车地无线通信网络在杭海线PIS中的应用

朱涛

摘要：轨道交通无线网络在PIS系统中占据非常重要的地位，其主要作用是在运行中的列车和地面之间建立一条稳定的通讯通道，实现列车与地面之间数据的上传和下载，使列车司机和乘客得到重要的信息帮助和指导，从而提高地铁运营服务的高效管理，给乘客提供更加及時的、全面的信息服务。在5G通讯已经成为国内外研究的热点背景下，我们应加强对轨道交通车地无线的学习和研究，提高地铁的服务质量。本文的目的是并结合航海线车地无线项目WLAN技术的应用，通过对现阶段轨道交通行业中两种常见的车地无线通信技术进行阐述和对比，希望能对想要了解车地无线通信的读者起到参考作用。

关键词：城市轨道;PIS系统;车地无线;LTE;WLAN

引言：

乘客信息系统（简称PIS）主要是通过各种信息屏展示正确、及时的导乘信息，引导乘客便捷地乘坐轨道交通。随着城市人口的增加，生活节奏的加快，乘客越来越重视对行程的精准掌控。PIS系统可通过上车站内各类显示屏发布与乘车相关的资讯，能使乘客快速的了解乘车行程、等待时间、车辆拥挤度等导乘信息，不仅能缓解乘客乘车时的焦虑情绪、提高乘客乘车的满意度，而且还能提高城市轨道交通运营服务的管理水平。

车地无线传输系统服务范围涵盖了控制中心、车站、线路、车辆段/停车场及列车。车地无线传输系统通过电缆、光缆及电磁波等传输媒介为列车与控制中心、车站、车辆段/停车场之间提供音视频和数据传输通道。在正常情况下，车地无线传输系统能为控制中心对线路上正在运营的车辆进行管理、指导、监控视频上传等功能提供通信联络的技术保障，在紧急突发事件情况下，能集中通信资源，在高级别的通信到来时，中断低一级的通信，保证有足够的通信资源应对紧急突发事件的通信需求。车地无线传输系统的服务范围涵盖了控制中心、车站、线路、车辆段/停车场及列车。

1、乘客信息系统

乘客信息系统（简称PIS）是依托计算机网络传输技术，将计算机网络传输技术与轨道交通业务需求高度结合。在地铁车站、运行线路、列车内构建一个高信息传输效率、低延时的传输网络，通过信息展示屏向乘客提供导乘提示信息的系统。在大力发展智慧交通的背景下，无人驾驶的列车增多，乘客信息系统就要提供更加全面的、智慧的导乘信息，尤其是在紧急突发情况下，提供紧急疏散线路提示和指引，保障乘客乘车安全。

1.1 车载移动带宽需求

车地无线网络为乘客信息系统提供的是地面与车载之间的无线传输通道，它将控制中心发布的实时数据通过车地无线网络推送到列车终端，并且同时将列车视频上载至地面控制中心的监视工作站，车地无线传输系统是乘客信息系统重要的组成部分。假设地铁车辆按6节编组计算，每司机室各设2台全景摄像机，每客室设4台半球摄像机，每摄像机上传需2M码流，则全列车28路图像需要的带宽为：28×2Mbps=56Mbps，在列车运行过程中，每列车通过车地无线传输网络可接收由控制中心下发的2路视频信号，每路视频信号占用通信资源16Mbps，所需的带宽资源为32Mbps。列车在行驶过程中所需总带宽为88Mbps。随着全自动无人驾驶技术的逐步普及，大数据、AI等高科技技术的应用，以及反恐安保的需求，都需要更多的移动带宽的支持，目前总体的业务需求在200-300Mbps可以满足地铁通讯需求。

2、车地无线系统

现阶段车地无线传输技术主要为WIFI和LTE技术，无线局域网WIFI是由IEEE802.11工作组规定的无线通信系统，目前的主要技术标准是802.11ac;LTE技术是3G的演进，它采用正交频分复用技术OFMA及多信道输入输出技术MIMO技术，可提供VoIP及IMS等高速率数据传输服务。

2.1 LTE

LTE技术主要在于借助多载波正交调制技术即正交频分复用技术（OFDM）、多天线输入输出技术（MIMO）和链路自适应技术，从而提高无线网络通信质量和提网络通信速度及资源的利用率。LTE是由3GPP组织制定的全球通用标准，包括FDD和TDD两种模式，两种模式都是长期演进技术，区别在于前者是分频模式后者是时分双工技术，两者只存在较小的差异。TD-LTE（Time Division Long Term Evolution）在我国划分了4个频段，峰值速率在20MHz带宽内下行峰值速率为100Mbps，上行峰值速率为50Mbps。TD-LTE采用时间来分离接收和发送信道，接受和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载，其单方向的资源在时间上是不连续的，时间资源在两个方向上进行分配，可以比较好地适应地铁PIS车地间的非对称业务需求。

LTE技术方案通常在车站通讯机房内部署室内基带处理单元（BBU），在行轨旁部署射频拉远模块（RRU）的方式实现车地无线信号的全覆盖，但是信号在隧道中传播的结果不理想，这时需要采用漏缆的方式传输信号，在地面和高架线路上使用天线安装的方式进行，因为RRU信号强度可以覆盖1200m的范围，也正是这个特性，所以LTE轨旁安装的有源设备要少，行驶中的列车信号切换的次数也少，从而减少了丢包率，提高了信号的稳定性。由于TD-LTE采用的是时分双工技术，对时钟的精度要求非常高，需要在沿线车站建立时钟系统从时钟源获取时钟，运营时需工作人员定期进行设备维护，由此可见，TD-LTE方案的建设成本和维护成本相对较高。

2.2 WLAN

在乘客信息系统中WLAN技术是地面与车载通讯中应用最为广泛的一项技术。WLAN使用的频段范围主要在2.4G和5G频段，2.4G可用信道资源少，干扰较为严重，不能满足当前轨道交通PIS应用。5GHz信道可用资源多，共计13个可用信道，通过5GHz频带提供高通量的无线局域网，理论上能够提供1.3Gbps无线通信传输速率，实际传输率可在300Mbps～400Mbps之间，802.11ac是802.11n实际传输率的3倍，可以在一条信道上并发多路高清流媒体。作为 IEEE 无线技术的第五代标准，802.11ac是802.11n的延续，它沿用了802.11n的多进多出的技术，除了提供1.3Gbps信道传输速率，在建设成本上与802.11n也相差不大。

现阶段轨道交通行业通信系统WLAN车地无线主要应用在PIS系统，车头车尾部署车地无线AP设备，轨旁间隔150米（直线段）部署轨旁AP设备，与车载AP设备使用车地无线链路软切换技术建立无线连接，保障车地无线网络的稳定性。

2.3 WLAN和LTE对比

下面主要对车地无线系统两种主要的技术IEEE802.11ac和LTE进行比较。

从上表可以得出，802.11ac采用的5GHz频段能较好避开民用设备频率干扰，并提供更多的频率资源。LTE技术安全性高，抗干扰能力强，终端灵敏度高，区间内轨旁设备较少，降低了运营维护成本和维修难度。列车天线在区间内切换次数较采用WIFI大幅度减少，而且LTE技术实现无缝切换，所以大大避免了类似采用WIFI技术时列车天线在频繁切换时存在数据中断的问题，在投资成本方面LTE的投资要比WLAN的投资成本高。

通过上述车地无线系统两种不同的技术不同的特点，以及我们通过对客户的需求的了解，我们为航海线车地无线项目推荐使用技术最为成熟、应用最为广泛的WLAN技术方案。下面我们将对航海线WLAN的车地无线的规划做描述。

3、车地无线WLAN规划

3.1正线区间轨旁AP布点

轨旁AP机箱挂壁安装，天线采用支吊架安装于区间隧道壁上，天线支架安装在机箱两侧。

3.2车载AP安装布置

车载AP和天线均安装在车体内部，AP机身不需要机箱进行防护，可直接安装在机柜中，天线直接在车头车尾车体内部竖杆安装，天线上下45°范围内不可出现较大金属物遮挡信号。

3.3频率规划

5GHz频段有足够的频率资源，采用相互不干扰的两个信道进行通信。

3.4车地无线传输区间线缆规划

车地无线传输子系统需要覆盖正线、车辆段和停车场及出入段线范围内。无线AP与车站交换机通过单模光缆采用千兆链路相连。

3.5场段车地无线规划

地铁场段无线使用环境属于高密覆盖、高容量需求。列车回库后，需要上传监控图像或更新下载控制中心视频广告等的片源。

1）轨旁AP布点

在车辆段车头车尾两端各部署AP或天线，采用向下倾角方式进行安装，保证轨旁无线AP能够覆盖每列车的车头和车尾。库区两端的AP采用单天线架构，对车辆段内实现覆盖。库区中间的AP采用双天线，对两边覆盖。

轨旁天线安装高度根据现场实际情况可进行工勘调整，天线采用倾角向下安装方式，采用轨旁AP天线进行覆盖。

2）场段内AP信道设置

5GHz频段有足够的频率资源，每相邻两个AP原则上不划分相同信道，相同频段尽量遠离，尽量减少无线同频干扰。

3）提供带宽

基于IEEE802.11ac制式技术无线网络可提供的静态带宽最大为867Mbps（部署可优化进行限速，保证信号覆盖效果和传输距离），完全满足车地无线高带宽的要求。

4、结束语：

在PIS系统中车地无线是重要的组成部分，车地无线WLAN技术目前仍是轨道交通PIS系统主流体系。WLAN技术目前使用的主要是IEEE 802.11ac标准（WIFI5），随着更多的应用场景部署，传输速率、网络效率和缓解信号干扰能力更强的的新一代定制化IEEE 802.11ax（WIFI6）标准的产品将会进入我们生活中，我们需继续加强无线传输技术的研究和开发，满足城市轨道交通发展的多场景应用需要。

参考文献

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[3]张红兵.计算机网络技术在数字视频监控系统中的应用.建筑工程技术与设计.2014-06-10

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