地鐵乘客信息系統(tǒng)中無線局域網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究

胡飛飛，沈昱明

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093)

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地鐵乘客信息系統(tǒng)中無線局域網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究

胡飛飛，沈昱明

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093)

基于無線局域網(wǎng)802.11g標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合地鐵隧道中的實際環(huán)境，構(gòu)建了一個無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，在地鐵乘客信息系統(tǒng)中采用了無線局域網(wǎng)。文中分析了地鐵乘客信息系統(tǒng)中無線局域網(wǎng)的頻點規(guī)劃，并實現(xiàn)了基于無線局域網(wǎng)的乘客信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)可保證下傳一路6 Mbit·s-1的MPEG-2視頻流，同時能夠給中心子系統(tǒng)上傳一路2 Mbit·s-1的監(jiān)視信息。在實際環(huán)境中對系統(tǒng)所得的帶寬數(shù)據(jù)進行了分析與測試，測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能滿足實際應(yīng)用需求。

乘客信息系統(tǒng)；無線局域網(wǎng)；無線接入點；車載無線設(shè)備

目前，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的視頻信號傳輸，在面向大眾的無線可視應(yīng)用中，無線通道的資源尤其緊張。乘客信息系統(tǒng)需要雙向傳輸視頻信息，所以該系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)帶寬有較嚴(yán)格的要求[1-2]。其中數(shù)字視頻具有以下特點:(1)數(shù)據(jù)量大；(2)實時性要求高，人眼對視頻信號的基本要求是:延遲小，實時性好；(3)無線通道資源有限；(4)無線網(wǎng)絡(luò)是一個時變的網(wǎng)絡(luò)；(5)無線視頻的QoS保障在移動通信中，用戶的移動造成無線視頻的QoS保障十分復(fù)雜。

由此可以看出，視頻信號對傳輸?shù)男枰蜔o線環(huán)境的特點存在尖銳的矛盾，因此采用無線局域網(wǎng)的乘客信息系統(tǒng)面臨著巨大的挑戰(zhàn)[3]。

該課題的最終目的是組建一個基于802.11g標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)，以保證能夠下傳一路6 Mbit·s-1的MPEG-2視頻流和文本信息，同時能夠給中心子系統(tǒng)上傳一路2 Mbit·s-1的監(jiān)視信息，采用無線局域網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)乘客信息系統(tǒng)。

1　地鐵乘客信息系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)

1.1地鐵乘客信息系統(tǒng)功能

乘客信息系統(tǒng)的主要設(shè)計目標(biāo)是通過中心和車站的控制，在指定時間，將指定信息顯示給指定人群。

PIS系統(tǒng)具有的通用功能如下：(1)系統(tǒng)任務(wù)管理:中心和車站系統(tǒng)應(yīng)用軟件應(yīng)具備多任務(wù)的管理功能；(2)用戶權(quán)限管理:系統(tǒng)具備分級權(quán)限管理功能，包括操作人員ID的管理(編號、操作密碼、操作權(quán)限)，密碼文件的管理等；(3)系統(tǒng)監(jiān)控:所有車站設(shè)備應(yīng)置于車站及控制中心的監(jiān)控下運行，及時掌控設(shè)備所處模式(正常服務(wù)、故障、維修、關(guān)閉等)，操作員登錄及退出狀態(tài)等；(4)發(fā)布管理:主要是車站設(shè)備應(yīng)具備網(wǎng)絡(luò)下載安裝及軟件更新功能。

1.2乘客信息系統(tǒng)的構(gòu)成

PIS系統(tǒng)由以下部分組成：中心子系統(tǒng)、車站子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、接口子系統(tǒng)、業(yè)務(wù)子系統(tǒng)。

1.3中心子系統(tǒng)

中心子系統(tǒng)包括:中心服務(wù)器、中心操作員工作站、外部系統(tǒng)接口、網(wǎng)絡(luò)部分、UPS等部分組成。

1.4車站子系統(tǒng)

車站子系統(tǒng)由以下部分組成： (1)控制部分。車站子系統(tǒng)的控制部分放置在車站控制室，組成部分如下:車站服務(wù)器/車站操作員工作站、外部系統(tǒng)接口、網(wǎng)絡(luò)部分、UPS；(2)顯示部分。它解釋需要顯示的信息數(shù)據(jù)，驅(qū)動顯示屏播放顯示;接收車站服務(wù)器發(fā)送來的命令，解釋執(zhí)行，如控制顯示屏的開閉等操作。

2　移動寬帶傳輸網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

移動寬帶傳輸網(wǎng)系統(tǒng)主要由無線交換機、核心交換機、車站交換機、車輛段交換機、光端機、鋪設(shè)在隧道和車輛段中的無線基站設(shè)備AP、列車中的無線接入設(shè)備等[4-5]。

本方案采用無線交換機、無線AP和無線網(wǎng)橋構(gòu)建無線局域網(wǎng)，符合WLAN 802.11 a/b標(biāo)準(zhǔn)。無線系統(tǒng)硬件有兩部分，AP和無線網(wǎng)絡(luò)交換機。AP不需與無線網(wǎng)絡(luò)交換機直連，它們之間可以通過以太網(wǎng)交換機而無論是2層或3層、路由器或其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互通。當(dāng)AP插入到網(wǎng)絡(luò)上啟動后，AP是會自動和無線網(wǎng)絡(luò)交換機建立GRE隧道的連接，之后從無線終端所發(fā)出到數(shù)據(jù)都會回經(jīng)AP的GRE隧道傳到無線網(wǎng)絡(luò)交換機。同樣當(dāng)數(shù)據(jù)須發(fā)送到無線終端上時，則必先經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)交換機和AP建立的GRE數(shù)據(jù)隧道，然后再經(jīng)AP發(fā)送到無線終端。

各設(shè)備間的連接及實現(xiàn)方式如下：(1)無線交換機通過光纖以1 000 Mbit·s-1的帶寬連接到核心交換機，無線管理工作站通過5類線以100 Mbit·s-1的帶寬連接核心交換機；(2)車站交換機、車輛段交換機通過光纜以1 000 Mbit·s-1的帶寬連接到核心交換機；(3)鋪設(shè)在隧道和車輛段中的無線基站設(shè)備通過5類線連接到光端機，光端機通過光纜100 Mbit·s-1的帶寬連接無線基站所屬的車站或者車輛段的光端機，再由后者通過5類線以100 Mbit·s-1的帶寬連接到車站交換機或者車輛段交換機；(4)隧道中上行和下行單獨鋪設(shè)無線基站，即上行隧道中的無線基站和下行隧道中的無線基站構(gòu)成不同的無線網(wǎng)；(5)根據(jù)移動寬帶傳輸網(wǎng)基站和天線的性能，以及現(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；(6)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)，而在個別AP和其它設(shè)備出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)仍能正常工作。

圖1　軌旁AP和車站交換機連接方式

乘客信息系統(tǒng)中，列車是通過車尾的車載無線單元來接收AP傳輸?shù)男盘?，一個AP機柜有兩個定向天線，這樣列車可以接收到較強的信號，增加了AP的傳輸距離。如圖1所示，軌道沿線的AP間隔地與不同車站交換機相連，比如AP1通過光纖連接至車站1的交換機，AP2通過光纖連接至車站2的交換機，AP3再通過光纖連接至車站1的交換機無線網(wǎng)絡(luò)，AP4通過光纖連接至車站2的交換機，以此類推。通過這種設(shè)計，在某一個車站交換機甚至整個車站因為意外情況發(fā)生故障的情況下，軌道沿線仍然有半數(shù)的AP可以正常接入到主控、備用中心核心交換機及視頻等應(yīng)用服務(wù)器[6]。

在列車上車頭車尾都車載無線單元。以車尾為主進行工作時，如圖2所示，車載無線單元經(jīng)過的無線信號覆蓋強度是由弱到強的，在這種情況下，車載無線單元容易判斷切換條件，因為在切換點，相鄰兩個AP的無線信號場強差異較大，車載無線單元可以立刻做出判斷進行切換。

圖2　車尾天線漫游切換示意圖

如圖3所示，當(dāng)以車頭為主進行工作時，車載無線單元經(jīng)過的無線信號覆蓋強度是由強到弱的，在這種情況下，當(dāng)車載無線單元進入到切換點附近的時候，相連2個AP的無線信號的場強差異很小，這時車載無線單元很難做出判斷，會產(chǎn)生一小段猶豫比較過程，從而增加了切換時間。而且缺少了信號預(yù)檢測過程，難以完成快速切換過程[7]。

圖3　車頭天線漫游切換示意圖

如果上下行都使用同一頻點，則在上下行列車會車時，可能造成一個AP下同時有兩個車載移動單元的接入，進而分享接入帶寬。

圖4　上下行列車同時接入同一個AP

如圖4所示，上行和下行的AP設(shè)置為同一個頻點。列車車頭和車尾無線單元的工作頻點也設(shè)置為頻點1。這樣，在上行和下行列車會車時，容易造成兩列車的車尾無線單元同時接入同一個AP[8]。

上行線路和下行線路使用不同的頻點?？紤]車頭車尾在運行過程中不進行倒換，并且列車運行時車頭和車尾的方向相對運行線路是固定的，解決辦法如下:上下行使用不重疊的不同頻點(例如1/6/11)，同時根據(jù)車尾移動單元工作的原理，相應(yīng)配置車尾的頻點。同理，車頭的頻點也就確定了。

3　無線網(wǎng)絡(luò)性能分析

在軌道旁選取5個點放置無線接入點，這5個無線接入點通過光纖光纜與中心的WLAN控制器相連構(gòu)成有線網(wǎng)絡(luò)。而每個接入點通過抱桿固定前后兩個方向的定向天線與車頭車尾的定向天線組成無線路徑，由車載無線單元和軌旁無線接入點組成車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)[9]。

按照試驗環(huán)境要求，IP地址分配包含以下幾部分:

(1)設(shè)備管理地址。包含WLAN交換機和AP的管理地址(AP采用DHCP方式分配)。

1) WLAN交換機:192.168.1 10/24；2) AP 1:192.168.100 254/24；3) AP2: 192.168.100.253/24；4) AP3:192.168.100.252/24；5) AP4: 192.168.100.251/24；6) APS: 192.168.100.250/24；

(2)地面網(wǎng)絡(luò)。

VLAN2: IP地址為192.168.10.0/24；1)服務(wù)器:192.168.10.1/24；2)車載無線單元1: 192.168.10.2/24；3)車載無線單元2: 192.168.10.3/24；4)車載網(wǎng)絡(luò)。

VLAN 3:10.5.32.0/24;1)車載無線單元1: 10.5.32.251/24；2)車載無線單元2: 10.5.32.252/24。

4　無線網(wǎng)絡(luò)單元傳輸性能測試結(jié)果

無線網(wǎng)絡(luò)單元傳輸性能測試結(jié)果數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5　傳輸性能測試結(jié)果數(shù)據(jù)1

圖6　傳輸性能測試結(jié)果數(shù)據(jù)2

圖7　傳輸性能測試結(jié)果數(shù)據(jù)3

3次動態(tài)最大吞吐量能力測試結(jié)果:平均帶寬為18.708 Mbit·s-1，最高帶寬23.53 Mbit·s-1。從測試的結(jié)果可以看出平均帶寬遠大于傳輸6 Mbit·s-1的視頻流和2 Mbit·s-1的監(jiān)控信息所需求的帶寬，滿足了乘客信息系統(tǒng)對帶寬的要求；雖然有個別時間點的帶寬變的很小，但其持續(xù)時間較短，對傳輸網(wǎng)絡(luò)沒有明顯的影響。所以基于無線局域網(wǎng)的乘客信息系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、實時地給乘客提供各種信息，并且能夠滿足地鐵運營部對安全的要求。

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Key Technologies of Wireless Local Area Network in the Subway Passenger Information System

HU Feifei, SHEN Yuming

(School of Optical-electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

Based on the 802.11g, combined with the actual environment in the subway tunnel, a wireless transmission network is constructed for the subway passenger information system. The frequency planning of the WLAN in the subway passenger information system is analyzed and the passenger information system based on the WLAN is realized. This system is capable of downloading one way 6 Mbit·s-1MPEG-2 video stream and uploading one way 2 Mbit·s-1monitoring information to the central subsystem. In the actual environment, the system is analyzed and tested. The test results show that it can meet the actual demand.

passenger information system; WLAN; wireless access point; vehicular wireless equipment

2015- 12- 23

全國大學(xué)生科技創(chuàng)新重點項目(201310252012)

胡飛飛(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：計算機應(yīng)用、通信技術(shù)等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.09.018

TN926+.4

A

1007-7820(2016)09-065-04