淺談城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)應(yīng)用

楊勇

摘 要：隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，建立安全可靠、高效穩(wěn)定的車地?zé)o線通信系統(tǒng)是提高運(yùn)營(yíng)效率、管理質(zhì)量、用戶體驗(yàn)的必要手段。車地?zé)o線通信實(shí)現(xiàn)了乘客信息系統(tǒng)（PIS）地面設(shè)備和車載設(shè)備之間的雙向信息傳輸，是PIS系統(tǒng)的重要組成部分。在車輛高速移動(dòng)中實(shí)現(xiàn)視頻信息和數(shù)據(jù)信息的傳輸，就要求車地?zé)o線通信系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)傳輸性、帶寬調(diào)整性和抗干擾性等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：軌道交通；乘客信息系統(tǒng)；無線通信；5.8G

中圖分類號(hào)：U285.21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）17-0039-02

1 概述

地鐵的乘客信息系統(tǒng)（PIS）是依托多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心、以車站和車載顯示終端為媒介向乘客提供信息服務(wù)的系統(tǒng)。PIS在正常情況下，提供乘車須知、服務(wù)時(shí)間、列車到發(fā)時(shí)間、列車時(shí)刻表、管理者公告、政府公告、出行參考、股票信息、媒體信息、賽事直播、廣告等實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的多媒體信息；在火災(zāi)、阻塞及恐怖襲擊等非正常情況下，提供緊急疏散提示。車地?zé)o線通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)將PIS、車載CCTV等數(shù)據(jù)進(jìn)行雙向傳輸。為了保證系統(tǒng)不間斷的服務(wù)，要求無線傳輸系統(tǒng)具有高性能、高可靠性、高穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

PIS網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)為PIS業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)通道，該通道用來傳輸從中心到各車站、地鐵車輛的各種數(shù)據(jù)信息、視頻信息和控制信息。無線局域網(wǎng)作為有線局域網(wǎng)的延伸，提供地面與列車之間的通信。無線通信系統(tǒng)主要由以下設(shè)備組成：中心無線控制器，各車站、車輛段、停車場(chǎng)的PIS系統(tǒng)接入交換機(jī)，軌旁無線AP、車載無線AP等。如圖1所示。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)以南京地鐵寧溧線為例。

3.1 無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

車地?zé)o線網(wǎng)作為有線局域網(wǎng)的延伸，提供了地面有線網(wǎng)絡(luò)與列車的通信。無線方案主要由無線控制器、軌旁AP組成，其中無線控制器集中設(shè)置在控制中心，對(duì)全線軌旁AP進(jìn)行集中統(tǒng)一控制，在無線控制器可以完成軌旁AP的版本更新，配置下發(fā)以及單一命令的下發(fā)。車載AP與軌旁 AP間采用FAT AP模式，主要考慮降低車載AP掉線再上線的時(shí)間間隔。減免車載AP與無線控制器進(jìn)行連接，建立隧道到重新下發(fā)配置的環(huán)節(jié)。

WLAN系統(tǒng)采用5.8G頻段，共劃分5個(gè)互不干擾的獨(dú)立頻點(diǎn)，分別是149、153、157、161、165，帶寬為20M。在正線范圍內(nèi)，相鄰AP分別設(shè)置為兩個(gè)獨(dú)立頻點(diǎn)，以降低臨近AP的同頻/臨頻干擾。在車輛段停車列檢庫(kù)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境選擇兩個(gè)以上獨(dú)立頻點(diǎn)。方案采用支持802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備構(gòu)建車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)，可以提供100Mbps以上的車地?zé)o線通信帶寬，能夠滿足業(yè)務(wù)需求變化對(duì)帶寬提出的新需求。

PIS全線沿軌旁設(shè)置無線AP和天線，軌旁AP在5.8G頻段，直線隧道一般每間隔200米布設(shè)一個(gè)，在彎道或地面根據(jù)實(shí)際情況采用每間隔50米或100米布設(shè)一個(gè)，AP采用定向天線，某臺(tái)AP故障，相鄰AP會(huì)感知到，并通過加大功率覆蓋故障AP覆蓋區(qū)域，同樣車載AP也采用定向天線。每趟列車車頭車尾分別設(shè)置無線AP，同軌旁AP實(shí)現(xiàn)互相冗余的車地?zé)o線通信。

3.2 無線網(wǎng)絡(luò)功能

車-地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)基于IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)和TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)，本方案采用5.8GHz IEEE802.11ac標(biāo)準(zhǔn)。在城市軌道交通環(huán)境下（隧道/高架/地面）能夠?qū)崿F(xiàn)在0～120公里/小時(shí)速度范圍內(nèi)，為正線提供穩(wěn)定可靠的雙向100Mb/S無線傳輸帶寬，為車輛段（靜態(tài)）提供穩(wěn)定可靠的雙向150Mb/S無線傳輸帶寬。車地平均延遲16.3ms，丟包率<5‰，車載無線網(wǎng)橋切換時(shí)間30-40ms。

本方案在所有列車能與無線局域網(wǎng)接入點(diǎn)進(jìn)行通信的地方都進(jìn)行全面的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，包括正線、車輛段、出入段線、停車列檢庫(kù)。車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)為播控系統(tǒng)車地之間提供穩(wěn)定、可靠、安全的無線傳輸通道，能夠保證列車在0～120Km/h速度范圍內(nèi)，不會(huì)存在車-地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)丟失連接、帶寬下降、延遲過大、丟包率過高等導(dǎo)致畫面卡頓/失幀/馬賽克等引起畫面質(zhì)量降低的情況。當(dāng)列車停靠時(shí)，提供更大的無線帶寬，可以利用無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)車載設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，并下發(fā)相關(guān)的預(yù)配置信息?？刂浦行倪€可以調(diào)用車載設(shè)備存儲(chǔ)的車載信息。

無線控制器設(shè)置在控制中心，采用雙機(jī)熱備方式，當(dāng)一臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)，所有AP的管理控制能自動(dòng)切換到另一臺(tái)無線控制器上。在無線架構(gòu)體系中，軌旁無線AP只作為無線天線和802.11ac無線協(xié)議的封裝，其他無線網(wǎng)絡(luò)中的無線認(rèn)證、無線加解密、無線管理以及無線終端漫游管理等都在無線控制器上完成，不需要象傳統(tǒng)“瘦”AP廠商那樣需要重新認(rèn)證與加密，IP地址也同樣不需要更新，可以在漫游中保持。由于采用集中控制方式，用戶認(rèn)證信息、加密信息、QoS信息和路由信息的更新局限于無線控制器內(nèi)部。而目前基于ASIC架構(gòu)無線控制器在加密情況下的吞吐量可達(dá)32G，沒有任何瓶頸，最大支持管理1024個(gè)AP，1個(gè)無線控制器即可以管理本線路所有的AP。同時(shí)支持無線防火墻實(shí)現(xiàn)訪問控制，支持無線入侵檢測(cè)功能。能夠防止外部對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的破壞和操控，確保無線傳輸通道的安全。

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)，而在個(gè)別AP出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)仍能正常工作。通過定向天線，實(shí)現(xiàn)對(duì)正線的雙向覆蓋，并限定了覆蓋范圍。每個(gè)AP的輸出功率滿足國(guó)家規(guī)范要求，每個(gè)AP的輸出功率不大于100mW，不使用高增益天線。

車載無線網(wǎng)橋設(shè)置在車頭車尾的無線網(wǎng)橋通過VRRP協(xié)議實(shí)現(xiàn)冗余熱備，正常情況下車尾工作，在車尾設(shè)備故障時(shí)，車頭設(shè)備啟動(dòng)。在列車掉頭時(shí)，由司機(jī)鑰匙信息觸發(fā)車頭車尾倒換，保證總是車尾工作。車載無線網(wǎng)橋采用雙射頻，融合了先接后離技術(shù)，提供了高速移動(dòng)過程的平滑切換和穩(wěn)定可靠的連接。

軌旁防護(hù)箱提供IP65防護(hù)，滿足隧道限界、天氣、振動(dòng)、維護(hù)等方面的要求，以適應(yīng)地鐵的環(huán)境條件。同時(shí)采用專用鎖封閉和下開門設(shè)計(jì)，保證在門鎖出現(xiàn)故障時(shí)仍不會(huì)侵入車輛動(dòng)態(tài)限界。

室外車地?zé)o線設(shè)備除了可靠的接地外，設(shè)置電源防浪涌模塊和天饋防浪涌模塊，降低直擊雷和感應(yīng)雷對(duì)設(shè)備損害。

3.3 無線網(wǎng)絡(luò)管理

無線控制器中集成了相應(yīng)無線網(wǎng)絡(luò)管理功能，無線網(wǎng)管軟件可以完成對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)視和控制，保障無線網(wǎng)絡(luò)安全，查找并隔離網(wǎng)絡(luò)故障，記錄無線網(wǎng)絡(luò)中的各種事件等。可以管理所有AP節(jié)點(diǎn)，檢測(cè)它們的網(wǎng)絡(luò)性能和系統(tǒng)運(yùn)行性能。

無線管理系統(tǒng)具有自動(dòng)恢復(fù)的功能，實(shí)時(shí)偵測(cè)出網(wǎng)上AP是否有失效，當(dāng)發(fā)覺有AP出現(xiàn)故障時(shí)，無線控制器能自動(dòng)調(diào)節(jié)鄰近的AP的功率（覆蓋范圍）來補(bǔ)償已失效AP的覆蓋范圍，保證業(yè)務(wù)不會(huì)中斷。

4 結(jié)語(yǔ)

基于無線通信系統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)以及良好的發(fā)展形式，車地?zé)o線通信系統(tǒng)的優(yōu)越性也值得我們?nèi)リP(guān)注和研究，為城市軌道交通業(yè)務(wù)的發(fā)展需求提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。雖然802.11ac滿足了高速和大帶寬的要求，但在實(shí)際應(yīng)用過程中系統(tǒng)的穩(wěn)定性還要繼續(xù)提高。

參考文獻(xiàn)

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