn)場(chǎng)工作人員等無線用戶分別實(shí)施無線通信。并為車輛段值班員與段內(nèi)的無線用戶以及相應(yīng)的無線用戶之間實(shí)施無線通信。同時(shí)還具有相應(yīng)的呼叫、廣播、錄音、存儲(chǔ)、顯示、檢測(cè)和優(yōu)先權(quán)等功能。系統(tǒng)可以傳遞數(shù)據(jù)信息，根據(jù)列車的需要實(shí)時(shí)地傳遞列車狀態(tài)信息。

由于地鐵高架段換乘站往往建設(shè)在大城市的繁華路段，所以車站（包括高架站）出入口附近的建筑物以及樹木可能影響其吞吐量。具體表現(xiàn)：

1）在大都市密集城區(qū)有2.4 GHz干擾源。由于2.4 GHz為開放頻段，接入門檻低，現(xiàn)有的無線接入點(diǎn)AP都采用802.11 b/g，而2.4 GHz頻段非重疊的信道只有3個(gè)，這使得在密集城區(qū)環(huán)境中，不僅頻率不夠用的情況明顯，而且干擾情況尤為突出。

2）大都市密集城區(qū)遮擋較多。2.4 GHz頻段繞射能力較差，容易受遮擋影響。而大都市密集城區(qū)通常有較多的建筑物等遮擋，這對(duì)現(xiàn)行的Mesh組網(wǎng)帶來很大限制，影響了Mesh網(wǎng)絡(luò)吞吐量的性能。覆蓋方向如有較多樹林遮擋，節(jié)點(diǎn)在無線方式下吞吐量性能就會(huì)變得很差。

WiMAX的Mesh組網(wǎng)當(dāng)發(fā)生災(zāi)難或者常規(guī)通信網(wǎng)絡(luò)癱瘓時(shí)，用手持、車載、機(jī)載CPE組建Mesh網(wǎng)絡(luò)，可以快速實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域內(nèi)的臨時(shí)移動(dòng)通信，可以很好地滿足上述要求。如圖2所示。

圖2 火災(zāi)工況時(shí)的臨時(shí)組網(wǎng)

近來國外地鐵系統(tǒng)常常出現(xiàn)各種突發(fā)事故。在緊急突發(fā)情況下，需要快速建立起一套滿足以上功能的自組網(wǎng)絡(luò)。

3 解決方案

對(duì)于大型換乘站、車輛段、以及停車場(chǎng)的應(yīng)急通信方式，使用WiMAX實(shí)現(xiàn)地鐵應(yīng)急指揮系統(tǒng)，必須建立各個(gè)站點(diǎn)及車輛段、停車場(chǎng)的WiMAX無線網(wǎng)絡(luò)。為此要確定使用的頻段、選擇好基站的位置、確定基站設(shè)備的扇面角度和數(shù)目。

3.1 確定使用的頻段系統(tǒng)蜂窩規(guī)劃建議采用4扇區(qū)蜂窩，每扇區(qū)1個(gè)信道，蜂窩重新使用率1：1，也可以根據(jù)需求選擇1扇區(qū)、3扇區(qū)、6扇區(qū)蜂窩。根據(jù)城市軌道交通對(duì)通信使用頻點(diǎn)的規(guī)劃與要求，所需要的基站數(shù)目也各有不同。在這里，規(guī)定WiMAX網(wǎng)絡(luò)的使用頻段大致在20～60 M的帶寬。考慮到周邊城市環(huán)境中無線頻段的使用可能會(huì)帶來干擾，事先必須使用頻譜儀進(jìn)行掃頻，去除干擾頻率，以確定和保證相對(duì)干凈的頻段。

3.2 考慮基站的選點(diǎn)一般來講，地鐵運(yùn)營環(huán)境基本以非視距、高屏蔽環(huán)境為主，而現(xiàn)有的WiMAX技術(shù)在非視距環(huán)境下最好的覆蓋半徑為2 km。因此，大型換乘站、車輛段、以及停車場(chǎng)的應(yīng)急通信方式必須根據(jù)接入點(diǎn)的分布，結(jié)合實(shí)際地形，選擇基站的位置。具體來說，在隧道內(nèi)高架上運(yùn)營線路及沿線車站站臺(tái)區(qū)采用漏泄同軸電纜輻射方式進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)覆蓋；在地鐵沿線車站站廳區(qū)采用吸頂天線進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)覆蓋；在地鐵沿線地面車站及車輛段等須采用室外全向或定向天線進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)覆蓋?；驹O(shè)置應(yīng)符合地鐵各處的設(shè)計(jì)規(guī)范。

3.3 基站設(shè)備的配置IEEE802.16設(shè)備的空中接口是標(biāo)準(zhǔn)化的，設(shè)備之間具有互操作性；3.5GHz固定寬帶無線接入系統(tǒng)是空中接口不開放的系統(tǒng)，設(shè)備成本高。因此，隨著設(shè)備成本的降低，IEEE802.16-2004系統(tǒng)有可能取代3.5GHz固定寬帶無線接入系統(tǒng)。由于接入點(diǎn)的分布不一定是均勻的，考慮到1套基站設(shè)備通常只能覆蓋1個(gè)扇面，必須根據(jù)接入點(diǎn)的多少和所要求的數(shù)據(jù)帶寬的大小，確定基站設(shè)備的扇面角度和數(shù)目，有些基站點(diǎn)甚至可能僅僅只作點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的回傳。

4 結(jié)束語

在IEEE802.16/WiMAX網(wǎng)絡(luò)中引入Mesh組網(wǎng)模式后，網(wǎng)絡(luò)吞吐量和覆蓋范圍不再是一對(duì)矛盾而可以同時(shí)得以優(yōu)化。中興、深圳科健等很多公司和企業(yè)都在致力于IEEE802.16/WiMAX Mesh技術(shù)的研究。通過WiMAX/802.16e可以來改善非視距通信的性能，使系統(tǒng)可以提供更強(qiáng)的遠(yuǎn)距離穿透阻擋物能力，極為適應(yīng)地鐵系統(tǒng)大型停車場(chǎng)、車輛段的建筑物結(jié)構(gòu)。此外，當(dāng)發(fā)生災(zāi)難，常規(guī)通信網(wǎng)絡(luò)癱瘓時(shí)，用手持、車載CPE組建Mesh網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域內(nèi)的應(yīng)急移動(dòng)通信，可以達(dá)到自動(dòng)組建網(wǎng)絡(luò)、超快速部署的需求，而且是以多媒體通信手段支持組播/廣播方式。當(dāng)然，如何改善和增大IEEE802.16/WiMAX Mesh的用戶數(shù)，很好地保證網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量以及降低干擾的問題，有待進(jìn)一步研究。

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