浅谈城市轨道交通车地无线通信系统应用

杨勇

摘 要：随着城市轨道交通的快速发展，建立安全可靠、高效稳定的车地无线通信系统是提高运营效率、管理质量、用户体验的必要手段。车地无线通信实现了乘客信息系统（PIS）地面设备和车载设备之间的双向信息传输，是PIS系统的重要组成部分。在车辆高速移动中实现视频信息和数据信息的传输，就要求车地无线通信系统具备实时传输性、带宽调整性和抗干扰性等特点。

关键词：轨道交通；乘客信息系统；无线通信；5.8G

中图分类号：U285.21 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）17-0039-02

1 概述

地铁的乘客信息系统（PIS）是依托多媒体网络技术、以计算机系统为核心、以车站和车载显示终端为媒介向乘客提供信息服务的系统。PIS在正常情况下，提供乘车须知、服务时间、列车到发时间、列车时刻表、管理者公告、政府公告、出行参考、股票信息、媒体信息、赛事直播、广告等实时动态的多媒体信息；在火灾、阻塞及恐怖袭击等非正常情况下，提供紧急疏散提示。车地无线通信系统负责将PIS、车载CCTV等数据进行双向传输。为了保证系统不间断的服务，要求无线传输系统具有高性能、高可靠性、高稳定性。

2 系统构成

PIS网络子系统为PIS业务系统提供网络通道，该通道用来传输从中心到各车站、地铁车辆的各种数据信息、视频信息和控制信息。无线局域网作为有线局域网的延伸，提供地面与列车之間的通信。无线通信系统主要由以下设备组成：中心无线控制器，各车站、车辆段、停车场的PIS系统接入交换机，轨旁无线AP、车载无线AP等。如图1所示。

3 系统实现

现以南京地铁宁溧线为例。

3.1 无线网络架构

车地无线网作为有线局域网的延伸，提供了地面有线网络与列车的通信。无线方案主要由无线控制器、轨旁AP组成，其中无线控制器集中设置在控制中心，对全线轨旁AP进行集中统一控制，在无线控制器可以完成轨旁AP的版本更新，配置下发以及单一命令的下发。车载AP与轨旁 AP间采用FAT AP模式，主要考虑降低车载AP掉线再上线的时间间隔。减免车载AP与无线控制器进行连接，建立隧道到重新下发配置的环节。

WLAN系统采用5.8G频段，共划分5个互不干扰的独立频点，分别是149、153、157、161、165，带宽为20M。在正线范围内，相邻AP分别设置为两个独立频点，以降低临近AP的同频/临频干扰。在车辆段停车列检库中，根据现场环境选择两个以上独立频点。方案采用支持802.11ac标准的设备构建车地无线通信网络，可以提供100Mbps以上的车地无线通信带宽，能够满足业务需求变化对带宽提出的新需求。

PIS全线沿轨旁设置无线AP和天线，轨旁AP在5.8G频段，直线隧道一般每间隔200米布设一个，在弯道或地面根据实际情况采用每间隔50米或100米布设一个，AP采用定向天线，某台AP故障，相邻AP会感知到，并通过加大功率覆盖故障AP覆盖区域，同样车载AP也采用定向天线。每趟列车车头车尾分别设置无线AP，同轨旁AP实现互相冗余的车地无线通信。

3.2 无线网络功能

车-地无线网络基于IEEE802.11系列标准和TCP/IP标准，本方案采用5.8GHz IEEE802.11ac标准。在城市轨道交通环境下（隧道/高架/地面）能够实现在0～120公里/小时速度范围内，为正线提供稳定可靠的双向100Mb/S无线传输带宽，为车辆段（静态）提供稳定可靠的双向150Mb/S无线传输带宽。车地平均延迟16.3ms，丢包率<5‰，车载无线网桥切换时间30-40ms。

本方案在所有列车能与无线局域网接入点进行通信的地方都进行全面的网络覆盖，包括正线、车辆段、出入段线、停车列检库。车地无线网络为播控系统车地之间提供稳定、可靠、安全的无线传输通道，能够保证列车在0～120Km/h速度范围内，不会存在车-地无线网络丢失连接、带宽下降、延迟过大、丢包率过高等导致画面卡顿/失帧/马赛克等引起画面质量降低的情况。当列车停靠时，提供更大的无线带宽，可以利用无线网络对车载设备进行调试，并下发相关的预配置信息。控制中心还可以调用车载设备存储的车载信息。

无线控制器设置在控制中心，采用双机热备方式，当一台出现故障时，所有AP的管理控制能自动切换到另一台无线控制器上。在无线架构体系中，轨旁无线AP只作为无线天线和802.11ac无线协议的封装，其他无线网络中的无线认证、无线加解密、无线管理以及无线终端漫游管理等都在无线控制器上完成，不需要象传统“瘦”AP厂商那样需要重新认证与加密，IP地址也同样不需要更新，可以在漫游中保持。由于采用集中控制方式，用户认证信息、加密信息、QoS信息和路由信息的更新局限于无线控制器内部。而目前基于ASIC架构无线控制器在加密情况下的吞吐量可达32G，没有任何瓶颈，最大支持管理1024个AP，1个无线控制器即可以管理本线路所有的AP。同时支持无线防火墙实现访问控制，支持无线入侵检测功能。能够防止外部对传输数据的破坏和操控，确保无线传输通道的安全。

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出现故障时，系统仍能正常工作。通过定向天线，实现对正线的双向覆盖，并限定了覆盖范围。每个AP的输出功率满足国家规范要求，每个AP的输出功率不大于100mW，不使用高增益天线。

车载无线网桥设置在车头车尾的无线网桥通过VRRP协议实现冗余热备，正常情况下车尾工作，在车尾设备故障时，车头设备启动。在列车掉头时，由司机钥匙信息触发车头车尾倒换，保证总是车尾工作。车载无线网桥采用双射频，融合了先接后离技术，提供了高速移动过程的平滑切换和稳定可靠的连接。

轨旁防护箱提供IP65防护，满足隧道限界、天气、振动、维护等方面的要求，以适应地铁的环境条件。同时采用专用锁封闭和下开门设计，保证在门锁出现故障时仍不会侵入车辆动态限界。

室外车地无线设备除了可靠的接地外，设置电源防浪涌模块和天馈防浪涌模块，降低直击雷和感应雷对设备损害。

3.3 无线网络管理

无线控制器中集成了相应无线网络管理功能，无线网管软件可以完成对无线网络的监视和控制，保障无线网络安全，查找并隔离网络故障，记录无线网络中的各种事件等。可以管理所有AP节点，检测它们的网络性能和系统运行性能。

无线管理系统具有自动恢复的功能，实时侦测出网上AP是否有失效，当发觉有AP出现故障时，无线控制器能自动调节邻近的AP的功率（覆盖范围）来补偿已失效AP的覆盖范围，保证业务不会中断。

4 结语

基于无线通信系统技术的优势以及良好的发展形式，车地无线通信系统的优越性也值得我们去关注和研究，为城市轨道交通业务的发展需求提供强大的技术支持。虽然802.11ac满足了高速和大带宽的要求，但在实际应用过程中系统的稳定性还要继续提高。

参考文献

[1]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，（6）.

[2]南京地铁建设有限责任公司，宁溧线PIS技术规格书[G].南京：南京地铁建设有限责任公司，2016.endprint