无线局域网技术在地铁乘客信息显示系统的应用

钟 飞

(广州市地下铁道总公司 广州 510380)

无线局域网技术在地铁乘客信息显示系统的应用

钟 飞

(广州市地下铁道总公司 广州 510380)

介绍IEEE 802.11无线局域网(WLAN)的基本原理及特点，分析城市轨道交通行业乘客信息显示系统发展的趋势，阐述乘客信息显示系统的移动宽带传输子系统的设计理念(包括覆盖设计、无线接入点切换、网络带宽、覆盖冗余实施措施、应用的标准和措施、设备防护、系统网管、数据安全入侵检测、覆盖范围限定、干扰及防干扰等方面)、系统结构、链路结构;结合这些分析成果，阐述WLAN技术在城市轨道交通乘客信息显示系统中应用的适用性。

地铁;乘客信息显示系统;无线局域网;移动宽带传输网;IEEE 802.11g标准

地铁乘客信息显示系统(passenger information display system，PIDS)是为乘客提供各种出行信息(如乘客行车、地铁公益广告、安防反恐、运营紧急救灾、天气预报、新闻、交通信息等)及实现列车视频监控的重要设施，是提高地铁运营管理及经营开发水平、扩大对乘客服务范围的有效工具。

在当今城市轨道交通行业中，高速运行的地铁列车与地面控制中心实时地进行大流量数据通信尤显重要，已成为乘客信息显示系统发展的必然趋势。随着无线局域网(WLAN)技术的应用日渐广泛，用户对数据传输速率的要求越来越高。IEEE 802.11 WLAN作为一种能支持较高数据传输速率的技术，在2.4 GHz频段使用正交频分复用(OFDM)调制技术，使数据传输速率提高到20 Mbit/s以上，因此被应用到城市轨道交通领域的PIDS系统。PIDS系统通过在轨旁设置移动宽带传输网设备和天线，在分控中心设置移动宽带传输网的网络管理设备和服务器(网络交换机与传输网络合用)，管理和控制本线移动宽带传输网的工作;在区间设置无线网络的小型交换机(简称“无线AP”)及天线，以便在全线范围内实时、无缝地完成车地间的图像和数据传递。

1 移动宽带传输网设计理念

1.1 覆盖设计

根据移动宽带传输网的无线AP及其天线的性能及现场的情况，合理地选择AP的位置，以保证移动宽带传输网的信号场强能够在全线无缝覆盖。根据理论的计算和工程经验，对于高架和地面段，大约间隔300 m铺设1组AP设备;对于直隧道段，大约间隔300 m铺设1组AP设备;对于弯曲的隧道段，大约间隔50～150 m铺设1组AP设备;平均铺设间隔约为200 m。

1.2 AP切换

移动宽带传输网系统设计时充分考虑到了列车在高速情况下的切换问题(车速为90 km/h)，并采取有效措施减少切换时间，降低因切换带来的数据损失，以保证在车上的实时播放不中断(切换时间少于30 ms)，且播放质量不受影响。另外，为保证系统的切换能平稳进行，设置在控制中心的无线管理交换机能同时管理一条线的所有AP，使列车在一条线上运行时不会出现跨无线管理交换机的切换。

1.3 网络带宽

提供移动宽带传输网的有效平均带宽达到14 Mbit/s，而且无线带宽具备QoS分级控制。在上述的网络带宽环境下，可以确保所传图像顺畅清晰，不出现画面中断或者跳播的现象。图像压缩编码不管是MPEG-2或MPEG-4，还是H.264格式(带宽为 2～10 Mbit/s)，移动宽带传输网均可以实现透明传输，同时提供带宽足够满足视频直播(下载)和视频监控(上传)两种业务的并发传输。

1.4 覆盖冗余

在布置AP时，充分考虑到了系统的可靠性，每个AP的覆盖范围都保证有重叠区，使得个别AP和其他设备出现故障时，信号覆盖仍旧能够保证，系统仍旧能够正常工作。每个AP的输出功率满足国家规范的要求，每个AP的输出功率不大于100 mW，不使用高增益天线。

1.5 应用标准

移动宽带传输网遵循802.11G标准，频段为

2.4 GHz，共有13个频点。移动宽带传输网可满足最基本的空中访问接口SSID(服务配置标识)，实现最基本的加密措施WEP(有线等效保密)，都属于802.11B

标准的一部分，并包含于802.11G标准。其他的处理及加密措施也遵循相关的国家标准和规定。

1.6 设备防护

隧道区间的AP机箱集成了1套无线AP设备、光纤收发器、光熔接盒以及电源模块，可同时达到IP65的防护等级，完全适合在隧道区间的环境下使用。隧道的AP机箱靠在隧道壁安装，AP天线则在满足隧道限界的条件下尽可能地靠近安装，以获得更好的信号覆盖效果。

1.7 系统网管

系统的无线设备均提供网管接口，分线控制中心的无线管理工作站通过专门的网管软件，能够随时监控到本系统每一个设备的工作状况。

1.8 数据安全

移动宽带传输网属于无线通信，由于其信号的空中传播特性，使得数据的截获以及网络的入侵均变得比有线网络容易得多，因此对移动宽带传输网的安全提出了更高的要求。

1.9 入侵检测

为了能够检测到入侵操作，需要安装无线网络检测软件，以实现如下功能:主动地监控接入点，检查连接到接入点的交换机的故障和性能;迅速、方便地检测、定位和禁用由未经授权的不知情员工或者由外界入侵者(恶意的)放置的恶意接入点;检测和定位射频电流(RF)的干扰，主动地监控使用情况和故障，优化网络的性能。

1.10 覆盖范围

为了减少多径效应，提高无线接入的效率，需要安装定向天线，以限定覆盖范围。

1.11 抗干扰

地铁隧道中存在多个系统，如信号系统、无线集群系统等。移动宽带传输网与这些系统之间存在相互干扰，另外也存在内部干扰，为此需要采取措施加以解决。

1)多路径干扰是发射信号被障碍物反射所致，解决的措施是:设备采用OFDM(正交频分复用)调制方式，应用直角频率多路传输分割复用技术，将无线通信传输信号分割成多个副载波进行传输。由于每个副载波只携带了很小一部分数据负载，所以OFDM技术就能利用更长的符号周期，使通信传输信号更不容易受到多径传输的干扰或其他外界的特殊干扰。

试验证明，采用差异双天线时，如果一个天线处于信号无效点，则另一个天线不会处于信号无效点(注:TX的意思是transmit，传 送;RX的意思是receive，接收)，如图1所示。

图1 多路径采用差异双天线

在多路径环境中，信号无效点(null point)在该范围内到处存在。将天线做少许移动，天线就会移出信号无效点，且接收到正确的信号，因此第二个天线总能接收到信号。

2)加大AP的铺设密度，使得AP之间存在重叠范围。

3)将相邻的AP设置到独立的3个工作频段中，可大大减少相邻AP之间的干扰。

4)同频道干扰是其他同频AP或其他系统干扰造成的。如果是其他同频AP干扰造成的，则将其设置到独立的3个工作频段之一中去;如果是其他系统干扰造成的，则尽可能降低其发射功率。

5)多普勒频移效应是车载设备高速运动所致。提供的无线设备采用OFDM调制方式，本身就适合在多普勒频移环境下传输数据。

6)无线网络的抗干扰能力是通过多级接收滤波器来实现的。

2 PIDS移动宽带传输子系统结构

移动宽带传输子系统结构如图2所示，各个设备之间的连接及实现方式如下:

1)无线管理交换机通过光纤以1 000 Mbit/s的带宽连接到分线交换机，无线服务器通过网线以1 000 Mbit/s的带宽连接到分线交换机，无线管理工作站通过网线以100 Mbit/s的带宽连接到分线交换机。

2)车站交换机、车辆段交换机通过光缆，以1 000 Mbit/s的带宽连接到分线交换机。

3)铺设在区间和车辆段中的无线AP设备与车站及车辆段交换机，以100 Mbit/s的带宽连接。为了实现远距离传输，中间经过1对光纤收发器(光端机)实现光电转换。

4)上行区间和下行区间单独铺设无线AP，即上行区间中的无线AP和下行区间中的无线AP构成不同的无线网。

图2 移动宽带传输子系统结构

3 无线宽带的链路结构

车载设备从控制中心服务器接收数据时，需要经过中心交换机、无线管理交换机、车站交换机、光端机、无线AP、无线接入设备(无线网桥)。其中，从无线管理交换机到无线AP的链路属于有线链路，从无线基站到无线接入设备的链路属于无线链路。

3.1 有线链路的各个路径

1)服务器和核心交换机之间的链路为网线，带宽为1 000 Mbit/s，核心交换机和服务器通信的交换端口是固定的。

2)无线管理交换机和核心交换机之间的链路为光纤，带宽为1 000 Mbit/s，核心交换机和无线管理交换机通信的交换端口是固定的。

3)核心交换机和车站交换机之间的链路为光纤，带宽为1 000 Mbit/s，核心交换机和车站交换机通信的交换端口是固定的，但由于车载设备会漫游到属于不同车站交换机的AP范围内，因此对车载设备的数据接收链路来说，从核心交换机到车站交换机的链路是变化的。

4)车站交换机(或车辆段交换机)与AP之间的链路是光纤以及网线，通过光纤收发器(光端机)进行光电转换，带宽为100 Mbit/s，通信的交换机端口是固定的。由于车载设备的漫游特性，对车载设备的数据接收链路来说，从车站交换机到AP的链路是变化的。

3.2 无线链路的场强变化

1)无线信号的场强与距离的立方成反比，以AP为中心向隧道两边扩散(因为采用向正反两个方向辐射信号的定向天线)。

2)在两个AP之间的重叠覆盖区域，会出现场强消和涨的情况。

隧道中无线AP信号的场强变化如图3所示。

图3 无线AP信号的场强变化

对于PIDS系统所采用的移动宽带传输网系统，无线网桥能够接收到的信号强度为式中:Pt为发射功率;Gt为发射天线增益;Gr为接收天线增益;Lp为传输路径损耗(从发射端天线出来到接收端天线接收，无线信号所经过的传输路径发生的损耗);Lf为总的馈线损耗(包括发射端和接收端馈线、接头的损耗)。

对于无线电波的传输路径损耗，在自由空间中的计算公式为

但在现场实际环境中，无线电波会受到隧道壁、地面、轨旁设备的吸收、反射、阻挡而发生改变，经过对现场大量的实际测试数据进行推算，可得出数学计算模型为

式中:f为频率，GHz(2.45 GHz);d为距离，m。

4 结语

根据以上的理论和经验数据，移动宽带传输网在地铁乘客信息显示系统应用时，只要在无线AP设备的布置上确保列车无线网桥在全线范围内的信号接收强度都不小于－76 dB(m)，整个移动宽带传输网的有效带宽就能够满足设计的要求，保证车地之间的数据通信。因此，当前在乘客信息显示系统采用802.11g无线局域网技术，是一种较好地解决车地通信问题的措施。

［1］刘乃安.无线局域网(WLAN):原理、技术与应用［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2004:35-50.

［2］金纯，陈林星，杨吉云.IEEE 802.11无线局域网［M］.北京:电子工业出版社，2004:75-85.

［3］陈爽.DCS在地铁乘客信息显示系统中应用［J］.铁道通信信号，2010(5):72-73.

［4］关杰.城市轨道交通旅客信息系统研究［J］.沈阳工程学院学报:自然科学版，2008，4(4):43-45.

［5］吴海峰，赵红礼.地铁CBTC系统的无线测试［J］.都市快轨交通，2010，23(2):97-98;108.

［6］韩西安，陈忠兴，蔡晓蕾，等.浅析北京地铁5号线乘客信息系统［J］.现代城市轨道交通，2006(5):26-28.

［7］广州市地下铁道总公司.广州市6号线PIDS采购项目招标文件［G］.广州，2011:217-219.

WLAN Technology Applied in Subway Passenger Information Display System

Zhong Fei
(Guangzhou Metro Corporation，Guangzhou 510380)

Abstract:The paper describes the basic principles and characteristics of IEEE 802.11WLAN，analyzes the development trend of passenger information display systems in urban rail transit industry，and elaborates mobile broadband transmission subsystem design(including the cover design，AP switching，network bandwidth，redundant implementation of the measures covered by the application of standards and measures，protective equipment，system network management，data security，intrusion detection，limit coverage，interference and anti-interference，etc.)in passenger information display system，together with system architecture and link structure.Based on the analysis of the results，the feasibility of applying WLAN technology in urban rail transport passenger information display system is highlighted.

Key words:subway;passenger information display system;WLAN;mobile broadband transmission network;IEEE 802.11g

U231.8

A

1672-6073(2012)02-0024-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2012.02.007

收稿日期:2011-09-19

2011-11-08

作者简介:钟飞，男，在读工程硕士，工程师，项目经理，从事城市轨道交通通信系统新线工作，zhongfei@gzmtr.com

(编辑:郭 洁)