地铁乘客信息系统中无线局域网关键技术研究

胡飞飞，沈昱明

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)



地铁乘客信息系统中无线局域网关键技术研究

胡飞飞，沈昱明

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

基于无线局域网802.11g标准，结合地铁隧道中的实际环境，构建了一个无线传输网络，在地铁乘客信息系统中采用了无线局域网。文中分析了地铁乘客信息系统中无线局域网的频点规划，并实现了基于无线局域网的乘客信息系统。该系统可保证下传一路6 Mbit·s-1的MPEG-2视频流，同时能够给中心子系统上传一路2 Mbit·s-1的监视信息。在实际环境中对系统所得的带宽数据进行了分析与测试，测试结果表明，系统能满足实际应用需求。

乘客信息系统；无线局域网；无线接入点；车载无线设备

目前，实现大数据量的视频信号传输，在面向大众的无线可视应用中，无线通道的资源尤其紧张。乘客信息系统需要双向传输视频信息，所以该系统对网络带宽有较严格的要求[1-2]。其中数字视频具有以下特点:(1)数据量大；(2)实时性要求高，人眼对视频信号的基本要求是:延迟小，实时性好；(3)无线通道资源有限；(4)无线网络是一个时变的网络；(5)无线视频的QoS保障在移动通信中，用户的移动造成无线视频的QoS保障十分复杂。

由此可以看出，视频信号对传输的需要和无线环境的特点存在尖锐的矛盾，因此采用无线局域网的乘客信息系统面临着巨大的挑战[3]。

该课题的最终目的是组建一个基于802.11g标准的无线局域网，以保证能够下传一路6 Mbit·s-1的MPEG-2视频流和文本信息，同时能够给中心子系统上传一路2 Mbit·s-1的监视信息，采用无线局域网技术实现乘客信息系统。

1　地铁乘客信息系统的功能和结构

1.1地铁乘客信息系统功能

乘客信息系统的主要设计目标是通过中心和车站的控制，在指定时间，将指定信息显示给指定人群。

PIS系统具有的通用功能如下：(1)系统任务管理:中心和车站系统应用软件应具备多任务的管理功能；(2)用户权限管理:系统具备分级权限管理功能，包括操作人员ID的管理(编号、操作密码、操作权限)，密码文件的管理等；(3)系统监控:所有车站设备应置于车站及控制中心的监控下运行，及时掌控设备所处模式(正常服务、故障、维修、关闭等)，操作员登录及退出状态等；(4)发布管理:主要是车站设备应具备网络下载安装及软件更新功能。

1.2乘客信息系统的构成

PIS系统由以下部分组成：中心子系统、车站子系统、网络子系统、接口子系统、业务子系统。

1.3中心子系统

中心子系统包括:中心服务器、中心操作员工作站、外部系统接口、网络部分、UPS等部分组成。

1.4车站子系统

车站子系统由以下部分组成： (1)控制部分。车站子系统的控制部分放置在车站控制室，组成部分如下:车站服务器/车站操作员工作站、外部系统接口、网络部分、UPS；(2)显示部分。它解释需要显示的信息数据，驱动显示屏播放显示;接收车站服务器发送来的命令，解释执行，如控制显示屏的开闭等操作。

2　移动宽带传输网系统结构

移动宽带传输网系统主要由无线交换机、核心交换机、车站交换机、车辆段交换机、光端机、铺设在隧道和车辆段中的无线基站设备AP、列车中的无线接入设备等[4-5]。

本方案采用无线交换机、无线AP和无线网桥构建无线局域网，符合WLAN 802.11 a/b标准。无线系统硬件有两部分，AP和无线网络交换机。AP不需与无线网络交换机直连，它们之间可以通过以太网交换机而无论是2层或3层、路由器或其它网络设备互通。当AP插入到网络上启动后，AP是会自动和无线网络交换机建立GRE隧道的连接，之后从无线终端所发出到数据都会回经AP的GRE隧道传到无线网络交换机。同样当数据须发送到无线终端上时，则必先经过无线网络交换机和AP建立的GRE数据隧道，然后再经AP发送到无线终端。

各设备间的连接及实现方式如下：(1)无线交换机通过光纤以1 000 Mbit·s-1的带宽连接到核心交换机，无线管理工作站通过5类线以100 Mbit·s-1的带宽连接核心交换机；(2)车站交换机、车辆段交换机通过光缆以1 000 Mbit·s-1的带宽连接到核心交换机；(3)铺设在隧道和车辆段中的无线基站设备通过5类线连接到光端机，光端机通过光缆100 Mbit·s-1的带宽连接无线基站所属的车站或者车辆段的光端机，再由后者通过5类线以100 Mbit·s-1的带宽连接到车站交换机或者车辆段交换机；(4)隧道中上行和下行单独铺设无线基站，即上行隧道中的无线基站和下行隧道中的无线基站构成不同的无线网；(5)根据移动宽带传输网基站和天线的性能，以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；(6)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，而在个别AP和其它设备出现故障时，系统仍能正常工作。

图1　轨旁AP和车站交换机连接方式

乘客信息系统中，列车是通过车尾的车载无线单元来接收AP传输的信号，一个AP机柜有两个定向天线，这样列车可以接收到较强的信号，增加了AP的传输距离。如图1所示，轨道沿线的AP间隔地与不同车站交换机相连，比如AP1通过光纤连接至车站1的交换机，AP2通过光纤连接至车站2的交换机，AP3再通过光纤连接至车站1的交换机无线网络，AP4通过光纤连接至车站2的交换机，以此类推。通过这种设计，在某一个车站交换机甚至整个车站因为意外情况发生故障的情况下，轨道沿线仍然有半数的AP可以正常接入到主控、备用中心核心交换机及视频等应用服务器[6]。

在列车上车头车尾都车载无线单元。以车尾为主进行工作时，如图2所示，车载无线单元经过的无线信号覆盖强度是由弱到强的，在这种情况下，车载无线单元容易判断切换条件，因为在切换点，相邻两个AP的无线信号场强差异较大，车载无线单元可以立刻做出判断进行切换。

图2　车尾天线漫游切换示意图

如图3所示，当以车头为主进行工作时，车载无线单元经过的无线信号覆盖强度是由强到弱的，在这种情况下，当车载无线单元进入到切换点附近的时候，相连2个AP的无线信号的场强差异很小，这时车载无线单元很难做出判断，会产生一小段犹豫比较过程，从而增加了切换时间。而且缺少了信号预检测过程，难以完成快速切换过程[7]。

图3　车头天线漫游切换示意图

如果上下行都使用同一频点，则在上下行列车会车时，可能造成一个AP下同时有两个车载移动单元的接入，进而分享接入带宽。

图4　上下行列车同时接入同一个AP

如图4所示，上行和下行的AP设置为同一个频点。列车车头和车尾无线单元的工作频点也设置为频点1。这样，在上行和下行列车会车时，容易造成两列车的车尾无线单元同时接入同一个AP[8]。

上行线路和下行线路使用不同的频点。考虑车头车尾在运行过程中不进行倒换，并且列车运行时车头和车尾的方向相对运行线路是固定的，解决办法如下:上下行使用不重叠的不同频点(例如1/6/11)，同时根据车尾移动单元工作的原理，相应配置车尾的频点。同理，车头的频点也就确定了。

3　无线网络性能分析

在轨道旁选取5个点放置无线接入点，这5个无线接入点通过光纤光缆与中心的WLAN控制器相连构成有线网络。而每个接入点通过抱杆固定前后两个方向的定向天线与车头车尾的定向天线组成无线路径，由车载无线单元和轨旁无线接入点组成车地无线通信网络[9]。

按照试验环境要求，IP地址分配包含以下几部分:

(1)设备管理地址。包含WLAN交换机和AP的管理地址(AP采用DHCP方式分配)。

1) WLAN交换机:192.168.1 10/24；2) AP 1:192.168.100 254/24；3) AP2: 192.168.100.253/24；4) AP3:192.168.100.252/24；5) AP4: 192.168.100.251/24；6) APS: 192.168.100.250/24；

(2)地面网络。

VLAN2: IP地址为192.168.10.0/24；1)服务器:192.168.10.1/24；2)车载无线单元1: 192.168.10.2/24；3)车载无线单元2: 192.168.10.3/24；4)车载网络。

VLAN 3:10.5.32.0/24;1)车载无线单元1: 10.5.32.251/24；2)车载无线单元2: 10.5.32.252/24。

4　无线网络单元传输性能测试结果

无线网络单元传输性能测试结果数据如图5所示。

图5　传输性能测试结果数据1

图6　传输性能测试结果数据2

图7　传输性能测试结果数据3

3次动态最大吞吐量能力测试结果:平均带宽为18.708 Mbit·s-1，最高带宽23.53 Mbit·s-1。从测试的结果可以看出平均带宽远大于传输6 Mbit·s-1的视频流和2 Mbit·s-1的监控信息所需求的带宽，满足了乘客信息系统对带宽的要求；虽然有个别时间点的带宽变的很小，但其持续时间较短，对传输网络没有明显的影响。所以基于无线局域网的乘客信息系统能够准确、实时地给乘客提供各种信息，并且能够满足地铁运营部对安全的要求。

[1]Kwan T G，Choi Y L. Disk placement for arbitrary-rate playback in an interactive video server[J].Multimedia System,2007,5(4):271-278.

[2]芮军，顾健.地铁车站的旅客导向系统[J].城市轨道交通研究,2009(1):3321-3236.

[3]杨新苗.城市公交发展技术保障体系关键技术研究[D].南京：东南大学,2000.

[4]H Dorn, 王渤洪，黄济荣.旅客信息系统的现状与未来[J].交流技术与电力牵引,2004(1):7-11.

[5]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.

[6]张攀东，闵娟娟.WLAN规划和设计时需要考虑的问题[J].福建电脑，2011(6):76-77.

[7]王振亚.WLAN优化系统的设计与实现[D].武汉：华中师范大学,2014.

[8]杨宁.WLAN规划检测优化系统的设计与实现[J].计算机时代，2013(9):11-14.

[9]赵俊. IEEE 802.11无线局域网性能分析和优化[D].合肥：中国科学院计算技术研究所，2003.

Key Technologies of Wireless Local Area Network in the Subway Passenger Information System

HU Feifei, SHEN Yuming

(School of Optical-electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

Based on the 802.11g, combined with the actual environment in the subway tunnel, a wireless transmission network is constructed for the subway passenger information system. The frequency planning of the WLAN in the subway passenger information system is analyzed and the passenger information system based on the WLAN is realized. This system is capable of downloading one way 6 Mbit·s-1MPEG-2 video stream and uploading one way 2 Mbit·s-1monitoring information to the central subsystem. In the actual environment, the system is analyzed and tested. The test results show that it can meet the actual demand.

passenger information system; WLAN; wireless access point; vehicular wireless equipment

2015- 12- 23

全国大学生科技创新重点项目(201310252012)

胡飞飞(1990-)，男，硕士研究生。研究方向：计算机应用、通信技术等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.09.018

TN926+.4

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1007-7820(2016)09-065-04