車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)在杭海線PIS中的應(yīng)用

朱濤

摘要：軌道交通無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在PIS系統(tǒng)中占據(jù)非常重要的地位，其主要作用是在運(yùn)行中的列車和地面之間建立一條穩(wěn)定的通訊通道，實(shí)現(xiàn)列車與地面之間數(shù)據(jù)的上傳和下載，使列車司機(jī)和乘客得到重要的信息幫助和指導(dǎo)，從而提高地鐵運(yùn)營(yíng)服務(wù)的高效管理，給乘客提供更加及時(shí)的、全面的信息服務(wù)。在5G通訊已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)背景下，我們應(yīng)加強(qiáng)對(duì)軌道交通車地?zé)o線的學(xué)習(xí)和研究，提高地鐵的服務(wù)質(zhì)量。本文的目的是并結(jié)合航海線車地?zé)o線項(xiàng)目WLAN技術(shù)的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)現(xiàn)階段軌道交通行業(yè)中兩種常見(jiàn)的車地?zé)o線通信技術(shù)進(jìn)行闡述和對(duì)比，希望能對(duì)想要了解車地?zé)o線通信的讀者起到參考作用。

關(guān)鍵詞：城市軌道;PIS系統(tǒng);車地?zé)o線;LTE;WLAN

引言：

乘客信息系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱PIS）主要是通過(guò)各種信息屏展示正確、及時(shí)的導(dǎo)乘信息，引導(dǎo)乘客便捷地乘坐軌道交通。隨著城市人口的增加，生活節(jié)奏的加快，乘客越來(lái)越重視對(duì)行程的精準(zhǔn)掌控。PIS系統(tǒng)可通過(guò)上車站內(nèi)各類顯示屏發(fā)布與乘車相關(guān)的資訊，能使乘客快速的了解乘車行程、等待時(shí)間、車輛擁擠度等導(dǎo)乘信息，不僅能緩解乘客乘車時(shí)的焦慮情緒、提高乘客乘車的滿意度，而且還能提高城市軌道交通運(yùn)營(yíng)服務(wù)的管理水平。

車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)服務(wù)范圍涵蓋了控制中心、車站、線路、車輛段/停車場(chǎng)及列車。車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)通過(guò)電纜、光纜及電磁波等傳輸媒介為列車與控制中心、車站、車輛段/停車場(chǎng)之間提供音視頻和數(shù)據(jù)傳輸通道。在正常情況下，車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)能為控制中心對(duì)線路上正在運(yùn)營(yíng)的車輛進(jìn)行管理、指導(dǎo)、監(jiān)控視頻上傳等功能提供通信聯(lián)絡(luò)的技術(shù)保障，在緊急突發(fā)事件情況下，能集中通信資源，在高級(jí)別的通信到來(lái)時(shí)，中斷低一級(jí)的通信，保證有足夠的通信資源應(yīng)對(duì)緊急突發(fā)事件的通信需求。車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)的服務(wù)范圍涵蓋了控制中心、車站、線路、車輛段/停車場(chǎng)及列車。

1、乘客信息系統(tǒng)

乘客信息系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱PIS）是依托計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)與軌道交通業(yè)務(wù)需求高度結(jié)合。在地鐵車站、運(yùn)行線路、列車內(nèi)構(gòu)建一個(gè)高信息傳輸效率、低延時(shí)的傳輸網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)信息展示屏向乘客提供導(dǎo)乘提示信息的系統(tǒng)。在大力發(fā)展智慧交通的背景下，無(wú)人駕駛的列車增多，乘客信息系統(tǒng)就要提供更加全面的、智慧的導(dǎo)乘信息，尤其是在緊急突發(fā)情況下，提供緊急疏散線路提示和指引，保障乘客乘車安全。

1.1 車載移動(dòng)帶寬需求

車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)為乘客信息系統(tǒng)提供的是地面與車載之間的無(wú)線傳輸通道，它將控制中心發(fā)布的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)推送到列車終端，并且同時(shí)將列車視頻上載至地面控制中心的監(jiān)視工作站，車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)是乘客信息系統(tǒng)重要的組成部分。假設(shè)地鐵車輛按6節(jié)編組計(jì)算，每司機(jī)室各設(shè)2臺(tái)全景攝像機(jī)，每客室設(shè)4臺(tái)半球攝像機(jī)，每攝像機(jī)上傳需2M碼流，則全列車28路圖像需要的帶寬為：28×2Mbps=56Mbps，在列車運(yùn)行過(guò)程中，每列車通過(guò)車地?zé)o線傳輸網(wǎng)絡(luò)可接收由控制中心下發(fā)的2路視頻信號(hào)，每路視頻信號(hào)占用通信資源16Mbps，所需的帶寬資源為32Mbps。列車在行駛過(guò)程中所需總帶寬為88Mbps。隨著全自動(dòng)無(wú)人駕駛技術(shù)的逐步普及，大數(shù)據(jù)、AI等高科技技術(shù)的應(yīng)用，以及反恐安保的需求，都需要更多的移動(dòng)帶寬的支持，目前總體的業(yè)務(wù)需求在200-300Mbps可以滿足地鐵通訊需求。

2、車地?zé)o線系統(tǒng)

現(xiàn)階段車地?zé)o線傳輸技術(shù)主要為WIFI和LTE技術(shù)，無(wú)線局域網(wǎng)WIFI是由IEEE802.11工作組規(guī)定的無(wú)線通信系統(tǒng)，目前的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是802.11ac;LTE技術(shù)是3G的演進(jìn)，它采用正交頻分復(fù)用技術(shù)OFMA及多信道輸入輸出技術(shù)MIMO技術(shù)，可提供VoIP及IMS等高速率數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

2.1 LTE

LTE技術(shù)主要在于借助多載波正交調(diào)制技術(shù)即正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）、多天線輸入輸出技術(shù)（MIMO）和鏈路自適應(yīng)技術(shù)，從而提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量和提網(wǎng)絡(luò)通信速度及資源的利用率。LTE是由3GPP組織制定的全球通用標(biāo)準(zhǔn)，包括FDD和TDD兩種模式，兩種模式都是長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)，區(qū)別在于前者是分頻模式后者是時(shí)分雙工技術(shù)，兩者只存在較小的差異。TD-LTE（Time Division Long Term Evolution）在我國(guó)劃分了4個(gè)頻段，峰值速率在20MHz帶寬內(nèi)下行峰值速率為100Mbps，上行峰值速率為50Mbps。TD-LTE采用時(shí)間來(lái)分離接收和發(fā)送信道，接受和發(fā)送使用同一頻率載波的不同時(shí)隙作為信道的承載，其單方向的資源在時(shí)間上是不連續(xù)的，時(shí)間資源在兩個(gè)方向上進(jìn)行分配，可以比較好地適應(yīng)地鐵PIS車地間的非對(duì)稱業(yè)務(wù)需求。

LTE技術(shù)方案通常在車站通訊機(jī)房?jī)?nèi)部署室內(nèi)基帶處理單元（BBU），在行軌旁部署射頻拉遠(yuǎn)模塊（RRU）的方式實(shí)現(xiàn)車地?zé)o線信號(hào)的全覆蓋，但是信號(hào)在隧道中傳播的結(jié)果不理想，這時(shí)需要采用漏纜的方式傳輸信號(hào)，在地面和高架線路上使用天線安裝的方式進(jìn)行，因?yàn)镽RU信號(hào)強(qiáng)度可以覆蓋1200m的范圍，也正是這個(gè)特性，所以LTE軌旁安裝的有源設(shè)備要少，行駛中的列車信號(hào)切換的次數(shù)也少，從而減少了丟包率，提高了信號(hào)的穩(wěn)定性。由于TD-LTE采用的是時(shí)分雙工技術(shù)，對(duì)時(shí)鐘的精度要求非常高，需要在沿線車站建立時(shí)鐘系統(tǒng)從時(shí)鐘源獲取時(shí)鐘，運(yùn)營(yíng)時(shí)需工作人員定期進(jìn)行設(shè)備維護(hù)，由此可見(jiàn)，TD-LTE方案的建設(shè)成本和維護(hù)成本相對(duì)較高。

2.2 WLAN

在乘客信息系統(tǒng)中WLAN技術(shù)是地面與車載通訊中應(yīng)用最為廣泛的一項(xiàng)技術(shù)。WLAN使用的頻段范圍主要在2.4G和5G頻段，2.4G可用信道資源少，干擾較為嚴(yán)重，不能滿足當(dāng)前軌道交通PIS應(yīng)用。5GHz信道可用資源多，共計(jì)13個(gè)可用信道，通過(guò)5GHz頻帶提供高通量的無(wú)線局域網(wǎng)，理論上能夠提供1.3Gbps無(wú)線通信傳輸速率，實(shí)際傳輸率可在300Mbps～400Mbps之間，802.11ac是802.11n實(shí)際傳輸率的3倍，可以在一條信道上并發(fā)多路高清流媒體。作為 IEEE 無(wú)線技術(shù)的第五代標(biāo)準(zhǔn)，802.11ac是802.11n的延續(xù)，它沿用了802.11n的多進(jìn)多出的技術(shù)，除了提供1.3Gbps信道傳輸速率，在建設(shè)成本上與802.11n也相差不大。

現(xiàn)階段軌道交通行業(yè)通信系統(tǒng)WLAN車地?zé)o線主要應(yīng)用在PIS系統(tǒng)，車頭車尾部署車地?zé)o線AP設(shè)備，軌旁間隔150米（直線段）部署軌旁AP設(shè)備，與車載AP設(shè)備使用車地?zé)o線鏈路軟切換技術(shù)建立無(wú)線連接，保障車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

2.3 WLAN和LTE對(duì)比

下面主要對(duì)車地?zé)o線系統(tǒng)兩種主要的技術(shù)IEEE802.11ac和LTE進(jìn)行比較。

從上表可以得出，802.11ac采用的5GHz頻段能較好避開(kāi)民用設(shè)備頻率干擾，并提供更多的頻率資源。LTE技術(shù)安全性高，抗干擾能力強(qiáng)，終端靈敏度高，區(qū)間內(nèi)軌旁設(shè)備較少，降低了運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本和維修難度。列車天線在區(qū)間內(nèi)切換次數(shù)較采用WIFI大幅度減少，而且LTE技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換，所以大大避免了類似采用WIFI技術(shù)時(shí)列車天線在頻繁切換時(shí)存在數(shù)據(jù)中斷的問(wèn)題，在投資成本方面LTE的投資要比WLAN的投資成本高。

通過(guò)上述車地?zé)o線系統(tǒng)兩種不同的技術(shù)不同的特點(diǎn)，以及我們通過(guò)對(duì)客戶的需求的了解，我們?yōu)楹胶＞€車地?zé)o線項(xiàng)目推薦使用技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的WLAN技術(shù)方案。下面我們將對(duì)航海線WLAN的車地?zé)o線的規(guī)劃做描述。

3、車地?zé)o線WLAN規(guī)劃

3.1正線區(qū)間軌旁AP布點(diǎn)

軌旁AP機(jī)箱掛壁安裝，天線采用支吊架安裝于區(qū)間隧道壁上，天線支架安裝在機(jī)箱兩側(cè)。

3.2車載AP安裝布置

車載AP和天線均安裝在車體內(nèi)部，AP機(jī)身不需要機(jī)箱進(jìn)行防護(hù)，可直接安裝在機(jī)柜中，天線直接在車頭車尾車體內(nèi)部豎桿安裝，天線上下45°范圍內(nèi)不可出現(xiàn)較大金屬物遮擋信號(hào)。

3.3頻率規(guī)劃

5GHz頻段有足夠的頻率資源，采用相互不干擾的兩個(gè)信道進(jìn)行通信。

3.4車地?zé)o線傳輸區(qū)間線纜規(guī)劃

車地?zé)o線傳輸子系統(tǒng)需要覆蓋正線、車輛段和停車場(chǎng)及出入段線范圍內(nèi)。無(wú)線AP與車站交換機(jī)通過(guò)單模光纜采用千兆鏈路相連。

3.5場(chǎng)段車地?zé)o線規(guī)劃

地鐵場(chǎng)段無(wú)線使用環(huán)境屬于高密覆蓋、高容量需求。列車回庫(kù)后，需要上傳監(jiān)控圖像或更新下載控制中心視頻廣告等的片源。

1）軌旁AP布點(diǎn)

在車輛段車頭車尾兩端各部署AP或天線，采用向下傾角方式進(jìn)行安裝，保證軌旁無(wú)線AP能夠覆蓋每列車的車頭和車尾。庫(kù)區(qū)兩端的AP采用單天線架構(gòu)，對(duì)車輛段內(nèi)實(shí)現(xiàn)覆蓋。庫(kù)區(qū)中間的AP采用雙天線，對(duì)兩邊覆蓋。

軌旁天線安裝高度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可進(jìn)行工勘調(diào)整，天線采用傾角向下安裝方式，采用軌旁AP天線進(jìn)行覆蓋。

2）場(chǎng)段內(nèi)AP信道設(shè)置

5GHz頻段有足夠的頻率資源，每相鄰兩個(gè)AP原則上不劃分相同信道，相同頻段盡量遠(yuǎn)離，盡量減少無(wú)線同頻干擾。

3）提供帶寬

基于IEEE802.11ac制式技術(shù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可提供的靜態(tài)帶寬最大為867Mbps（部署可優(yōu)化進(jìn)行限速，保證信號(hào)覆蓋效果和傳輸距離），完全滿足車地?zé)o線高帶寬的要求。

4、結(jié)束語(yǔ)：

在PIS系統(tǒng)中車地?zé)o線是重要的組成部分，車地?zé)o線WLAN技術(shù)目前仍是軌道交通PIS系統(tǒng)主流體系。WLAN技術(shù)目前使用的主要是IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)（WIFI5），隨著更多的應(yīng)用場(chǎng)景部署，傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)效率和緩解信號(hào)干擾能力更強(qiáng)的的新一代定制化IEEE 802.11ax（WIFI6）標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品將會(huì)進(jìn)入我們生活中，我們需繼續(xù)加強(qiáng)無(wú)線傳輸技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，滿足城市軌道交通發(fā)展的多場(chǎng)景應(yīng)用需要。

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