基于5 GHz無線局域網(wǎng)的車地?zé)o線通信系統(tǒng)測試與分析

常瀏凱 張 衡 劉 碩

（北京市地鐵運(yùn)營有限公司地鐵運(yùn)營技術(shù)研發(fā)中心，102205，北京∥第一作者，工程師）

基于5 GHz無線局域網(wǎng)的車地?zé)o線通信系統(tǒng)測試與分析

常瀏凱 張 衡 劉 碩

（北京市地鐵運(yùn)營有限公司地鐵運(yùn)營技術(shù)研發(fā)中心，102205，北京∥第一作者，工程師）

車地?zé)o線通信系統(tǒng)是乘客信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾M成部分，其對乘客信息系統(tǒng)的使用效果起著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)有北京地鐵5號線乘客信息系統(tǒng)采用的基于2.4 GHz WLAN（無線局域網(wǎng)）的車地?zé)o線通信系統(tǒng)存在著帶寬小、速率低等不足。針對這些不足，提出使用5 GHz頻段的基于802.11 n技術(shù)車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)替代現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)。為了驗(yàn)證新技術(shù)的性能及有效性，設(shè)計(jì)并搭建了地面模擬系統(tǒng)，使用汽車替代地鐵列車進(jìn)行了測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用5 GHz頻段車地?zé)o線網(wǎng)的性能能夠滿足乘客信息系統(tǒng)的要求，達(dá)到了預(yù)期的效果。

軌道交通；乘客信息系統(tǒng)；5 GHz頻段；車地?zé)o線通信

目前，地鐵車地?zé)o線通信系統(tǒng)主要用于CBTC（基于通信的列車控制）的信號系統(tǒng)以及PIS（乘客信息系統(tǒng)）。從應(yīng)用角度來說，兩者對車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的性能要求不完全相同。PIS使用車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)主要傳輸視頻、音頻等信息，對于網(wǎng)絡(luò)的吞吐量要求高；而CBTC系統(tǒng)主要傳輸移動授權(quán)、車輛位置等數(shù)據(jù)信息，對丟包率及時(shí)延要求較高。目前在用的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)大多使用基于802.11g的WLAN（無線局域網(wǎng)）技術(shù)，其實(shí)際測試的平均傳輸速率僅為11 Mbit/s，無法滿足PIS的要求。這也是現(xiàn)在很多地鐵線路CBTC系統(tǒng)運(yùn)行良好而PIS直播效果達(dá)不到要求的原因之一。為此，北京地鐵對5 GHz頻段的WLAN技術(shù)進(jìn)行研究和測試，檢驗(yàn)該技術(shù)的抗干擾性、帶寬、丟包率等指標(biāo)是否能夠滿足PIS相關(guān)業(yè)務(wù)需求。

本文梳理了PIS的業(yè)務(wù)種類，提出了PIS對于車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的需求；對5 GHz的WLAN技術(shù)進(jìn)行了分析，提出了工作在5 GHz頻段的車地?zé)o線通信網(wǎng)的優(yōu)勢與可能存在的問題。在此基礎(chǔ)上明確了地面模擬試驗(yàn)的搭建方案及測試內(nèi)容，并進(jìn)行了測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，工作在5 GHz頻段基于802.11n的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)能夠滿足PIS的業(yè)務(wù)需求，可以作為未來PIS車地?zé)o線網(wǎng)建設(shè)及改造的技術(shù)方案。

1 對于車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)的需求

1.1 業(yè)務(wù)需求

PIS主要提供視頻直播、到站信息、廣告等動態(tài)多媒體信息，在遇到火災(zāi)、故障及恐怖襲擊等緊急狀態(tài)時(shí)提供運(yùn)行信息、政府公告等緊急信息。此外，根據(jù)北京市政府第59號文要求，列車視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)需要上傳至軌道交通指揮中心。

因此，對于車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)，首先需要滿足地鐵電視視頻直播的要求；其次需要滿足至少兩路車載監(jiān)控視頻上傳及車載監(jiān)控視頻遠(yuǎn)程調(diào)度的需求；最后，要滿足緊急狀態(tài)下緊急消息上車的要求。

1.2 性能需求

上述3個(gè)業(yè)務(wù)需求均需要車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)具備穩(wěn)定、實(shí)時(shí)、高帶寬的雙向數(shù)據(jù)傳輸性能。

（1）高速的數(shù)據(jù)傳輸能力：緊急消息發(fā)布需要帶寬為10 kbit/s，高清地鐵視頻直播需要帶寬為10 Mbit/s，14路CCTV（閉路電視）監(jiān)控視頻上傳中心需要帶寬為14 Mbit/s。因此，在預(yù)留25%的冗余帶寬的情況下，車地?zé)o線通信網(wǎng)需滿足的帶寬為（10 kbit/s+10 Mbit/s+14 Mbit/s）× 1.25=30 Mbit/s。

（2）AP（無線接入點(diǎn)）間無縫的切換能力：列車在運(yùn)行過程中必然存在著許多AP切換情況，AP的切換會產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛啵瑥亩诰幋a器及緩沖等其他方面無問題的情況下，導(dǎo)致視頻出現(xiàn)由數(shù)據(jù)傳輸中斷引起的馬賽克甚至視頻中斷的情況。因此，AP間的切換時(shí)間越短，出現(xiàn)馬賽克或視頻中斷的可能性就越小。對于地鐵的車地?zé)o線通信網(wǎng)來說，其切換時(shí)間應(yīng)小于50 ms。

（3）良好的無線覆蓋能力：AP應(yīng)該具備良好的無線覆蓋能力并覆蓋盡可能遠(yuǎn)的距離，以便使用較少的AP完成全線路的無線覆蓋，從而降低施工成本，并減少AP之間的切換次數(shù)。

（4）良好的無線抗干擾能力：為了避免車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)（特別是無線通信設(shè)備）與其他軌道交通專用無線系統(tǒng)或公共無線系統(tǒng)相互干擾，其系統(tǒng)應(yīng)采取抗干擾措施，同時(shí)應(yīng)對無線頻率進(jìn)行合理規(guī)劃。

2 基于5 GHz WLAN的車地?zé)o線通信系統(tǒng)

IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)前WLAN中應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)，也是城市軌道交通車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)使用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)使用的頻率主要有兩個(gè)：一個(gè)是2.402～2.482 GHz頻段共計(jì)80 MHz帶寬，另一個(gè)是5.15～5.35 GHz和5.745～5.825 GHz頻段共計(jì)280 MHz帶寬。北京地鐵5號線車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)采用的是工作在2.4 GHz的802.11g技術(shù)。與其相比，本次測試使用的5 GHz的802.11n技術(shù)存在著頻率資源豐富、支持信道綁定及MIMO（多入多出）的優(yōu)勢，使5 GHz的WLAN擁有更大的數(shù)據(jù)吞吐量及更強(qiáng)的抗干擾性。但5 GHz頻段也存在著電磁波衰落快且切換時(shí)間未經(jīng)過測試等不足。

2.1 豐富的頻譜資源

根據(jù)頻率規(guī)劃，802.11g的工作頻段為80 MHz帶寬，共分為14個(gè)信道，其中只有1、6、11三個(gè)彼此不重疊的獨(dú)立信道，頻譜資源較為緊張。而802.11n可使用的帶寬為280 MHz，共12個(gè)獨(dú)立信道，因此相對于2.4 GHz頻段擁有更為豐富的頻譜資源。

2.2 信道綁定

根據(jù)802.11協(xié)議，信道帶寬為20 MHz，而802.11n協(xié)議引入了信道綁定（channel banding）技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)允許將相鄰的2個(gè)20 MHz信道綁定成1個(gè)40 MHz信道，從而達(dá)到提高傳輸速率的目的。雖然802.11n協(xié)議也可以在2.4 GHz頻段使用這一技術(shù)，但由于2.4 GHz頻段帶寬與頻點(diǎn)較少，不適用于信道捆綁技術(shù)。而在理論上使用信道捆綁后信道從20 MHz提高到40 MHz，其最大傳輸速率也可以提高1倍。

2.3 MIMO

MIMO指在發(fā)射端和接收端設(shè)置多副發(fā)射天線和接收天線，通過空時(shí)編碼處理將數(shù)據(jù)流分開成為若干個(gè)數(shù)據(jù)子流進(jìn)行并行傳送，以達(dá)到空間復(fù)用的效果，從而成倍地提高了頻譜利用率，達(dá)到提高數(shù)據(jù)吞吐量的目的。

除了上述3種優(yōu)勢以外，相比于802.11g的48個(gè)數(shù)據(jù)子載波，802.11n擁有108個(gè)數(shù)據(jù)子載波，這些技術(shù)上的改進(jìn)使得工作在5 GHz的無線網(wǎng)絡(luò)擁有600 Mbit/s的理論最大吞吐量，是目前網(wǎng)絡(luò)的6倍。

2.4 5 GHz頻段存在的不足

當(dāng)使用5 GHz作為車地?zé)o線通信網(wǎng)的頻率后，網(wǎng)絡(luò)也面臨著電磁波衰落快的不足。根據(jù)自由空間無線電傳播模型，距離發(fā)射點(diǎn)為d的接收點(diǎn)接收信號功率為：

式中：

PR——接收功率，dBm；

PT——發(fā)射功率，dBm；

GT——發(fā)射天線增益，dBi；

GR——接收天線增益，dBi；

d——發(fā)生機(jī)與接收機(jī)的距離，m；

L——與傳播無關(guān)的系統(tǒng)損耗因子（L≥1）；

λ——波長，m；

c——光速，m/s；

f——頻率，Hz。

由式（1）可知，若其他條件不變，PR與f的平方成反比。設(shè) f1=2.4 GHz、f2=5 GHz，將 f1、f2代入式（1）可得

也就是說，若發(fā)射功率、接收天線增益、發(fā)射天線增益不變的情況下，在相同距離時(shí)2.4 GHz信號的功率是5 GHz的4.34倍。因此，相對于2.4 GHz頻段，理論上5 GHz頻段信號的衰落更快。這就意味著每一個(gè)AP的覆蓋距離更小，在相同區(qū)段內(nèi)要部署更多的AP，這將導(dǎo)致成本的上升以及更加頻繁的切換。這是使用5 GHz信號作為車地?zé)o線網(wǎng)工作頻率的主要問題。

3 試驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證5 GHz車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)性能指標(biāo)，掌握5 GHz無線電波傳播特性，項(xiàng)目組在北京地鐵5號線正線測試前在北京通州漷縣永德路搭建試驗(yàn)平臺，進(jìn)行車地?zé)o線模擬試驗(yàn)。

3.1 系統(tǒng)搭建方案

本次地面模擬試驗(yàn)的系統(tǒng)由控制中心、軌旁數(shù)據(jù)接入網(wǎng)（地面固定網(wǎng)絡(luò)）、車載通信單元3部分組成。其體系結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，控制中心由網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、無線控制器（AC）、模擬服務(wù)器（筆記本）、中心交換機(jī)等組成，完成對沿線軌旁AP工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、移動切換、故障報(bào)警、故障信息記錄、故障信息查詢等。

圖1 地面模擬測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

控制中心下層是軌旁接入網(wǎng)，控制中心通過光纖和中心交換機(jī)連接軌旁接入網(wǎng)。軌旁接入網(wǎng)主要由軌旁光纖、無線AP、定向天線、光交收發(fā)模塊等設(shè)備組成。軌旁數(shù)據(jù)接入網(wǎng)為所有軌旁、控制中心終端設(shè)備及沿線AP提供接入服務(wù)。本次模擬測試，在公路邊部署4臺AP，模擬軌旁無線覆蓋，每2個(gè)AP間距為600 m，所有軌旁AP通過光纖級聯(lián)接入到控制中心交換機(jī)；每臺軌旁AP設(shè)備安裝2個(gè)定向天線，背靠背實(shí)現(xiàn)雙向覆蓋。

車載通信單元主要由車載無線AP、車載天線、射頻饋線和車載交換機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)列車與軌旁數(shù)據(jù)接入網(wǎng)雙向無線通信。

3.2 頻率規(guī)劃

在測試前,測試人員對現(xiàn)場的無線環(huán)境進(jìn)行了掃描，在5 GHz頻段沒有發(fā)現(xiàn)其他信號占用的情況。在本次測試過程中使用5 GHz的143和159這2個(gè)信道。相鄰小區(qū)采用異頻組網(wǎng)方式，以避免在重疊覆蓋區(qū)的相互干擾。

3.3 測試方案

3.3.1 場強(qiáng)與信噪比測試

在場強(qiáng)與信噪比測試中，開啟1個(gè)AP，關(guān)閉其他所有AP，從距離AP 150 m開始每隔50 m檢測1次場強(qiáng)與信噪比，用以檢測AP的無線覆蓋情況。

3.3.2 時(shí)延與丟包率測試

此項(xiàng)測試主要是為了測試不同速度下無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和丟包性能。在地面通過車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)向車輛發(fā)送10 Mbit/s視頻流的情況下，從控制中心向車載單元ping包，統(tǒng)計(jì)時(shí)間為2 ms，測試網(wǎng)絡(luò)延時(shí)與丟包。

3.3.3 傳輸速率測試

此項(xiàng)測試的目的是驗(yàn)證動態(tài)條件下無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。測試時(shí)使用CHARIOT軟件建立10個(gè)進(jìn)程，測試車輛模擬地鐵列車以不同速度穿越無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)，測試無線網(wǎng)絡(luò)的平均傳輸速率。

3.3.4 視頻傳輸效果測試

為了測試車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)對實(shí)際業(yè)務(wù)的承載能力，本次測試還進(jìn)行了雙向視頻傳輸測試。測試時(shí)測試車輛模擬地鐵列車以不同速度穿越無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)，在此期間地面通過無線網(wǎng)絡(luò)向車載終端發(fā)送10 Mbit/s視頻流，車載單元向地面發(fā)送兩路5 Mbit/s高清視頻。此項(xiàng)測試目的是檢測無線網(wǎng)絡(luò)承載PIS實(shí)際業(yè)務(wù)的能力。

4 測試結(jié)果與分析

4.1 場強(qiáng)與信噪比

圖2是根據(jù)場強(qiáng)與信噪比測試的結(jié)果繪制的折線圖。從圖2中可知，隨著終端與AP距離的增加，場強(qiáng)與信噪比都出現(xiàn)了不同程度的下降，且兩者下降的幅度與趨勢基本保持一致。其中場強(qiáng)從-47 dBm下降到-68 dBm，信噪比從48 dB下降到28 dB。根據(jù)軌道交通車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，場強(qiáng)大于-70 dBm，信噪比大于20 dB的信號都是可用的。因此，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，單AP的覆蓋范圍可以達(dá)到1 000 m的距離。

圖2 場強(qiáng)與信噪比靜態(tài)測試結(jié)果

4.2 時(shí)延與丟包率

如表1所示，在40～150 km/h的不同車速下，車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的丟包率小于1%，平均網(wǎng)絡(luò)時(shí)延不大于1.1 ms。與現(xiàn)有2.4 GHz系統(tǒng)相比，其時(shí)延與丟包率指標(biāo)都有所提升。

表1 不同車速下的時(shí)延與丟包率測試結(jié)果

4.3 傳輸速率測試

吞吐量測試結(jié)果如圖3所示。從測試結(jié)果看，當(dāng)車速在80 km/h以下時(shí)，吞吐量不但沒有隨著速度的提高而下降，反而有所增加。在測試車輛速度超過80 km/h后，網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率出現(xiàn)了約10%的下降，但仍大于80 Mbit/s。由于地鐵列車的最大運(yùn)行速度普遍在80 km/h，因此無線網(wǎng)絡(luò)能夠保證100 Mbit/s的傳輸速率，完全能夠滿足PIS對無線網(wǎng)絡(luò)的需求。

圖3 不同速度下網(wǎng)絡(luò)吞吐量測試結(jié)果

4.4 AP切換

在對數(shù)據(jù)的分析中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行AP切換時(shí)傳輸速率會出現(xiàn)短時(shí)間的大幅下降。從圖4所示的60 km/h速度下傳輸速率截圖中可以看到，測試的第20 s及第40 s出現(xiàn)了傳輸速率瞬時(shí)下降的情況。在圖5所示的80 km/h速度下傳輸速率截圖中的第20 s及50 s也分別出現(xiàn)了傳輸速率瞬時(shí)下降的情況。根據(jù)記錄，這些時(shí)刻正是2個(gè)AP進(jìn)行切換的時(shí)刻。因此可以看出，AP的切換對于網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的穩(wěn)定性會造成一定的影響。

圖4 速度60 km/h車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)傳輸速率測試結(jié)果

圖5 速度80 km/h車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)傳輸速率測試結(jié)果

4.5 視頻傳輸效果

在模擬PIS直播及CCTV圖像上傳的傳輸效果測試中，根據(jù)測試人員的目測在車速80～150 km/h的范圍視頻播放流暢，無馬賽克及停頓現(xiàn)象出現(xiàn)。

4.6 結(jié)論

通過本次對5 GHz頻段基于802.11n標(biāo)準(zhǔn)的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)地面模擬測試可以得到以下的結(jié)論：

（1）AP的覆蓋范圍能夠滿足工程要求。首先在單AP的場強(qiáng)測試時(shí)，當(dāng)距離達(dá)到1 000 m時(shí)，其場強(qiáng)與信噪比指標(biāo)仍能滿足接收要求。此外在將AP間距離設(shè)定在600 m間隔情況下，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率、時(shí)延及丟包等性能指標(biāo)良好，切換準(zhǔn)確。相比目前5號線使用的2.4 GHz無線網(wǎng)絡(luò)200 m的AP間隔，其覆蓋距離有所提升。

（2）在現(xiàn)有地鐵車輛最高速度范圍內(nèi)，無線網(wǎng)絡(luò)的平均傳輸速率大于80 Mbit/s，是PIS對于帶寬需求的2.5倍，是現(xiàn)有2.4 GHz車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的7倍。車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬能夠滿足同一小區(qū)內(nèi)2列列車同時(shí)傳輸?shù)囊蟆?/p>

（3）在不同AP間的切換會造成無線網(wǎng)絡(luò)吞吐量的下降，對網(wǎng)絡(luò)性能造成影響。因此需要在切換算法上進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，以便盡可能地降低切換的影響。

5 結(jié)語

5 GHz頻段作為我國近期新開放的公用頻段，相比于傳統(tǒng)2.4 GHz WLAN及1.8 GHz的LTE（長期演進(jìn)）具有可用頻點(diǎn)多、吞吐量大的優(yōu)勢，對于PIS這種需要較大帶寬的系統(tǒng)來說非常合適。通過本次測試可以證明工作在5 GHz頻段基于802.11n標(biāo)準(zhǔn)的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)在傳輸速率、丟包率及時(shí)延等指標(biāo)上完全能夠滿足PIS的需求，其單AP的覆蓋范圍相比現(xiàn)有系統(tǒng)也有了很大的提高，因此可以使用此種技術(shù)作為建設(shè)PIS車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的方案。

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Testing and Analysis of 5 GHz WLAN Based Train/Ground Wireless Communication System

CHANG Liukai，ZHANG Heng，LIU Shuo

Train/ground wireless communication system is an important part of data transmission in passenger information system （PIS）,it plays a vital role in PIS application.Beijing subway Line 5 passenger information system now uses 2.4 GHz WLAN based train/ground wireless communication system with defects like small bandwidth and low rate.To solve these problems，the 802.11n-based 5 GHz band train/ground wireless network technology is proposed to replace the existing system.To verify the performance and effectiveness of the new technology，a ground simulation system is designed and built，a car is used as the substitute of subway train.The test results indicate that the performance of 5 GHz band wireless network could meet the requirements of passenger information system,and achieve the desired result.

rail transit；passenger information system；5 GHz band；train/ground wireless communication

U231+.7；TP393.1

10.16037/j.1007-869x.2017.11.012

Author′s address Beijing Subway Operation Technology centre，102205，Beijing，China

2016-02-29）