车地无线传输在乘客信息系统中应用的研究

袁玲++毛业军++龙源++邓谊柏++马丽英++何英彪

摘 要：针对目前城轨车辆乘客信息系统车地无线传输多样化的需求，对不同车辆项目的车地无线传输进行分析及对比，并提出轨道交通乘客信息系统车地无线传输的可行性发展趋势。

关键词：乘客信息系统；无线传输；数字电视； WLAN； LTE

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.132

1 概述

乘客信息系统（简称“PIS”）是运用现代科技成熟可靠的网络技术与多媒体技术、显示技术等，实现运营控制中心（简称“OCC“）一车站一列车之间的文字、图像、视频信息的双向传输系统。

本文将着重讨论车地无线通信在乘客信息系统中的应用，并提出可行性发展趋势。

2 无线传输系统

分析目前城轨车辆实际应用，乘客信息系统的车地传输可分为三种方案：

（1）车载子系统自成一体，不实现车地之间的实时移动传输，车辆播出车载媒体播放器中已存储的节目列表，不受中心或车站控制，即为通常所述的录播模式。

（2）利用列车进站或回库的较短时间，通过无线传输将事先存储好的视频数据发送给列车，带列车行驶时向旅客播放，实现车地之间的准实时传输；

（3）通过在整个列车运行的区间设置无线基站，在任意时刻和地点列车都可以与地面进行数据交换，可以实时地进行车地信息（包括视音频、文字、图形）传输，实现车地之间的实时移动传输。

而不论是准实时还是实时传输，都已涉及车地通信，其传输技术包括：数字电视广播技术、无线局域网技术、LTE（Long Term Evolution，长期演进）技术，且PIS系统无线带宽应有Qos（Quality of Service）控制，所传图像都应要顺畅清晰，不能出现画面中断或者跳播现象。

2.1 录播模式

当无法建立良好的车地通信时，车载播放控制器中存储的媒体信息通过车载播放系统，根据预先设定好的播放列表在客室显示屏中进行播放。该技术的主要特征是：

（1）不受列车运行环境影响，能持续为乘客提供信息；

（2）信息预存储或更新仍需通过车载机械接口逐一实现，无法批量完成，耗时耗力；

（3）乘客无法获取实时信息。

这种方式已无法适应现代化民众对信息高度攫取的需求，仅能作为一种备份播放模式。

2.2 数字电视广播技术

目前地铁中主要应用无线数字电视技术（Digital Video Broadcasting-Terrestrial，DVB-T），可以满足下行速率大于10Mbps 的多媒体数据信息传输要求。

这种传输模式在上海地铁中是典型应用，上海地铁数字电视覆盖系统建设已应用于上海地铁1-13号线，上海地铁列车内5700个LCD显示屏与站台内1500个PDP显示屏都通过该技术实时播出地铁电视节目、地铁运营信息及新闻、娱乐等综合资讯。

城轨车辆持续接收由地面发射基站传递到区间敷设的漏缆放射出的数据信号，解码后转换成视频和数字信号，经放大后输出到LCD显示屏。该技术的主要特征是：

（1）可实时获取信息；

（2）采用广播的方式发送信号，其信息量较小；

（3）视频源由电视台统一发布，地铁内部无法编辑视频源，不利于地铁运营方根据实际情况进行灵活控制，不能在突发事件发生时发布紧急信息；

（4）单向传输，无法通过该通道回传车辆信息至OCC。

2.3 无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）技术

IEEE 802.11 是无线局域网的主要标准，也是国际上通用的标准[1]。该协议族主要包括以下4个技术标准：

（1）802.11b 通常被人们称为 Wi-Fi（Wireless Fidelity），该技术标准的工作频段主要在2.4GHz 频段，最高可支持 11Mbps 的共享接入速率；

（2）802.11a ，该技术标准的工作频段主要在5.8GHz 频段，速率可高达 54Mbps，但最高速率的无障碍接入距离降到 30-50米；

（3）802.11g 可支持最高 54 Mbps 的速率，工作频段也在 2.4 GHz频段，因此，可以做到与 802.11b兼容，但是最高速率相比 802.11b 高出5倍；

（4）802.11n 支持的速率高达 l50Mbps，最大可达到600Mbps；采用智能天线技术，可以减少其他信号的干扰，接收到稳定的信号，而且可以同所有的 802.11 标准兼容。

比较802.11b、802.11a、802.11g 和 802.11n 可知：802.11b工作頻段开放，目前应用多，技术成熟，但兼容性最低；802.11a工作频段有管制，传输速率较高；802.11g兼容性较高，应用较多；802.11n兼容性最高，可兼容前三者，传输速度最高，但应用较少。

国内建设的城市轨道交通车地无线通信系统采用的技术基本为WLAN技术 ，WLAN 作为一种宽带无线接入网技术，其网络化、宽带化等特点具有相当的优势。但较多项目采用的WLAN 技术方案主要为802.11a或802.11g，具有很大的局限性：WLAN 网络在固定情况下能提供高达54 Mbps 的数据带宽，但在支持步速移动情况下提供11～13 Mbps的数据带宽，仅能实现标清信号的传输，暂不能满足高清的要求，而802.11n技术能较好的解决该情况。目前802.11n技术仅在AMGLRV项目上有应用。

以AMGLRV项目为例（采用802.11n技术，准实时传输），介绍无线局域网传输过程：

车辆在每个司机室配置一个RF Receiver（三层交换机，带映射功能）和一个RF Antenna。车载设备经过交换机地址转换可以访问OCC数据库，实现数据的交换，读取，存储等功能。

根据项目实际需求，用802.11n的协议替换初期确定的802.11a协议。

保持设备配置不变，即每司机室配置1根RF Antenna（5.8GHz），此时传输速率理论上可达到一般150Mps传输速率要求；在百兆带宽情况下，传送一部容量为600M大小 mp4文件，802.11a协议下传送时间约为T1=600/（54÷8）=1.5minute，现在最快理论传送时间T2==600/（150÷8）=32s，时间大大缩短。

该传输性能已经过实验室验证，效果良好，且已准备好线上测试。

2.4 LTE技术

LTE（Long Term Evolution）是是第三代移动通信与第四代移动通信技术之间的一个过渡，这种以OFDM/FDMA为核心的技术可以被看作“准4G”技术。LTE按照双工方式可分为频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两种。我国应用最多的是TDD—LTE。

已运营的郑州地铁1号线（ZZL1项目）乘客信息系统无线网络子系统就是采用的TDD—LTE演進的TD—LTE技术。采用1795-1805MHZ频段，与公网无线信号合路后共用漏缆，单向隧道中配备2条漏缆 ，承载PIS+CCTV业务，10M带宽下实现全线路下行8Mbps，上行6Mbps的的覆盖，具体设备分别部署在控制中心，车站区间和车辆[2]。

以ZZL1项目车地组网方案为例，该方案分中心、车站及车载3部分。在方案中，PIS视频数据下发路由如下：电视台光端机一列车直播编码器一PIS核心交换机LTE（长期演进）核心网一PIS核心交换机一中心SDH（同步数字体系）传输系统一车站PIS交换机车站BBU（基带处理单元）设备一区间RRU（射频拉远单元）一列车TAU（车载无线设备）一车载交换机车载LCD 控制器一编码器一解码器分频器一LCD显示屏。

ZZL1项目开通后，第三方机构对LTE车地无线传输性能进行了验证。标准要求为车一地吞吐量≥6 Mbit/s，地一车吞吐量≥8 Mbit/s。测试结果表明LTE车地无线通道性能符合标准要求。实际运行中直播效果良好，未出现卡屏、花屏现象[3]。

该项目仍存在库内带宽（10M）无法满足所有列车在线数据接收；应用较少，造价较高昂；传输组网不独立，较多依赖车地PIS系统的网络等问题。

综上所述，LTE技术可以较为圆满解决地铁车地传输的难题，实现地铁运行列车与地面控制中心的实时数据传输，但仍存在一定的缺陷待弥补。

3 车地无线传输技术选择

PIS系统中无线局域网的传输技术选择主要考虑三个方面因素[4] ：

（1）满足车-地数据传输容量要求（信息传输速率不小于13Mb/s）；

（2）保证地铁列车最高120km/h运行速度条件下的可靠通信；

（3）无线双向大数据传输。

根据上述分析可知，满足以上条件的无线技术主要有LTE、WLAN技术。

目前WLAN技术非常成熟，主要设备从802.11a、802.11g发展到802.11n时，设备可兼容，采购方便、接口标准、成本较低。但802.11n技术应用于国内时仍存在如下问题：

802.11n技术虽然可工作在2.4GHz频段和5GHz频段，且5.8G频段干扰较少，但是由于在国内该信道的使用需要向当地主管部门无委会申请，需要缴纳费用，应用很少；2.4GHz则属于开放的免费频段，综合不重叠信道因素考虑，一般只能采用1个信道给车地无线传输网络使用，干扰较多。

而TD-LTE技术目前应用较少，造价较为高昂，而且在地铁上应用时，较多依赖车地PIS系统，导致其性能会受到PIS网络影响。如PIS系统网络遇到广播风暴、环路问题时，都将直接导致LTE网络不稳定，在ZZL1项目实际运行中也曾发生过地面PIS网络风暴造成整个车地传输全部瘫痪的情况。但仍然有良好的解决办法：

（1）应用较少，造价较为高昂问题。随着LTE 全球商用化的进程进一步加快，全球各大设备供应商的全力投入以及产业链和产业生态环境的快速发展，整体设备和终端成本会有较大的降低 。

（2）依赖车地PIS系统网络问题。后续项目应用时可以采取独立组网方式，有效提高系统运行稳定性。

综合以上因素考虑，个人认为802.11n技术和LTE技术都存在非常明显的优势及一些固有缺陷。但相对而言，LTE技术问题更容易通过车地传输架构的完善及市场调节进行弥补，故LTE技术将会成为国内地铁车地无线传输的一种发展趋势。

4 结束语

本文结合地铁车辆车地无线传输的实际情况和需求，针对三种技术（数字电视技术、LTE技术、WLAN技术）进行较为深入的研究和对比，通过以上的分析研究表明，LTE技术是车地无线传输的应用趋势。

同时，针对LTE在库内传输的限制性，我们也需要考虑LTE（线路动态传输）+802.11n WLAN（库内传输）的混合组网方案的可行性，这对城轨车辆车地传输系统有一定的参考意义。

需要注意的是，混合组网技术并没有通用型产品，设备必须实时开发并进行测试，这些需要各方的积极推动，首先需要各地铁公司在招标时能积极鼓励开放性方案；其次需要各设备厂商不断提高设备开发能力，这样才能更好的适应地铁行业的发展。

参考文献：

[1]阚庭明.城市轨道交通乘客信息系统技术发展趋势探讨[J].轨道交通信息系统，2008（18）.

[2]孙寰宇，顾向锋.基于LTE技术的车地无线通信组网方案分析[J].铁道标准设计，2014（08）.

[3]赵晗.基于LTE（长期演进）技术的地铁乘客信息系统组网方案分析[J].应用技术，2015（10）.

[4]刘靖.乘客信息显示系统移动宽带传输网建设与思考[J].铁道通信信号，2010（06）.

作者简介：袁玲，工学硕士，主要从事城轨、动车等车辆研发工作。