地铁PIS系统车地无线通信应用分析

主页（http://www.pttcn.net）：地铁PIS系统车地无线通信应用分析

　　一、前言

　　地铁PIS系统，即地铁乘客资讯系统，在地铁日常运营中主要为乘客提供列车时间、政府公告、出行参考、股票、广告等实时多媒体信息;在火灾及阻塞、恐怖袭击等紧急情况下，提供动态紧急疏散指示。PIS系统主要由中心子系统、节目制作子系统、车站子系统、车载子系统、车地无线网络子系统以及骨干传输网六个部分组成。其中，车地无线网络为列车与车站间的通信提供无线传输链路，骨干传输网则作为地铁车站与控制中心之间的有线传输通道。

　　二、车地无线网络组网技术

　　早期，国内许多地铁车地间的视频传输是采用准实时方式，即在列车进站、折返或者回段时将视频信号下发到列车服务器内，列车在正线上运行时播放给乘客观看。这种方式工程实现简单，但技术含量低，灵活性和实时性也比较差，也无法实现列车客室监控视频实时上传。深圳地铁从一期工程开始就采用在地铁沿线布设AP(轨旁接入设备)组建车地无线网络，实现车地间的实时通信。

　　车地无线网络建立了列车与邻近车站间的通信链路可采用漏缆或AP等进行组网覆盖，本文只讲述基于AP方式下的车地无线网络。通过在轨旁设置工业无线AP，每个AP点相距150-200m，根据隧道环境条件等因素而定。 AP通过射频电缆连接定向天线，在隧道内提供比较均匀的无线信号覆盖。定向天线一般架设在隧道壁3.5m左右高的位置。轨旁接入设备采用IP65等级箱体防护，为系统稳定运行提供可靠保证。

　　在每个AP点设置一台工业以太网交换机与车站无线交换机组网，采用单根光缆将车站一侧上下行区间内的AP无线交换机组成一个工业光环网，为该区间上下行隧道AP提供独立、稳定、可靠、冗余的传输网络，光环网其中一台交换机设在车站机房内，通过这台交换机采用100M Ethernet链路连接至该车站的骨干交换机，通过骨干传输网络与控制中心(OCC)子系统通信。(AP组网方式有很多种，在此不一一阐述)

　　OCC的服务器群同样接入骨干传输网络，主要是视频资源服务器、无线服务器、网管服务器和安全服务器等。其中，网管服务器为全网的AP/Client提供实时管理、控制与维护，安全服务器为无线网络提供加密、授权、认证、非法(Rogue)AP识别及屏蔽。

　　列车部分则是在两端司机室各安装1套车载无线终端，通过无线链路与轨旁AP进行通信，接收视频和文本信息，上传列车CCTV图像信息。

　　三、信号覆盖与切换机制

　　信号覆盖是工程重点难点。在现场踏勘的数据基础上，根据沿线区间的弯度和坡度等数据，用来调整每个AP布设位置和间距。经过反复地测试调试，使得地铁沿线获得均匀良好的场强覆盖。

　　地铁隧道是一个近似圆形的洞，直径4-6m，有弯道拐角，有上坡下坡。采用普通单点天线，难以获得好的覆盖效果，因此在AP布设时通过调整布设间距，安装定向天线，限定覆盖范围。如图2所示，定向天线的安装朝向与列车的行进方向相对，每相邻两个无线AP均有信号冗余重叠覆盖。

　　车地无线网络采用802.11g协议，工作在2.4G频段。802.11g提供3个非重叠信道，即信道1、信道6和信道11：

　　工程建设时，如果地铁没有其它系统工作在2.4G频段，应把三个频点按顺序循环配置，即ABCABC的方式循环，每个频点相隔25MHz，以避免相邻两个AP之间的无线信号发生同频干扰，减少AP扫描次数，从而提高无线系统整体性能。如果地铁信号系统采用移动闭塞CBTC(基于通信的列车控制)，而CBTC也工作在2.4G频段，则把信道6配给PIS，将信道1和信道11让给CBTC，以确保列车的运行安全(例如深圳地铁5号线)。

　　列车高速行驶过程中快速切换是车地无线应用的技术难题，关键是普通的AP切换时间无法满足高速地铁列车的应用需求。

　　当列车行驶速度达到80km/h(约22m/s)，隧道AP的有效覆盖范围在200m左右，车载AP从进入覆盖区到离开覆盖区大约需要9s，部分区间AP间隔只有150m左右。普通AP切换时间约需要2s，大约有2/9的时间都用于切换，对于无线通信链路的稳定影响很大。为了缩短AP切换时间，车地无线网络使用快速漫游切换技术，对AP的切换过程进行了许多优化，使列车在高速运行时AP切换的时间在50ms以内，有效地提高了车地无线通信链路的稳定性。

　　四、业务流量与带宽分析

　　列车的车载控制器通过车载AP接收来自控制中心的视频信息、播表信息等等，也通过车载AP上传列车客室视频信息。每列车接收1路数字视频信息，如新运营信息、安防、紧急救灾、公益广告和新闻等，视频编码主要采用MPEG Ⅱ格式，每路占用带宽约(4-6)Mbps。正常运营情况下，每列车同时上传2路列车监视图像至控制中心，视频压缩、传输和存储编码采用H.264格式，每路占用带宽2Mbps。PIS文本信息和控制信息占用带宽约1 Mbps，因此车地传输数据流量约(9-11) Mbps。

　　目前，国内多采用802.11g协议标准，在2.4GHz频段使用正交频分复用(OFDM)调制技术，最大传输速率54Mbps，传输层可用带宽约25Mbps。但是，要达到这个理论值非常困难，因为列车在复杂的区间环境里面高速移动，有效可用带宽会受信号强度、环境等因素的影响。因此，这也是工程实施的难点和重点所在，必须通过反复调试，保证有效可用带宽不低于15Mbps，以满足车地通信的传输需求。

　　五、技术展望(发展探讨)

　　地铁PIS和CBTC系统都采用2.4GHz频段，由于这个频段是免费开放频段，将来运营商的WiFi很有可能将会覆盖到地铁车站里面，因此地铁采用2.4GHz频段的安全性便受到质疑。消除这个质疑的根本办法，是为地铁设置2.4GHz以外的免费专用频段。

　　另一方面，802.11g在快速地铁线路上应用也存在问题，快速地铁线路列车最高时速可达到120km/h，在这个速度下802.11g难以提供稳定带宽和保障通信质量。为解决这个问题，可采用功能强大的802.11n技术，其平台速度与802.11g相比有非常大的优势，业务承载能力大大提高，对高清音视频等多媒体应用可提供更多的信道容量。此外，E 802.16系列WiMax城域网技术和4G网络长期演进(LTE)技术，都能够为高速移动下的用户提供更高的传输速率。这些新技术，都应该是车地无线通信发展的关注点。与其说是产业发展推动车地无线通信技术发展，不如说是地铁日益增长的业务需求带来了它对新技术应用的迫切需求。

　　六、结束语

　　地铁PIS系统车地无线网络多是采用2.4GHz频段，由于这个频段是免费开放频段，将来运营商的WiFi很有可能将会覆盖到地铁车站里面，因此有人对它的安全性提出了质疑。802.11g在快速地铁线路上应用也存在问题，快速地铁线路列车最高时速可达到120km/h，在这个速度下802.11g难以提供稳定带宽和保障通信质量。

　　随着无线产业的迅猛发展，越来越多的产品开始采用功能强大的802.11n技术，其平台速度与802.11g相比有非常大的优势，业务承载能力大大提高，对高清音视频等多媒体应用可提供更多的信道容量。IEEE 802.16系列WiMax城域网技术、4G网络长期演进(LTE)技术都能够为高速移动下的用户提供更高的传输速率，这些新技术都应该是车地无线通信发展的关注点。与其说是产业发展推动车地无线通信技术发展不如说是地铁日益增长的业务需求带来了它对新技术应用的迫切需求。