車地無線傳輸在乘客信息系統(tǒng)中應(yīng)用的研究

袁玲++毛業(yè)軍++龍源++鄧誼柏++馬麗英++何英彪

摘 要：針對目前城軌車輛乘客信息系統(tǒng)車地無線傳輸多樣化的需求，對不同車輛項目的車地無線傳輸進行分析及對比，并提出軌道交通乘客信息系統(tǒng)車地無線傳輸?shù)目尚行园l(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：乘客信息系統(tǒng)；無線傳輸；數(shù)字電視； WLAN； LTE

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.132

1 概述

乘客信息系統(tǒng)（簡稱“PIS”）是運用現(xiàn)代科技成熟可靠的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與多媒體技術(shù)、顯示技術(shù)等，實現(xiàn)運營控制中心（簡稱“OCC“）一車站一列車之間的文字、圖像、視頻信息的雙向傳輸系統(tǒng)。

本文將著重討論車地無線通信在乘客信息系統(tǒng)中的應(yīng)用，并提出可行性發(fā)展趨勢。

2 無線傳輸系統(tǒng)

分析目前城軌車輛實際應(yīng)用，乘客信息系統(tǒng)的車地傳輸可分為三種方案：

（1）車載子系統(tǒng)自成一體，不實現(xiàn)車地之間的實時移動傳輸，車輛播出車載媒體播放器中已存儲的節(jié)目列表，不受中心或車站控制，即為通常所述的錄播模式。

（2）利用列車進站或回庫的較短時間，通過無線傳輸將事先存儲好的視頻數(shù)據(jù)發(fā)送給列車，帶列車行駛時向旅客播放，實現(xiàn)車地之間的準實時傳輸；

（3）通過在整個列車運行的區(qū)間設(shè)置無線基站，在任意時刻和地點列車都可以與地面進行數(shù)據(jù)交換，可以實時地進行車地信息（包括視音頻、文字、圖形）傳輸，實現(xiàn)車地之間的實時移動傳輸。

而不論是準實時還是實時傳輸，都已涉及車地通信，其傳輸技術(shù)包括：數(shù)字電視廣播技術(shù)、無線局域網(wǎng)技術(shù)、LTE（Long Term Evolution，長期演進）技術(shù)，且PIS系統(tǒng)無線帶寬應(yīng)有Qos（Quality of Service）控制，所傳圖像都應(yīng)要順暢清晰，不能出現(xiàn)畫面中斷或者跳播現(xiàn)象。

2.1 錄播模式

當無法建立良好的車地通信時，車載播放控制器中存儲的媒體信息通過車載播放系統(tǒng)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的播放列表在客室顯示屏中進行播放。該技術(shù)的主要特征是：

（1）不受列車運行環(huán)境影響，能持續(xù)為乘客提供信息；

（2）信息預(yù)存儲或更新仍需通過車載機械接口逐一實現(xiàn)，無法批量完成，耗時耗力；

（3）乘客無法獲取實時信息。

這種方式已無法適應(yīng)現(xiàn)代化民眾對信息高度攫取的需求，僅能作為一種備份播放模式。

2.2 數(shù)字電視廣播技術(shù)

目前地鐵中主要應(yīng)用無線數(shù)字電視技術(shù)（Digital Video Broadcasting-Terrestrial，DVB-T），可以滿足下行速率大于10Mbps 的多媒體數(shù)據(jù)信息傳輸要求。

這種傳輸模式在上海地鐵中是典型應(yīng)用，上海地鐵數(shù)字電視覆蓋系統(tǒng)建設(shè)已應(yīng)用于上海地鐵1-13號線，上海地鐵列車內(nèi)5700個LCD顯示屏與站臺內(nèi)1500個PDP顯示屏都通過該技術(shù)實時播出地鐵電視節(jié)目、地鐵運營信息及新聞、娛樂等綜合資訊。

城軌車輛持續(xù)接收由地面發(fā)射基站傳遞到區(qū)間敷設(shè)的漏纜放射出的數(shù)據(jù)信號，解碼后轉(zhuǎn)換成視頻和數(shù)字信號，經(jīng)放大后輸出到LCD顯示屏。該技術(shù)的主要特征是：

（1）可實時獲取信息；

（2）采用廣播的方式發(fā)送信號，其信息量較??；

（3）視頻源由電視臺統(tǒng)一發(fā)布，地鐵內(nèi)部無法編輯視頻源，不利于地鐵運營方根據(jù)實際情況進行靈活控制，不能在突發(fā)事件發(fā)生時發(fā)布緊急信息；

（4）單向傳輸，無法通過該通道回傳車輛信息至OCC。

2.3 無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks，WLAN）技術(shù)

IEEE 802.11 是無線局域網(wǎng)的主要標準，也是國際上通用的標準[1]。該協(xié)議族主要包括以下4個技術(shù)標準：

（1）802.11b 通常被人們稱為 Wi-Fi（Wireless Fidelity），該技術(shù)標準的工作頻段主要在2.4GHz 頻段，最高可支持 11Mbps 的共享接入速率；

（2）802.11a ，該技術(shù)標準的工作頻段主要在5.8GHz 頻段，速率可高達 54Mbps，但最高速率的無障礙接入距離降到 30-50米；

（3）802.11g 可支持最高 54 Mbps 的速率，工作頻段也在 2.4 GHz頻段，因此，可以做到與 802.11b兼容，但是最高速率相比 802.11b 高出5倍；

（4）802.11n 支持的速率高達 l50Mbps，最大可達到600Mbps；采用智能天線技術(shù)，可以減少其他信號的干擾，接收到穩(wěn)定的信號，而且可以同所有的 802.11 標準兼容。

比較802.11b、802.11a、802.11g 和 802.11n 可知：802.11b工作頻段開放，目前應(yīng)用多，技術(shù)成熟，但兼容性最低；802.11a工作頻段有管制，傳輸速率較高；802.11g兼容性較高，應(yīng)用較多；802.11n兼容性最高，可兼容前三者，傳輸速度最高，但應(yīng)用較少。

國內(nèi)建設(shè)的城市軌道交通車地無線通信系統(tǒng)采用的技術(shù)基本為WLAN技術(shù) ，WLAN 作為一種寬帶無線接入網(wǎng)技術(shù)，其網(wǎng)絡(luò)化、寬帶化等特點具有相當?shù)膬?yōu)勢。但較多項目采用的WLAN 技術(shù)方案主要為802.11a或802.11g，具有很大的局限性：WLAN 網(wǎng)絡(luò)在固定情況下能提供高達54 Mbps 的數(shù)據(jù)帶寬，但在支持步速移動情況下提供11～13 Mbps的數(shù)據(jù)帶寬，僅能實現(xiàn)標清信號的傳輸，暫不能滿足高清的要求，而802.11n技術(shù)能較好的解決該情況。目前802.11n技術(shù)僅在AMGLRV項目上有應(yīng)用。

以AMGLRV項目為例（采用802.11n技術(shù)，準實時傳輸），介紹無線局域網(wǎng)傳輸過程：

車輛在每個司機室配置一個RF Receiver（三層交換機，帶映射功能）和一個RF Antenna。車載設(shè)備經(jīng)過交換機地址轉(zhuǎn)換可以訪問OCC數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，讀取，存儲等功能。

根據(jù)項目實際需求，用802.11n的協(xié)議替換初期確定的802.11a協(xié)議。

保持設(shè)備配置不變，即每司機室配置1根RF Antenna（5.8GHz），此時傳輸速率理論上可達到一般150Mps傳輸速率要求；在百兆帶寬情況下，傳送一部容量為600M大小 mp4文件，802.11a協(xié)議下傳送時間約為T1=600/（54÷8）=1.5minute，現(xiàn)在最快理論傳送時間T2==600/（150÷8）=32s，時間大大縮短。

該傳輸性能已經(jīng)過實驗室驗證，效果良好，且已準備好線上測試。

2.4 LTE技術(shù)

LTE（Long Term Evolution）是是第三代移動通信與第四代移動通信技術(shù)之間的一個過渡，這種以O(shè)FDM/FDMA為核心的技術(shù)可以被看作“準4G”技術(shù)。LTE按照雙工方式可分為頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）兩種。我國應(yīng)用最多的是TDD—LTE。

已運營的鄭州地鐵1號線（ZZL1項目）乘客信息系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)就是采用的TDD—LTE演進的TD—LTE技術(shù)。采用1795-1805MHZ頻段，與公網(wǎng)無線信號合路后共用漏纜，單向隧道中配備2條漏纜 ，承載PIS+CCTV業(yè)務(wù)，10M帶寬下實現(xiàn)全線路下行8Mbps，上行6Mbps的的覆蓋，具體設(shè)備分別部署在控制中心，車站區(qū)間和車輛[2]。

以ZZL1項目車地組網(wǎng)方案為例，該方案分中心、車站及車載3部分。在方案中，PIS視頻數(shù)據(jù)下發(fā)路由如下：電視臺光端機一列車直播編碼器一PIS核心交換機LTE（長期演進）核心網(wǎng)一PIS核心交換機一中心SDH（同步數(shù)字體系）傳輸系統(tǒng)一車站PIS交換機車站BBU（基帶處理單元）設(shè)備一區(qū)間RRU（射頻拉遠單元）一列車TAU（車載無線設(shè)備）一車載交換機車載LCD 控制器一編碼器一解碼器分頻器一LCD顯示屏。

ZZL1項目開通后，第三方機構(gòu)對LTE車地無線傳輸性能進行了驗證。標準要求為車一地吞吐量≥6 Mbit/s，地一車吞吐量≥8 Mbit/s。測試結(jié)果表明LTE車地無線通道性能符合標準要求。實際運行中直播效果良好，未出現(xiàn)卡屏、花屏現(xiàn)象[3]。

該項目仍存在庫內(nèi)帶寬（10M）無法滿足所有列車在線數(shù)據(jù)接收；應(yīng)用較少，造價較高昂；傳輸組網(wǎng)不獨立，較多依賴車地PIS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)等問題。

綜上所述，LTE技術(shù)可以較為圓滿解決地鐵車地傳輸?shù)碾y題，實現(xiàn)地鐵運行列車與地面控制中心的實時數(shù)據(jù)傳輸，但仍存在一定的缺陷待彌補。

3 車地無線傳輸技術(shù)選擇

PIS系統(tǒng)中無線局域網(wǎng)的傳輸技術(shù)選擇主要考慮三個方面因素[4] ：

（1）滿足車-地數(shù)據(jù)傳輸容量要求（信息傳輸速率不小于13Mb/s）；

（2）保證地鐵列車最高120km/h運行速度條件下的可靠通信；

（3）無線雙向大數(shù)據(jù)傳輸。

根據(jù)上述分析可知，滿足以上條件的無線技術(shù)主要有LTE、WLAN技術(shù)。

目前WLAN技術(shù)非常成熟，主要設(shè)備從802.11a、802.11g發(fā)展到802.11n時，設(shè)備可兼容，采購方便、接口標準、成本較低。但802.11n技術(shù)應(yīng)用于國內(nèi)時仍存在如下問題：

802.11n技術(shù)雖然可工作在2.4GHz頻段和5GHz頻段，且5.8G頻段干擾較少，但是由于在國內(nèi)該信道的使用需要向當?shù)刂鞴懿块T無委會申請，需要繳納費用，應(yīng)用很少；2.4GHz則屬于開放的免費頻段，綜合不重疊信道因素考慮，一般只能采用1個信道給車地無線傳輸網(wǎng)絡(luò)使用，干擾較多。

而TD-LTE技術(shù)目前應(yīng)用較少，造價較為高昂，而且在地鐵上應(yīng)用時，較多依賴車地PIS系統(tǒng)，導(dǎo)致其性能會受到PIS網(wǎng)絡(luò)影響。如PIS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)遇到廣播風暴、環(huán)路問題時，都將直接導(dǎo)致LTE網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，在ZZL1項目實際運行中也曾發(fā)生過地面PIS網(wǎng)絡(luò)風暴造成整個車地傳輸全部癱瘓的情況。但仍然有良好的解決辦法：

（1）應(yīng)用較少，造價較為高昂問題。隨著LTE 全球商用化的進程進一步加快，全球各大設(shè)備供應(yīng)商的全力投入以及產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境的快速發(fā)展，整體設(shè)備和終端成本會有較大的降低 。

（2）依賴車地PIS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)問題。后續(xù)項目應(yīng)用時可以采取獨立組網(wǎng)方式，有效提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。

綜合以上因素考慮，個人認為802.11n技術(shù)和LTE技術(shù)都存在非常明顯的優(yōu)勢及一些固有缺陷。但相對而言，LTE技術(shù)問題更容易通過車地傳輸架構(gòu)的完善及市場調(diào)節(jié)進行彌補，故LTE技術(shù)將會成為國內(nèi)地鐵車地無線傳輸?shù)囊环N發(fā)展趨勢。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合地鐵車輛車地無線傳輸?shù)膶嶋H情況和需求，針對三種技術(shù)（數(shù)字電視技術(shù)、LTE技術(shù)、WLAN技術(shù)）進行較為深入的研究和對比，通過以上的分析研究表明，LTE技術(shù)是車地無線傳輸?shù)膽?yīng)用趨勢。

同時，針對LTE在庫內(nèi)傳輸?shù)南拗菩?，我們也需要考慮LTE（線路動態(tài)傳輸）+802.11n WLAN（庫內(nèi)傳輸）的混合組網(wǎng)方案的可行性，這對城軌車輛車地傳輸系統(tǒng)有一定的參考意義。

需要注意的是，混合組網(wǎng)技術(shù)并沒有通用型產(chǎn)品，設(shè)備必須實時開發(fā)并進行測試，這些需要各方的積極推動，首先需要各地鐵公司在招標時能積極鼓勵開放性方案；其次需要各設(shè)備廠商不斷提高設(shè)備開發(fā)能力，這樣才能更好的適應(yīng)地鐵行業(yè)的發(fā)展。

參考文獻：

[1]闞庭明.城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢探討[J].軌道交通信息系統(tǒng)，2008（18）.

[2]孫寰宇，顧向鋒.基于LTE技術(shù)的車地無線通信組網(wǎng)方案分析[J].鐵道標準設(shè)計，2014（08）.

[3]趙晗.基于LTE（長期演進）技術(shù)的地鐵乘客信息系統(tǒng)組網(wǎng)方案分析[J].應(yīng)用技術(shù)，2015（10）.

[4]劉靖.乘客信息顯示系統(tǒng)移動寬帶傳輸網(wǎng)建設(shè)與思考[J].鐵道通信信號，2010（06）.

作者簡介：袁玲，工學(xué)碩士，主要從事城軌、動車等車輛研發(fā)工作。