城市轨道交通中无线局域网的应用

深圳市地铁集团有限公司运营总部　彭耿林



城市轨道交通中无线局域网的应用

深圳市地铁集团有限公司运营总部彭耿林

本文首先简要介绍了无线局域网和地铁交通系统的组成，在此基础上又主要分析了无线局域网在地铁行业应用中所存在的问题，并提出了相应的解决策略。

无线局域网；地铁行业；应用

随着社会的进步，我国的轨道交通也在迅速发展。近年来，虽然无线局域网在轨道交通中的应用越来越普遍，但是在应用中也难免存在一些问题。为了让无线局域网更好的服务于地铁行业，有必要妥善解决这些问题。

1　无线局域网的简介

无线局域网就是人们熟知的WLAN，是继有线网之后发展起来的。它主要以无线信道为传输媒介，由于无线局域网具有可移动性、方便性等特点，因此它有效的弥补了有线网的不足。近年来随着信息技术的飞速发展，无线局域网络也在迅速发展。

1.1无线局域网的特点

无线局域网主要以无线方式相连接，不但能使计算机彼此之间的资源可以共享，还可以支持各种服务功能。其特点具体如下：①因为不需要连接线，因此无线局域网可以随意移动，不受接线点位置的限制；②和有限网相比，它的数据传输速率很高，高于1Mbps；③由于其具有很强的抗干扰性，因此它很少发生误码率；④无线局域网的保密性很强，用户在进行数据提取时不用担心数据泄露；⑤可靠性很高，不用担心数据在传输的过程中出现丢包现象；⑥由于具有良好的兼容性并遵从IEEE802.3以太网协议，因此无线局域网可以和现阶段的几种主流网操作系统完全兼容。只要用户拥有某个网络软件，在不用做任何修改的情况下就可以在无线局域网上应用；⑦和有线网相比，无线局域网不仅具有安装速度快的优点，还具有安装工作简单的优点。

1.2无线局域网的国际标准

和其他信息系统不同的是乘客信息系统接收信息的客户端不断移动。因此，在列车行驶中为了保证数据的准确性和安全性，选择合适的高质量、高速度、低延迟的无线传播技术至关重要。下面主要简要介绍无线局域网的802.11系列标准。

（1）802.11a。 IEEE802.11a主要在5GHZ的频段上工作。它的调制技术为OFDM，其传输速率为54Mbps。802.11a和802.11b各有利弊，而且它们的适用范围也存在一定的差别。和802.11a相比，802.11b的价格相对低廉，但是它的传输速率也低，最高速度只能在11 Mbps。虽然802.11a的价格偏高，但是它的传输速率也快，而且受到的干扰也很小。由于它们不在同一个频段上，因此在工作中互不兼容。

（2）802.11b。 IEEE802.11b的标准是在IEEE802.11标准的基础上扩展得到的。它的传输速度最高可达11 Mbps，在2.4 GHz的ISM频段上工作，其调制技术为CCK。随着客户的逐渐增多，CCK模式已经不能满足用户的要求。虽然就直接扩频技术来说，要想实现高数据率可以选择较高的代码片，但是这也是一件很困难的事情。因为要想使RAKE接收更高速率的数据，其结构一定会变得更加复杂，这在硬件上是很难实现的。

（3）802.11g 和802.11n。和IEEE802.11协议标准相比，IEEE802.11g具有一个很重要的特点：由于它使用的是OFDM调制技术，因此它可以和IEEE802.11b系统互相联通，从而具有良好的兼容性。在802.11n中采用了智能天线技术。波束在天线阵列的动态调整下，可将无线信号准确的传送给用户，从而有效的减少了干扰。此外，由于802.11n可形成较大的WLAN，因此其可移动性显著提高。表1是802.11n技术和其他技术的对比。

表1　无线局域网的工作信道对比

由表1中可以看出802.11n选用的是MIMO天线，因此具有如下优点。和普通天线相比，MIMO天线可在同一时间内同时接收或发送多个数据流，这使802.11n的带宽显著提高了。如图所示为802.11n中MIMO技术的改进。

图1　802.11n技术的改进

2　现代城市地铁交通信息系统

现阶段，城市的交通系统非常复杂。笔者主要讨论地铁交通系统中需要车地之间数据通信的子系统，在此基础上又介绍了无线局域网络在地铁交通系统应用中所存在的问题以及具体的解决措施。

2.1旅客信息系统

在一个城市中旅客信息系统不仅是交通系统的重要标志，还是以人为本运营理念的主要体现。在网络技术以及多媒体技术的支持下，它可以给乘客提供各种服务信息。在指定的时间内，旅客信息系统可以将指定消息显示给人群。此外，监视器还可以将车厢内的乘车情况以视频的方式传送到地面上，从而实现了地铁安全、高效运营的目标。具体来说，旅客信息系统是由五部分组成的，它们分别是：①信息制作系统；②中央控制系统；③车载子系统；④车站子系统；⑤数据网络系统。

在系统中，车载子系统与其他部分的实时传送数据通道必须由无线通信子系统来提供。车载子系统主要包括三个部分，分别是：①车载播放器；②车载控制器、显示设备；③其他可选设备。首先在车地无线网络的帮助下，系统接收到编播中心发布的信息，其次车载播放控制器将信息解码，最后该消息在本列车的所有显示屏上进行实时播放。与此同时，车地无线网络还会将车上的视频监控图像传送到地铁公安分局以及编播中心。图2为车载设备图。它的主要职责就是接收编播中心发布的信息内容，并将其转发给车载显示设备。

图2　车载子系统

2.2列车控制系统

列车控制系统主要包括三个子系统，分别是：①列车自动保护子系统；②列车自动操作子系统；③列车自动监控子系统。列车自动保护子系统的主要作用是控制运行中列车具有一个安全的前后行车间距。列车自动操作子系统的主要作用是在自动控制程序的协助下使列车自动驾驶。而列车自动监控子系统的作用是整体监控、调度运营列车。具体来说，ATC、控制中心、车载ATC单元和轨旁ATC单元共同组成了列车自动操作系统。虽然相应的无线通讯子系统使车载ATC单元和轨旁ATC单元之间的数据传输得以实现，但是还要解决车载单元与轨旁单元在移动中所存在的通讯问题以及车载单元在不同位置与不同轨旁单元 之间所存在的通讯问题。

2.3无线局域网在地铁交通系统应用中的干扰分析

现阶段，无线局域网在地铁交通系统中所存在的主要问题就是信号干扰问题。根据干扰类型可分为WLAN干扰和非WLAN干扰。WLAN干扰主要是指干扰源所发射的信号也恰好符合802.11标准，因此对无线局域网所发射的信号产生了干扰。从频率范围这个角度来说，可分为相同频率干扰、相邻频率干扰，从来源这个角度来说可分为网络内部相互干扰、外部干扰。

（1）WLAN网络自身的同频干扰。这种干扰主要是指在相同频率范围，设备之间所产生的干扰。在同一个高密度网络部署中，因为无线网的工作频率范围很窄，频段也很有限，因此当一个信道部署多个AP时，由于它们之间有重叠的区间，因此会产生干扰。

（2）邻频干扰。这种干扰的产生主要是因为信号衰减需要有一个过渡时间，因此不同频率信道的信号在完全消失前就会产生干扰。从802.11标准得知，2.4G发射频宽为22MHz，而且其在11MHZ之外的衰减信号就大于20dB。由前面介绍得知：信号衰减需要一个过程，因此会产生邻频干扰。

（3）网络外部干扰。网络外部干扰主要来自于微波炉以及无线游戏控制器等其他设备的广泛使用。一旦存在干扰源较多或者干扰距离很近的情况，WLAN的正常通信就会受到影响。

2.4针对WLAN网络干扰问题所提出的解决措施

针对不同的干扰所提出的解决方案也各不相同。具体解决措施如下：

（1）电磁干扰的解决方案。针对此种干扰采取以下几种措施。①轨旁天线的选择：在隧道里选择定向高增益天线，并保证其水平/垂直波瓣宽为27°，天线前后比大于18dB。这样在高指向性的帮助下，就能解决周边环境所带来的电磁干扰；②在轨旁安装AP:将其安装在室外屏蔽箱内。屏蔽箱能有效阻止高压动力电缆带来的干扰；③车载天线的屏蔽：为了有效防止电磁带来的干扰，可以在驾驶室内的定向天线后面安装金属屏蔽罩。

（2）信号系统干扰的解决方案。众所周知，无线电波是一个看不见、摸不着的东西。因此它的强度以及所在信道的调节都是依赖于经验手工进行调整的。抗电磁干扰的措施主要有车载天线屏蔽、天线选择以及AP安装等，还要注意均匀分布无线信号。从IEEE802.11b/g的标准得知：2.4G频段要分为13个信道，由于频段较窄，因此在信道划分时难免存在重叠现象。通过调查得知最多只有3个信道不重叠。经测试以及实践考察，当使用1、6信道，PIS系统使用11时不会产生影响。

（3）邻频干扰的解决方案。为了解决邻频干扰可从以下两方面着手：①对网络部署进行勘测和优化。在部署网络时既需要考察勘测部署环境、阻挡物的衰减系数，还需要规划AP覆盖范围、AP安装位置以及选择合适的发射天线。所以没有良好的网络部署，很难保证网络性能达到最佳；②频谱分析。分析目前的信号频率、信道使用情况和干扰信号的来源，以便制定出一个合理的频率分配方案。

3　总结

本文简要的介绍了无线局域网络，在此基础上主要介绍了地铁交通系统的组成以及无线局域网络在地铁交通系统应用中所存在的问题以及解决方案。相信随着信息技术的不断发展，802.11系列标准将会越来越完善，从而更好的服务于地铁统系统。

［1］甘玉玺，肖健华，金志虎等.轨道交通车地无线通信技术研讨［J］.城市轨道交通研究，2014，17（1）:103-106.

［2］蔡昌俊.城市轨道交通CBTC系统无线同频干扰应对策略［J］.铁道通信信号，2013，49（7）:74-76.