基于5 GHz无线局域网的车地无线通信系统测试与分析

常浏凯 张 衡 刘 硕

（北京市地铁运营有限公司地铁运营技术研发中心，102205，北京∥第一作者，工程师）

基于5 GHz无线局域网的车地无线通信系统测试与分析

常浏凯 张 衡 刘 硕

（北京市地铁运营有限公司地铁运营技术研发中心，102205，北京∥第一作者，工程师）

车地无线通信系统是乘客信息系统进行数据传输的重要组成部分，其对乘客信息系统的使用效果起着至关重要的作用。现有北京地铁5号线乘客信息系统采用的基于2.4 GHz WLAN（无线局域网）的车地无线通信系统存在着带宽小、速率低等不足。针对这些不足，提出使用5 GHz频段的基于802.11 n技术车地无线网络替代现有网络。为了验证新技术的性能及有效性，设计并搭建了地面模拟系统，使用汽车替代地铁列车进行了测试。试验结果表明，使用5 GHz频段车地无线网的性能能够满足乘客信息系统的要求，达到了预期的效果。

轨道交通；乘客信息系统；5 GHz频段；车地无线通信

目前，地铁车地无线通信系统主要用于CBTC（基于通信的列车控制）的信号系统以及PIS（乘客信息系统）。从应用角度来说，两者对车地无线网络的性能要求不完全相同。PIS使用车地无线网络主要传输视频、音频等信息，对于网络的吞吐量要求高；而CBTC系统主要传输移动授权、车辆位置等数据信息，对丢包率及时延要求较高。目前在用的车地无线网络大多使用基于802.11g的WLAN（无线局域网）技术，其实际测试的平均传输速率仅为11 Mbit/s，无法满足PIS的要求。这也是现在很多地铁线路CBTC系统运行良好而PIS直播效果达不到要求的原因之一。为此，北京地铁对5 GHz频段的WLAN技术进行研究和测试，检验该技术的抗干扰性、带宽、丢包率等指标是否能够满足PIS相关业务需求。

本文梳理了PIS的业务种类，提出了PIS对于车地无线网络的需求；对5 GHz的WLAN技术进行了分析，提出了工作在5 GHz频段的车地无线通信网的优势与可能存在的问题。在此基础上明确了地面模拟试验的搭建方案及测试内容，并进行了测试。试验结果表明，工作在5 GHz频段基于802.11n的车地无线网络能够满足PIS的业务需求，可以作为未来PIS车地无线网建设及改造的技术方案。

1 对于车地无线通信网络的需求

1.1 业务需求

PIS主要提供视频直播、到站信息、广告等动态多媒体信息，在遇到火灾、故障及恐怖袭击等紧急状态时提供运行信息、政府公告等紧急信息。此外，根据北京市政府第59号文要求，列车视频监控数据需要上传至轨道交通指挥中心。

因此，对于车地无线通信网络，首先需要满足地铁电视视频直播的要求；其次需要满足至少两路车载监控视频上传及车载监控视频远程调度的需求；最后，要满足紧急状态下紧急消息上车的要求。

1.2 性能需求

上述3个业务需求均需要车地无线网络具备稳定、实时、高带宽的双向数据传输性能。

（1）高速的数据传输能力：紧急消息发布需要带宽为10 kbit/s，高清地铁视频直播需要带宽为10 Mbit/s，14路CCTV（闭路电视）监控视频上传中心需要带宽为14 Mbit/s。因此，在预留25%的冗余带宽的情况下，车地无线通信网需满足的带宽为（10 kbit/s+10 Mbit/s+14 Mbit/s）× 1.25=30 Mbit/s。

（2）AP（无线接入点）间无缝的切换能力：列车在运行过程中必然存在着许多AP切换情况，AP的切换会产生数据传输的中断，从而在编码器及缓冲等其他方面无问题的情况下，导致视频出现由数据传输中断引起的马赛克甚至视频中断的情况。因此，AP间的切换时间越短，出现马赛克或视频中断的可能性就越小。对于地铁的车地无线通信网来说，其切换时间应小于50 ms。

（3）良好的无线覆盖能力：AP应该具备良好的无线覆盖能力并覆盖尽可能远的距离，以便使用较少的AP完成全线路的无线覆盖，从而降低施工成本，并减少AP之间的切换次数。

（4）良好的无线抗干扰能力：为了避免车地无线网络（特别是无线通信设备）与其他轨道交通专用无线系统或公共无线系统相互干扰，其系统应采取抗干扰措施，同时应对无线频率进行合理规划。

2 基于5 GHz WLAN的车地无线通信系统

IEEE 802.11系列标准是当前WLAN中应用最广泛的标准，也是城市轨道交通车地无线网络使用最广泛的标准。IEEE 802.11系列标准使用的频率主要有两个：一个是2.402～2.482 GHz频段共计80 MHz带宽，另一个是5.15～5.35 GHz和5.745～5.825 GHz频段共计280 MHz带宽。北京地铁5号线车地无线网络采用的是工作在2.4 GHz的802.11g技术。与其相比，本次测试使用的5 GHz的802.11n技术存在着频率资源丰富、支持信道绑定及MIMO（多入多出）的优势，使5 GHz的WLAN拥有更大的数据吞吐量及更强的抗干扰性。但5 GHz频段也存在着电磁波衰落快且切换时间未经过测试等不足。

2.1 丰富的频谱资源

根据频率规划，802.11g的工作频段为80 MHz带宽，共分为14个信道，其中只有1、6、11三个彼此不重叠的独立信道，频谱资源较为紧张。而802.11n可使用的带宽为280 MHz，共12个独立信道，因此相对于2.4 GHz频段拥有更为丰富的频谱资源。

2.2 信道绑定

根据802.11协议，信道带宽为20 MHz，而802.11n协议引入了信道绑定（channel banding）技术，这项技术允许将相邻的2个20 MHz信道绑定成1个40 MHz信道，从而达到提高传输速率的目的。虽然802.11n协议也可以在2.4 GHz频段使用这一技术，但由于2.4 GHz频段带宽与频点较少，不适用于信道捆绑技术。而在理论上使用信道捆绑后信道从20 MHz提高到40 MHz，其最大传输速率也可以提高1倍。

2.3 MIMO

MIMO指在发射端和接收端设置多副发射天线和接收天线，通过空时编码处理将数据流分开成为若干个数据子流进行并行传送，以达到空间复用的效果，从而成倍地提高了频谱利用率，达到提高数据吞吐量的目的。

除了上述3种优势以外，相比于802.11g的48个数据子载波，802.11n拥有108个数据子载波，这些技术上的改进使得工作在5 GHz的无线网络拥有600 Mbit/s的理论最大吞吐量，是目前网络的6倍。

2.4 5 GHz频段存在的不足

当使用5 GHz作为车地无线通信网的频率后，网络也面临着电磁波衰落快的不足。根据自由空间无线电传播模型，距离发射点为d的接收点接收信号功率为：

式中：

PR——接收功率，dBm；

PT——发射功率，dBm；

GT——发射天线增益，dBi；

GR——接收天线增益，dBi；

d——发生机与接收机的距离，m；

L——与传播无关的系统损耗因子（L≥1）；

λ——波长，m；

c——光速，m/s；

f——频率，Hz。

由式（1）可知，若其他条件不变，PR与f的平方成反比。设 f1=2.4 GHz、f2=5 GHz，将 f1、f2代入式（1）可得

也就是说，若发射功率、接收天线增益、发射天线增益不变的情况下，在相同距离时2.4 GHz信号的功率是5 GHz的4.34倍。因此，相对于2.4 GHz频段，理论上5 GHz频段信号的衰落更快。这就意味着每一个AP的覆盖距离更小，在相同区段内要部署更多的AP，这将导致成本的上升以及更加频繁的切换。这是使用5 GHz信号作为车地无线网工作频率的主要问题。

3 试验方案

为了验证5 GHz车地无线网络各项性能指标，掌握5 GHz无线电波传播特性，项目组在北京地铁5号线正线测试前在北京通州漷县永德路搭建试验平台，进行车地无线模拟试验。

3.1 系统搭建方案

本次地面模拟试验的系统由控制中心、轨旁数据接入网（地面固定网络）、车载通信单元3部分组成。其体系结构示意图如图1所示。其中，控制中心由网络管理系统、无线控制器（AC）、模拟服务器（笔记本）、中心交换机等组成，完成对沿线轨旁AP工作状态的实时监控、参数设置、移动切换、故障报警、故障信息记录、故障信息查询等。

图1 地面模拟测试系统结构示意图

控制中心下层是轨旁接入网，控制中心通过光纤和中心交换机连接轨旁接入网。轨旁接入网主要由轨旁光纤、无线AP、定向天线、光交收发模块等设备组成。轨旁数据接入网为所有轨旁、控制中心终端设备及沿线AP提供接入服务。本次模拟测试，在公路边部署4台AP，模拟轨旁无线覆盖，每2个AP间距为600 m，所有轨旁AP通过光纤级联接入到控制中心交换机；每台轨旁AP设备安装2个定向天线，背靠背实现双向覆盖。

车载通信单元主要由车载无线AP、车载天线、射频馈线和车载交换机组成，实现列车与轨旁数据接入网双向无线通信。

3.2 频率规划

在测试前,测试人员对现场的无线环境进行了扫描，在5 GHz频段没有发现其他信号占用的情况。在本次测试过程中使用5 GHz的143和159这2个信道。相邻小区采用异频组网方式，以避免在重叠覆盖区的相互干扰。

3.3 测试方案

3.3.1 场强与信噪比测试

在场强与信噪比测试中，开启1个AP，关闭其他所有AP，从距离AP 150 m开始每隔50 m检测1次场强与信噪比，用以检测AP的无线覆盖情况。

3.3.2 时延与丢包率测试

此项测试主要是为了测试不同速度下无线网络时延和丢包性能。在地面通过车地无线网络向车辆发送10 Mbit/s视频流的情况下，从控制中心向车载单元ping包，统计时间为2 ms，测试网络延时与丢包。

3.3.3 传输速率测试

此项测试的目的是验证动态条件下无线网络的传输性能。测试时使用CHARIOT软件建立10个进程，测试车辆模拟地铁列车以不同速度穿越无线网络覆盖区，测试无线网络的平均传输速率。

3.3.4 视频传输效果测试

为了测试车地无线网络对实际业务的承载能力，本次测试还进行了双向视频传输测试。测试时测试车辆模拟地铁列车以不同速度穿越无线网络覆盖区，在此期间地面通过无线网络向车载终端发送10 Mbit/s视频流，车载单元向地面发送两路5 Mbit/s高清视频。此项测试目的是检测无线网络承载PIS实际业务的能力。

4 测试结果与分析

4.1 场强与信噪比

图2是根据场强与信噪比测试的结果绘制的折线图。从图2中可知，随着终端与AP距离的增加，场强与信噪比都出现了不同程度的下降，且两者下降的幅度与趋势基本保持一致。其中场强从-47 dBm下降到-68 dBm，信噪比从48 dB下降到28 dB。根据轨道交通车地无线网络建设经验，场强大于-70 dBm，信噪比大于20 dB的信号都是可用的。因此，根据试验结果，单AP的覆盖范围可以达到1 000 m的距离。

图2 场强与信噪比静态测试结果

4.2 时延与丢包率

如表1所示，在40～150 km/h的不同车速下，车地无线网络的丢包率小于1%，平均网络时延不大于1.1 ms。与现有2.4 GHz系统相比，其时延与丢包率指标都有所提升。

表1 不同车速下的时延与丢包率测试结果

4.3 传输速率测试

吞吐量测试结果如图3所示。从测试结果看，当车速在80 km/h以下时，吞吐量不但没有随着速度的提高而下降，反而有所增加。在测试车辆速度超过80 km/h后，网络的传输速率出现了约10%的下降，但仍大于80 Mbit/s。由于地铁列车的最大运行速度普遍在80 km/h，因此无线网络能够保证100 Mbit/s的传输速率，完全能够满足PIS对无线网络的需求。

图3 不同速度下网络吞吐量测试结果

4.4 AP切换

在对数据的分析中发现，当网络进行AP切换时传输速率会出现短时间的大幅下降。从图4所示的60 km/h速度下传输速率截图中可以看到，测试的第20 s及第40 s出现了传输速率瞬时下降的情况。在图5所示的80 km/h速度下传输速率截图中的第20 s及50 s也分别出现了传输速率瞬时下降的情况。根据记录，这些时刻正是2个AP进行切换的时刻。因此可以看出，AP的切换对于网络传输速率的稳定性会造成一定的影响。

图4 速度60 km/h车地无线网络传输速率测试结果

图5 速度80 km/h车地无线网络传输速率测试结果

4.5 视频传输效果

在模拟PIS直播及CCTV图像上传的传输效果测试中，根据测试人员的目测在车速80～150 km/h的范围视频播放流畅，无马赛克及停顿现象出现。

4.6 结论

通过本次对5 GHz频段基于802.11n标准的车地无线网络地面模拟测试可以得到以下的结论：

（1）AP的覆盖范围能够满足工程要求。首先在单AP的场强测试时，当距离达到1 000 m时，其场强与信噪比指标仍能满足接收要求。此外在将AP间距离设定在600 m间隔情况下，网络传输速率、时延及丢包等性能指标良好，切换准确。相比目前5号线使用的2.4 GHz无线网络200 m的AP间隔，其覆盖距离有所提升。

（2）在现有地铁车辆最高速度范围内，无线网络的平均传输速率大于80 Mbit/s，是PIS对于带宽需求的2.5倍，是现有2.4 GHz车地无线网络传输速率的7倍。车地无线网络的传输带宽能够满足同一小区内2列列车同时传输的要求。

（3）在不同AP间的切换会造成无线网络吞吐量的下降，对网络性能造成影响。因此需要在切换算法上进行进一步的改进，以便尽可能地降低切换的影响。

5 结语

5 GHz频段作为我国近期新开放的公用频段，相比于传统2.4 GHz WLAN及1.8 GHz的LTE（长期演进）具有可用频点多、吞吐量大的优势，对于PIS这种需要较大带宽的系统来说非常合适。通过本次测试可以证明工作在5 GHz频段基于802.11n标准的车地无线网络在传输速率、丢包率及时延等指标上完全能够满足PIS的需求，其单AP的覆盖范围相比现有系统也有了很大的提高，因此可以使用此种技术作为建设PIS车地无线网络的方案。

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Testing and Analysis of 5 GHz WLAN Based Train/Ground Wireless Communication System

CHANG Liukai，ZHANG Heng，LIU Shuo

Train/ground wireless communication system is an important part of data transmission in passenger information system （PIS）,it plays a vital role in PIS application.Beijing subway Line 5 passenger information system now uses 2.4 GHz WLAN based train/ground wireless communication system with defects like small bandwidth and low rate.To solve these problems，the 802.11n-based 5 GHz band train/ground wireless network technology is proposed to replace the existing system.To verify the performance and effectiveness of the new technology，a ground simulation system is designed and built，a car is used as the substitute of subway train.The test results indicate that the performance of 5 GHz band wireless network could meet the requirements of passenger information system,and achieve the desired result.

rail transit；passenger information system；5 GHz band；train/ground wireless communication

U231+.7；TP393.1

10.16037/j.1007-869x.2017.11.012

Author′s address Beijing Subway Operation Technology centre，102205，Beijing，China

2016-02-29）