無線局域網(wǎng)技術(shù)在地鐵乘客信息顯示系統(tǒng)的應(yīng)用

鐘 飛

(廣州市地下鐵道總公司 廣州 510380)

無線局域網(wǎng)技術(shù)在地鐵乘客信息顯示系統(tǒng)的應(yīng)用

鐘 飛

(廣州市地下鐵道總公司 廣州 510380)

介紹IEEE 802.11無線局域網(wǎng)(WLAN)的基本原理及特點，分析城市軌道交通行業(yè)乘客信息顯示系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，闡述乘客信息顯示系統(tǒng)的移動寬帶傳輸子系統(tǒng)的設(shè)計理念(包括覆蓋設(shè)計、無線接入點切換、網(wǎng)絡(luò)帶寬、覆蓋冗余實施措施、應(yīng)用的標準和措施、設(shè)備防護、系統(tǒng)網(wǎng)管、數(shù)據(jù)安全入侵檢測、覆蓋范圍限定、干擾及防干擾等方面)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、鏈路結(jié)構(gòu);結(jié)合這些分析成果，闡述WLAN技術(shù)在城市軌道交通乘客信息顯示系統(tǒng)中應(yīng)用的適用性。

地鐵;乘客信息顯示系統(tǒng);無線局域網(wǎng);移動寬帶傳輸網(wǎng);IEEE 802.11g標準

地鐵乘客信息顯示系統(tǒng)(passenger information display system，PIDS)是為乘客提供各種出行信息(如乘客行車、地鐵公益廣告、安防反恐、運營緊急救災(zāi)、天氣預(yù)報、新聞、交通信息等)及實現(xiàn)列車視頻監(jiān)控的重要設(shè)施，是提高地鐵運營管理及經(jīng)營開發(fā)水平、擴大對乘客服務(wù)范圍的有效工具。

在當今城市軌道交通行業(yè)中，高速運行的地鐵列車與地面控制中心實時地進行大流量數(shù)據(jù)通信尤顯重要，已成為乘客信息顯示系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。隨著無線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)的應(yīng)用日漸廣泛，用戶對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求越來越高。IEEE 802.11 WLAN作為一種能支持較高數(shù)據(jù)傳輸速率的技術(shù)，在2.4 GHz頻段使用正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制技術(shù)，使數(shù)據(jù)傳輸速率提高到20 Mbit/s以上，因此被應(yīng)用到城市軌道交通領(lǐng)域的PIDS系統(tǒng)。PIDS系統(tǒng)通過在軌旁設(shè)置移動寬帶傳輸網(wǎng)設(shè)備和天線，在分控中心設(shè)置移動寬帶傳輸網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備和服務(wù)器(網(wǎng)絡(luò)交換機與傳輸網(wǎng)絡(luò)合用)，管理和控制本線移動寬帶傳輸網(wǎng)的工作;在區(qū)間設(shè)置無線網(wǎng)絡(luò)的小型交換機(簡稱“無線AP”)及天線，以便在全線范圍內(nèi)實時、無縫地完成車地間的圖像和數(shù)據(jù)傳遞。

1 移動寬帶傳輸網(wǎng)設(shè)計理念

1.1 覆蓋設(shè)計

根據(jù)移動寬帶傳輸網(wǎng)的無線AP及其天線的性能及現(xiàn)場的情況，合理地選擇AP的位置，以保證移動寬帶傳輸網(wǎng)的信號場強能夠在全線無縫覆蓋。根據(jù)理論的計算和工程經(jīng)驗，對于高架和地面段，大約間隔300 m鋪設(shè)1組AP設(shè)備;對于直隧道段，大約間隔300 m鋪設(shè)1組AP設(shè)備;對于彎曲的隧道段，大約間隔50～150 m鋪設(shè)1組AP設(shè)備;平均鋪設(shè)間隔約為200 m。

1.2 AP切換

移動寬帶傳輸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計時充分考慮到了列車在高速情況下的切換問題(車速為90 km/h)，并采取有效措施減少切換時間，降低因切換帶來的數(shù)據(jù)損失，以保證在車上的實時播放不中斷(切換時間少于30 ms)，且播放質(zhì)量不受影響。另外，為保證系統(tǒng)的切換能平穩(wěn)進行，設(shè)置在控制中心的無線管理交換機能同時管理一條線的所有AP，使列車在一條線上運行時不會出現(xiàn)跨無線管理交換機的切換。

1.3 網(wǎng)絡(luò)帶寬

提供移動寬帶傳輸網(wǎng)的有效平均帶寬達到14 Mbit/s，而且無線帶寬具備QoS分級控制。在上述的網(wǎng)絡(luò)帶寬環(huán)境下，可以確保所傳圖像順暢清晰，不出現(xiàn)畫面中斷或者跳播的現(xiàn)象。圖像壓縮編碼不管是MPEG-2或MPEG-4，還是H.264格式(帶寬為 2～10 Mbit/s)，移動寬帶傳輸網(wǎng)均可以實現(xiàn)透明傳輸，同時提供帶寬足夠滿足視頻直播(下載)和視頻監(jiān)控(上傳)兩種業(yè)務(wù)的并發(fā)傳輸。

1.4 覆蓋冗余

在布置AP時，充分考慮到了系統(tǒng)的可靠性，每個AP的覆蓋范圍都保證有重疊區(qū)，使得個別AP和其他設(shè)備出現(xiàn)故障時，信號覆蓋仍舊能夠保證，系統(tǒng)仍舊能夠正常工作。每個AP的輸出功率滿足國家規(guī)范的要求，每個AP的輸出功率不大于100 mW，不使用高增益天線。

1.5 應(yīng)用標準

移動寬帶傳輸網(wǎng)遵循802.11G標準，頻段為

2.4 GHz，共有13個頻點。移動寬帶傳輸網(wǎng)可滿足最基本的空中訪問接口SSID(服務(wù)配置標識)，實現(xiàn)最基本的加密措施WEP(有線等效保密)，都屬于802.11B

標準的一部分，并包含于802.11G標準。其他的處理及加密措施也遵循相關(guān)的國家標準和規(guī)定。

1.6 設(shè)備防護

隧道區(qū)間的AP機箱集成了1套無線AP設(shè)備、光纖收發(fā)器、光熔接盒以及電源模塊，可同時達到IP65的防護等級，完全適合在隧道區(qū)間的環(huán)境下使用。隧道的AP機箱靠在隧道壁安裝，AP天線則在滿足隧道限界的條件下盡可能地靠近安裝，以獲得更好的信號覆蓋效果。

1.7 系統(tǒng)網(wǎng)管

系統(tǒng)的無線設(shè)備均提供網(wǎng)管接口，分線控制中心的無線管理工作站通過專門的網(wǎng)管軟件，能夠隨時監(jiān)控到本系統(tǒng)每一個設(shè)備的工作狀況。

1.8 數(shù)據(jù)安全

移動寬帶傳輸網(wǎng)屬于無線通信，由于其信號的空中傳播特性，使得數(shù)據(jù)的截獲以及網(wǎng)絡(luò)的入侵均變得比有線網(wǎng)絡(luò)容易得多，因此對移動寬帶傳輸網(wǎng)的安全提出了更高的要求。

1.9 入侵檢測

為了能夠檢測到入侵操作，需要安裝無線網(wǎng)絡(luò)檢測軟件，以實現(xiàn)如下功能:主動地監(jiān)控接入點，檢查連接到接入點的交換機的故障和性能;迅速、方便地檢測、定位和禁用由未經(jīng)授權(quán)的不知情員工或者由外界入侵者(惡意的)放置的惡意接入點;檢測和定位射頻電流(RF)的干擾，主動地監(jiān)控使用情況和故障，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的性能。

1.10 覆蓋范圍

為了減少多徑效應(yīng)，提高無線接入的效率，需要安裝定向天線，以限定覆蓋范圍。

1.11 抗干擾

地鐵隧道中存在多個系統(tǒng)，如信號系統(tǒng)、無線集群系統(tǒng)等。移動寬帶傳輸網(wǎng)與這些系統(tǒng)之間存在相互干擾，另外也存在內(nèi)部干擾，為此需要采取措施加以解決。

1)多路徑干擾是發(fā)射信號被障礙物反射所致，解決的措施是:設(shè)備采用OFDM(正交頻分復(fù)用)調(diào)制方式，應(yīng)用直角頻率多路傳輸分割復(fù)用技術(shù)，將無線通信傳輸信號分割成多個副載波進行傳輸。由于每個副載波只攜帶了很小一部分數(shù)據(jù)負載，所以O(shè)FDM技術(shù)就能利用更長的符號周期，使通信傳輸信號更不容易受到多徑傳輸?shù)母蓴_或其他外界的特殊干擾。

試驗證明，采用差異雙天線時，如果一個天線處于信號無效點，則另一個天線不會處于信號無效點(注:TX的意思是transmit，傳 送;RX的意思是receive，接收)，如圖1所示。

圖1 多路徑采用差異雙天線

在多路徑環(huán)境中，信號無效點(null point)在該范圍內(nèi)到處存在。將天線做少許移動，天線就會移出信號無效點，且接收到正確的信號，因此第二個天線總能接收到信號。

2)加大AP的鋪設(shè)密度，使得AP之間存在重疊范圍。

3)將相鄰的AP設(shè)置到獨立的3個工作頻段中，可大大減少相鄰AP之間的干擾。

4)同頻道干擾是其他同頻AP或其他系統(tǒng)干擾造成的。如果是其他同頻AP干擾造成的，則將其設(shè)置到獨立的3個工作頻段之一中去;如果是其他系統(tǒng)干擾造成的，則盡可能降低其發(fā)射功率。

5)多普勒頻移效應(yīng)是車載設(shè)備高速運動所致。提供的無線設(shè)備采用OFDM調(diào)制方式，本身就適合在多普勒頻移環(huán)境下傳輸數(shù)據(jù)。

6)無線網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力是通過多級接收濾波器來實現(xiàn)的。

2 PIDS移動寬帶傳輸子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

移動寬帶傳輸子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，各個設(shè)備之間的連接及實現(xiàn)方式如下:

1)無線管理交換機通過光纖以1 000 Mbit/s的帶寬連接到分線交換機，無線服務(wù)器通過網(wǎng)線以1 000 Mbit/s的帶寬連接到分線交換機，無線管理工作站通過網(wǎng)線以100 Mbit/s的帶寬連接到分線交換機。

2)車站交換機、車輛段交換機通過光纜，以1 000 Mbit/s的帶寬連接到分線交換機。

3)鋪設(shè)在區(qū)間和車輛段中的無線AP設(shè)備與車站及車輛段交換機，以100 Mbit/s的帶寬連接。為了實現(xiàn)遠距離傳輸，中間經(jīng)過1對光纖收發(fā)器(光端機)實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。

4)上行區(qū)間和下行區(qū)間單獨鋪設(shè)無線AP，即上行區(qū)間中的無線AP和下行區(qū)間中的無線AP構(gòu)成不同的無線網(wǎng)。

圖2 移動寬帶傳輸子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 無線寬帶的鏈路結(jié)構(gòu)

車載設(shè)備從控制中心服務(wù)器接收數(shù)據(jù)時，需要經(jīng)過中心交換機、無線管理交換機、車站交換機、光端機、無線AP、無線接入設(shè)備(無線網(wǎng)橋)。其中，從無線管理交換機到無線AP的鏈路屬于有線鏈路，從無線基站到無線接入設(shè)備的鏈路屬于無線鏈路。

3.1 有線鏈路的各個路徑

1)服務(wù)器和核心交換機之間的鏈路為網(wǎng)線，帶寬為1 000 Mbit/s，核心交換機和服務(wù)器通信的交換端口是固定的。

2)無線管理交換機和核心交換機之間的鏈路為光纖，帶寬為1 000 Mbit/s，核心交換機和無線管理交換機通信的交換端口是固定的。

3)核心交換機和車站交換機之間的鏈路為光纖，帶寬為1 000 Mbit/s，核心交換機和車站交換機通信的交換端口是固定的，但由于車載設(shè)備會漫游到屬于不同車站交換機的AP范圍內(nèi)，因此對車載設(shè)備的數(shù)據(jù)接收鏈路來說，從核心交換機到車站交換機的鏈路是變化的。

4)車站交換機(或車輛段交換機)與AP之間的鏈路是光纖以及網(wǎng)線，通過光纖收發(fā)器(光端機)進行光電轉(zhuǎn)換，帶寬為100 Mbit/s，通信的交換機端口是固定的。由于車載設(shè)備的漫游特性，對車載設(shè)備的數(shù)據(jù)接收鏈路來說，從車站交換機到AP的鏈路是變化的。

3.2 無線鏈路的場強變化

1)無線信號的場強與距離的立方成反比，以AP為中心向隧道兩邊擴散(因為采用向正反兩個方向輻射信號的定向天線)。

2)在兩個AP之間的重疊覆蓋區(qū)域，會出現(xiàn)場強消和漲的情況。

隧道中無線AP信號的場強變化如圖3所示。

圖3 無線AP信號的場強變化

對于PIDS系統(tǒng)所采用的移動寬帶傳輸網(wǎng)系統(tǒng)，無線網(wǎng)橋能夠接收到的信號強度為式中:Pt為發(fā)射功率;Gt為發(fā)射天線增益;Gr為接收天線增益;Lp為傳輸路徑損耗(從發(fā)射端天線出來到接收端天線接收，無線信號所經(jīng)過的傳輸路徑發(fā)生的損耗);Lf為總的饋線損耗(包括發(fā)射端和接收端饋線、接頭的損耗)。

對于無線電波的傳輸路徑損耗，在自由空間中的計算公式為

但在現(xiàn)場實際環(huán)境中，無線電波會受到隧道壁、地面、軌旁設(shè)備的吸收、反射、阻擋而發(fā)生改變，經(jīng)過對現(xiàn)場大量的實際測試數(shù)據(jù)進行推算，可得出數(shù)學(xué)計算模型為

式中:f為頻率，GHz(2.45 GHz);d為距離，m。

4 結(jié)語

根據(jù)以上的理論和經(jīng)驗數(shù)據(jù)，移動寬帶傳輸網(wǎng)在地鐵乘客信息顯示系統(tǒng)應(yīng)用時，只要在無線AP設(shè)備的布置上確保列車無線網(wǎng)橋在全線范圍內(nèi)的信號接收強度都不小于－76 dB(m)，整個移動寬帶傳輸網(wǎng)的有效帶寬就能夠滿足設(shè)計的要求，保證車地之間的數(shù)據(jù)通信。因此，當前在乘客信息顯示系統(tǒng)采用802.11g無線局域網(wǎng)技術(shù)，是一種較好地解決車地通信問題的措施。

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WLAN Technology Applied in Subway Passenger Information Display System

Zhong Fei
(Guangzhou Metro Corporation，Guangzhou 510380)

Abstract:The paper describes the basic principles and characteristics of IEEE 802.11WLAN，analyzes the development trend of passenger information display systems in urban rail transit industry，and elaborates mobile broadband transmission subsystem design(including the cover design，AP switching，network bandwidth，redundant implementation of the measures covered by the application of standards and measures，protective equipment，system network management，data security，intrusion detection，limit coverage，interference and anti-interference，etc.)in passenger information display system，together with system architecture and link structure.Based on the analysis of the results，the feasibility of applying WLAN technology in urban rail transport passenger information display system is highlighted.

Key words:subway;passenger information display system;WLAN;mobile broadband transmission network;IEEE 802.11g

U231.8

A

1672-6073(2012)02-0024-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2012.02.007

收稿日期:2011-09-19

2011-11-08

作者簡介:鐘飛，男，在讀工程碩士，工程師，項目經(jīng)理，從事城市軌道交通通信系統(tǒng)新線工作，zhongfei@gzmtr.com

(編輯:郭 潔)