主頁（http://www.130131.com）：地鐵PIS系統(tǒng)車地?zé)o線通信應(yīng)用分析

　　一、前言

　　地鐵PIS系統(tǒng)，即地鐵乘客資訊系統(tǒng)，在地鐵日常運(yùn)營中主要為乘客提供列車時間、政府公告、出行參考、股票、廣告等實(shí)時多媒體信息;在火災(zāi)及阻塞、恐怖襲擊等緊急情況下，提供動態(tài)緊急疏散指示。PIS系統(tǒng)主要由中心子系統(tǒng)、節(jié)目制作子系統(tǒng)、車站子系統(tǒng)、車載子系統(tǒng)、車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)以及骨干傳輸網(wǎng)六個部分組成。其中，車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)為列車與車站間的通信提供無線傳輸鏈路，骨干傳輸網(wǎng)則作為地鐵車站與控制中心之間的有線傳輸通道。

　　二、車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)

　　早期，國內(nèi)許多地鐵車地間的視頻傳輸是采用準(zhǔn)實(shí)時方式，即在列車進(jìn)站、折返或者回段時將視頻信號下發(fā)到列車服務(wù)器內(nèi)，列車在正線上運(yùn)行時播放給乘客觀看。這種方式工程實(shí)現(xiàn)簡單，但技術(shù)含量低，靈活性和實(shí)時性也比較差，也無法實(shí)現(xiàn)列車客室監(jiān)控視頻實(shí)時上傳。深圳地鐵從一期工程開始就采用在地鐵沿線布設(shè)AP(軌旁接入設(shè)備)組建車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)車地間的實(shí)時通信。

　　車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)建立了列車與鄰近車站間的通信鏈路可采用漏纜或AP等進(jìn)行組網(wǎng)覆蓋，本文只講述基于AP方式下的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)。通過在軌旁設(shè)置工業(yè)無線AP，每個AP點(diǎn)相距150-200m，根據(jù)隧道環(huán)境條件等因素而定。 AP通過射頻電纜連接定向天線，在隧道內(nèi)提供比較均勻的無線信號覆蓋。定向天線一般架設(shè)在隧道壁3.5m左右高的位置。軌旁接入設(shè)備采用IP65等級箱體防護(hù)，為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠保證。

　　在每個AP點(diǎn)設(shè)置一臺工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)與車站無線交換機(jī)組網(wǎng)，采用單根光纜將車站一側(cè)上下行區(qū)間內(nèi)的AP無線交換機(jī)組成一個工業(yè)光環(huán)網(wǎng)，為該區(qū)間上下行隧道AP提供獨(dú)立、穩(wěn)定、可靠、冗余的傳輸網(wǎng)絡(luò)，光環(huán)網(wǎng)其中一臺交換機(jī)設(shè)在車站機(jī)房內(nèi)，通過這臺交換機(jī)采用100M Ethernet鏈路連接至該車站的骨干交換機(jī)，通過骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)與控制中心(OCC)子系統(tǒng)通信。(AP組網(wǎng)方式有很多種，在此不一一闡述)

　　OCC的服務(wù)器群同樣接入骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)，主要是視頻資源服務(wù)器、無線服務(wù)器、網(wǎng)管服務(wù)器和安全服務(wù)器等。其中，網(wǎng)管服務(wù)器為全網(wǎng)的AP/Client提供實(shí)時管理、控制與維護(hù)，安全服務(wù)器為無線網(wǎng)絡(luò)提供加密、授權(quán)、認(rèn)證、非法(Rogue)AP識別及屏蔽。

　　列車部分則是在兩端司機(jī)室各安裝1套車載無線終端，通過無線鏈路與軌旁AP進(jìn)行通信，接收視頻和文本信息，上傳列車CCTV圖像信息。

　　三、信號覆蓋與切換機(jī)制

　　信號覆蓋是工程重點(diǎn)難點(diǎn)。在現(xiàn)場踏勘的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，根據(jù)沿線區(qū)間的彎度和坡度等數(shù)據(jù)，用來調(diào)整每個AP布設(shè)位置和間距。經(jīng)過反復(fù)地測試調(diào)試，使得地鐵沿線獲得均勻良好的場強(qiáng)覆蓋。

　　地鐵隧道是一個近似圓形的洞，直徑4-6m，有彎道拐角，有上坡下坡。采用普通單點(diǎn)天線，難以獲得好的覆蓋效果，因此在AP布設(shè)時通過調(diào)整布設(shè)間距，安裝定向天線，限定覆蓋范圍。如圖2所示，定向天線的安裝朝向與列車的行進(jìn)方向相對，每相鄰兩個無線AP均有信號冗余重疊覆蓋。

　　車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)采用802.11g協(xié)議，工作在2.4G頻段。802.11g提供3個非重疊信道，即信道1、信道6和信道11：

　　工程建設(shè)時，如果地鐵沒有其它系統(tǒng)工作在2.4G頻段，應(yīng)把三個頻點(diǎn)按順序循環(huán)配置，即ABCABC的方式循環(huán)，每個頻點(diǎn)相隔25MHz，以避免相鄰兩個AP之間的無線信號發(fā)生同頻干擾，減少AP掃描次數(shù)，從而提高無線系統(tǒng)整體性能。如果地鐵信號系統(tǒng)采用移動閉塞CBTC(基于通信的列車控制)，而CBTC也工作在2.4G頻段，則把信道6配給PIS，將信道1和信道11讓給CBTC，以確保列車的運(yùn)行安全(例如深圳地鐵5號線)。

　　列車高速行駛過程中快速切換是車地?zé)o線應(yīng)用的技術(shù)難題，關(guān)鍵是普通的AP切換時間無法滿足高速地鐵列車的應(yīng)用需求。

　　當(dāng)列車行駛速度達(dá)到80km/h(約22m/s)，隧道AP的有效覆蓋范圍在200m左右，車載AP從進(jìn)入覆蓋區(qū)到離開覆蓋區(qū)大約需要9s，部分區(qū)間AP間隔只有150m左右。普通AP切換時間約需要2s，大約有2/9的時間都用于切換，對于無線通信鏈路的穩(wěn)定影響很大。為了縮短AP切換時間，車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)使用快速漫游切換技術(shù)，對AP的切換過程進(jìn)行了許多優(yōu)化，使列車在高速運(yùn)行時AP切換的時間在50ms以內(nèi)，有效地提高了車地?zé)o線通信鏈路的穩(wěn)定性。

　　四、業(yè)務(wù)流量與帶寬分析

　　列車的車載控制器通過車載AP接收來自控制中心的視頻信息、播表信息等等，也通過車載AP上傳列車客室視頻信息。每列車接收1路數(shù)字視頻信息，如新運(yùn)營信息、安防、緊急救災(zāi)、公益廣告和新聞等，視頻編碼主要采用MPEG Ⅱ格式，每路占用帶寬約(4-6)Mbps。正常運(yùn)營情況下，每列車同時上傳2路列車監(jiān)視圖像至控制中心，視頻壓縮、傳輸和存儲編碼采用H.264格式，每路占用帶寬2Mbps。PIS文本信息和控制信息占用帶寬約1 Mbps，因此車地傳輸數(shù)據(jù)流量約(9-11) Mbps。

　　目前，國內(nèi)多采用802.11g協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在2.4GHz頻段使用正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制技術(shù)，最大傳輸速率54Mbps，傳輸層可用帶寬約25Mbps。但是，要達(dá)到這個理論值非常困難，因?yàn)榱熊囋趶?fù)雜的區(qū)間環(huán)境里面高速移動，有效可用帶寬會受信號強(qiáng)度、環(huán)境等因素的影響。因此，這也是工程實(shí)施的難點(diǎn)和重點(diǎn)所在，必須通過反復(fù)調(diào)試，保證有效可用帶寬不低于15Mbps，以滿足車地通信的傳輸需求。

　　五、技術(shù)展望(發(fā)展探討)

　　地鐵PIS和CBTC系統(tǒng)都采用2.4GHz頻段，由于這個頻段是免費(fèi)開放頻段，將來運(yùn)營商的WiFi很有可能將會覆蓋到地鐵車站里面，因此地鐵采用2.4GHz頻段的安全性便受到質(zhì)疑。消除這個質(zhì)疑的根本辦法，是為地鐵設(shè)置2.4GHz以外的免費(fèi)專用頻段。

　　另一方面，802.11g在快速地鐵線路上應(yīng)用也存在問題，快速地鐵線路列車最高時速可達(dá)到120km/h，在這個速度下802.11g難以提供穩(wěn)定帶寬和保障通信質(zhì)量。為解決這個問題，可采用功能強(qiáng)大的802.11n技術(shù)，其平臺速度與802.11g相比有非常大的優(yōu)勢，業(yè)務(wù)承載能力大大提高，對高清音視頻等多媒體應(yīng)用可提供更多的信道容量。此外，E 802.16系列WiMax城域網(wǎng)技術(shù)和4G網(wǎng)絡(luò)長期演進(jìn)(LTE)技術(shù)，都能夠?yàn)楦咚僖苿酉碌挠脩籼峁└�高的傳輸速率。這些新技術(shù)，都應(yīng)該是車地?zé)o線通信發(fā)展的關(guān)注點(diǎn)。與其說是產(chǎn)業(yè)發(fā)展推動車地?zé)o線通信技術(shù)發(fā)展，不如說是地鐵日益增長的業(yè)務(wù)需求帶來了它對新技術(shù)應(yīng)用的迫切需求。

　　六、結(jié)束語

　　地鐵PIS系統(tǒng)車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)多是采用2.4GHz頻段，由于這個頻段是免費(fèi)開放頻段，將來運(yùn)營商的WiFi很有可能將會覆蓋到地鐵車站里面，因此有人對它的安全性提出了質(zhì)疑。802.11g在快速地鐵線路上應(yīng)用也存在問題，快速地鐵線路列車最高時速可達(dá)到120km/h，在這個速度下802.11g難以提供穩(wěn)定帶寬和保障通信質(zhì)量。

　　隨著無線產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，越來越多的產(chǎn)品開始采用功能強(qiáng)大的802.11n技術(shù)，其平臺速度與802.11g相比有非常大的優(yōu)勢，業(yè)務(wù)承載能力大大提高，對高清音視頻等多媒體應(yīng)用可提供更多的信道容量。IEEE 802.16系列WiMax城域網(wǎng)技術(shù)、4G網(wǎng)絡(luò)長期演進(jìn)(LTE)技術(shù)都能夠?yàn)楦咚僖苿酉碌挠脩籼峁└�高的傳輸速率，這些新技術(shù)都應(yīng)該是車地?zé)o線通信發(fā)展的關(guān)注點(diǎn)。與其說是產(chǎn)業(yè)發(fā)展推動車地?zé)o線通信技術(shù)發(fā)展不如說是地鐵日益增長的業(yè)務(wù)需求帶來了它對新技術(shù)應(yīng)用的迫切需求。