無(wú)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(wú)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(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)的基本原理及特點(diǎn)，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(shì)，闡述乘客信息顯示系統(tǒng)的移動(dòng)寬帶傳輸子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念(包括覆蓋設(shè)計(jì)、無(wú)線接入點(diǎn)切換、網(wǎng)絡(luò)帶寬、覆蓋冗余實(shí)施措施、應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)和措施、設(shè)備防護(hù)、系統(tǒng)網(wǎng)管、數(shù)據(jù)安全入侵檢測(cè)、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(wú)線局域網(wǎng);移動(dòng)寬帶傳輸網(wǎng);IEEE 802.11g標(biāo)準(zhǔn)

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(chē)、地鐵公益廣告、安防反恐、運(yùn)營(yíng)緊急救災(zāi)、天氣預(yù)報(bào)、新聞、交通信息等)及實(shí)現(xiàn)列車(chē)視頻監(jiān)控的重要設(shè)施，是提高地鐵運(yùn)營(yíng)管理及經(jīng)營(yíng)開(kāi)發(fā)水平、擴(kuò)大對(duì)乘客服務(wù)范圍的有效工具。

在當(dāng)今城市軌道交通行業(yè)中，高速運(yùn)行的地鐵列車(chē)與地面控制中心實(shí)時(shí)地進(jìn)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(shì)。隨著無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)的應(yīng)用日漸廣泛，用戶對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的要求越來(lái)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(guò)在軌旁設(shè)置移動(dòng)寬帶傳輸網(wǎng)設(shè)備和天線，在分控中心設(shè)置移動(dòng)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(jī)與傳輸網(wǎng)絡(luò)合用)，管理和控制本線移動(dòng)寬帶傳輸網(wǎng)的工作;在區(qū)間設(shè)置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的小型交換機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)“無(wú)線AP”)及天線，以便在全線范圍內(nèi)實(shí)時(shí)、無(wú)縫地完成車(chē)地間的圖像和數(shù)據(jù)傳遞。

1 移動(dòng)寬帶傳輸網(wǎng)設(shè)計(jì)理念

1.1 覆蓋設(shè)計(jì)

根據(jù)移動(dòng)寬帶傳輸網(wǎng)的無(wú)線AP及其天線的性能及現(xiàn)場(chǎng)的情況，合理地選擇AP的位置，以保證移動(dòng)寬帶傳輸網(wǎng)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)能夠在全線無(wú)縫覆蓋。根據(jù)理論的計(jì)算和工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于高架和地面段，大約間隔300 m鋪設(shè)1組AP設(shè)備;對(duì)于直隧道段，大約間隔300 m鋪設(shè)1組AP設(shè)備;對(duì)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(dòng)寬帶傳輸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到了列車(chē)在高速情況下的切換問(wèn)題(車(chē)速為90 km/h)，并采取有效措施減少切換時(shí)間，降低因切換帶來(lái)的數(shù)據(jù)損失，以保證在車(chē)上的實(shí)時(shí)播放不中斷(切換時(shí)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(jìn)行，設(shè)置在控制中心的無(wú)線管理交換機(jī)能同時(shí)管理一條線的所有AP，使列車(chē)在一條線上運(yùn)行時(shí)不會(huì)出現(xiàn)跨無(wú)線管理交換機(jī)的切換。

1.3 網(wǎng)絡(luò)帶寬

提供移動(dòng)寬帶傳輸網(wǎng)的有效平均帶寬達(dá)到14 Mbit/s，而且無(wú)線帶寬具備QoS分級(jí)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(huà)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(dòng)寬帶傳輸網(wǎng)均可以實(shí)現(xiàn)透明傳輸，同時(shí)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(shí)，充分考慮到了系統(tǒng)的可靠性，每個(gè)AP的覆蓋范圍都保證有重疊區(qū)，使得個(gè)別AP和其他設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，信號(hào)覆蓋仍舊能夠保證，系統(tǒng)仍舊能夠正常工作。每個(gè)AP的輸出功率滿足國(guó)家規(guī)范的要求，每個(gè)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(biāo)準(zhǔn)

移動(dòng)寬帶傳輸網(wǎng)遵循802.11G標(biāo)準(zhǔn)，頻段為

2.4 GHz，共有13個(gè)頻點(diǎn)。移動(dòng)寬帶傳輸網(wǎng)可滿足最基本的空中訪問(wèn)接口SSID(服務(wù)配置標(biāo)識(shí))，實(shí)現(xiàn)最基本的加密措施WEP(有線等效保密)，都屬于802.11B

標(biāo)準(zhǔn)的一部分，并包含于802.11G標(biāo)準(zhǔn)。其他的處理及加密措施也遵循相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。

1.6 設(shè)備防護(hù)

隧道區(qū)間的AP機(jī)箱集成了1套無(wú)線AP設(shè)備、光纖收發(fā)器、光熔接盒以及電源模塊，可同時(shí)達(dá)到IP65的防護(hù)等級(jí)，完全適合在隧道區(qū)間的環(huán)境下使用。隧道的AP機(jī)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(hào)覆蓋效果。

1.7 系統(tǒng)網(wǎng)管

系統(tǒng)的無(wú)線設(shè)備均提供網(wǎng)管接口，分線控制中心的無(wú)線管理工作站通過(guò)專(zhuān)門(mén)的網(wǎng)管軟件，能夠隨時(shí)監(jiān)控到本系統(tǒng)每一個(gè)設(shè)備的工作狀況。

1.8 數(shù)據(jù)安全

移動(dòng)寬帶傳輸網(wǎng)屬于無(wú)線通信，由于其信號(hào)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(duì)移動(dòng)寬帶傳輸網(wǎng)的安全提出了更高的要求。

1.9 入侵檢測(cè)

為了能夠檢測(cè)到入侵操作，需要安裝無(wú)線網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)軟件，以實(shí)現(xiàn)如下功能:主動(dòng)地監(jiān)控接入點(diǎn)，檢查連接到接入點(diǎn)的交換機(jī)的故障和性能;迅速、方便地檢測(cè)、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(diǎn);檢測(cè)和定位射頻電流(RF)的干擾，主動(dòng)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(wú)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(gè)系統(tǒng)，如信號(hào)系統(tǒng)、無(wú)線集群系統(tǒng)等。移動(dòng)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(hào)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(wú)線通信傳輸信號(hào)分割成多個(gè)副載波進(jìn)行傳輸。由于每個(gè)副載波只攜帶了很小一部分?jǐn)?shù)據(jù)負(fù)載，所以O(shè)FDM技術(shù)就能利用更長(zhǎng)的符號(hào)周期，使通信傳輸信號(hào)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(yàn)證明，采用差異雙天線時(shí)，如果一個(gè)天線處于信號(hào)無(wú)效點(diǎn)，則另一個(gè)天線不會(huì)處于信號(hào)無(wú)效點(diǎn)(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(hào)無(wú)效點(diǎn)(null point)在該范圍內(nèi)到處存在。將天線做少許移動(dòng)，天線就會(huì)移出信號(hào)無(wú)效點(diǎn)，且接收到正確的信號(hào)，因此第二個(gè)天線總能接收到信號(hào)。

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(dú)立的3個(gè)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(dú)立的3個(gè)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(chē)載設(shè)備高速運(yùn)動(dòng)所致。提供的無(wú)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力是通過(guò)多級(jí)接收濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2 PIDS移動(dòng)寬帶傳輸子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

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

2)車(chē)站交換機(jī)、車(chē)輛段交換機(jī)通過(guò)光纜，以1 000 Mbit/s的帶寬連接到分線交換機(jī)。

3)鋪設(shè)在區(qū)間和車(chē)輛段中的無(wú)線AP設(shè)備與車(chē)站及車(chē)輛段交換機(jī)，以100 Mbit/s的帶寬連接。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，中間經(jīng)過(guò)1對(duì)光纖收發(fā)器(光端機(jī))實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。

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

圖2 移動(dòng)寬帶傳輸子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 無(wú)線寬帶的鏈路結(jié)構(gòu)

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

3.1 有線鏈路的各個(gè)路徑

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

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

3)核心交換機(jī)和車(chē)站交換機(jī)之間的鏈路為光纖，帶寬為1 000 Mbit/s，核心交換機(jī)和車(chē)站交換機(jī)通信的交換端口是固定的，但由于車(chē)載設(shè)備會(huì)漫游到屬于不同車(chē)站交換機(jī)的AP范圍內(nèi)，因此對(duì)車(chē)載設(shè)備的數(shù)據(jù)接收鏈路來(lái)說(shuō)，從核心交換機(jī)到車(chē)站交換機(jī)的鏈路是變化的。

4)車(chē)站交換機(jī)(或車(chē)輛段交換機(jī))與AP之間的鏈路是光纖以及網(wǎng)線，通過(guò)光纖收發(fā)器(光端機(jī))進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，帶寬為100 Mbit/s，通信的交換機(jī)端口是固定的。由于車(chē)載設(shè)備的漫游特性，對(duì)車(chē)載設(shè)備的數(shù)據(jù)接收鏈路來(lái)說(shuō)，從車(chē)站交換機(jī)到AP的鏈路是變化的。

3.2 無(wú)線鏈路的場(chǎng)強(qiáng)變化

1)無(wú)線信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)與距離的立方成反比，以AP為中心向隧道兩邊擴(kuò)散(因?yàn)椴捎孟蛘磧蓚€(gè)方向輻射信號(hào)的定向天線)。

2)在兩個(gè)AP之間的重疊覆蓋區(qū)域，會(huì)出現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)消和漲的情況。

隧道中無(wú)線AP信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)變化如圖3所示。

圖3 無(wú)線AP信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)變化

對(duì)于PIDS系統(tǒng)所采用的移動(dòng)寬帶傳輸網(wǎng)系統(tǒng)，無(wú)線網(wǎng)橋能夠接收到的信號(hào)強(qiáng)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(lái)到接收端天線接收，無(wú)線信號(hào)所經(jīng)過(guò)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(duì)于無(wú)線電波的傳輸路徑損耗，在自由空間中的計(jì)算公式為

但在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境中，無(wú)線電波會(huì)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(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)大量的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行推算，可得出數(shù)學(xué)計(jì)算模型為

式中:f為頻率，GHz(2.45 GHz);d為距離，m。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上的理論和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，移動(dòng)寬帶傳輸網(wǎng)在地鐵乘客信息顯示系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，只要在無(wú)線AP設(shè)備的布置上確保列車(chē)無(wú)線網(wǎng)橋在全線范圍內(nèi)的信號(hào)接收強(qiáng)度都不小于－76 dB(m)，整個(gè)移動(dòng)寬帶傳輸網(wǎng)的有效帶寬就能夠滿足設(shè)計(jì)的要求，保證車(chē)地之間的數(shù)據(jù)通信。因此，當(dāng)前在乘客信息顯示系統(tǒng)采用802.11g無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)，是一種較好地解決車(chē)地通信問(wèn)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(jiǎn)介:鐘飛，男，在讀工程碩士，工程師，項(xiàng)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)