南京地铁T线PIS车地无线通信抗干扰研究与应用

张一萌

（南京地铁运营有限责任公司，江苏 南京 211135）

PIS（Passenger Information System，旅客信息系统）是以编播室为发送端，车载与车站播放器为显示终端（如图1所示），向旅客提供公告及媒体服务的系统。列车正常运行中，提供包括新闻、广告、短视频、列车运行方向以及列车到站信息等信息服务；如遇火灾、恐怖袭击等紧急事件，则会提供紧急事件通告及疏散引导等重要提示。

图1 PIS车载播放终端

1 系统原理

PIS系统中，音视频流通过编播室与列车之间的DCS（Data Communication System，数据通信系统）网络轨旁端传送至PIS通信网关（CG，Communication Gateway），PIS服务器按照播放列表要求进行合成与文字混编，之后将编辑好的音视频信号通过轨旁AP（Access Point，接入点），如图2所示，以无线形式发送至车载STA（Station，无线电台）进入车载PIS服务器，最终通过DCS车载端显示于车载终端播放器。PIS系统网络拓扑结构图如图3所示。

图2 轨旁AP图示

图3 PIS系统网络拓扑结构图

图3 中，两台CG为热备模式，AP设计为环网。

车辆在正常行驶过程中，车载STA会根据轨旁沿线AP的信号质量好坏进行切换关联选择。由于列车在行驶过程中会不断远离所关联的AP，当STA当前关联AP的信号质量达到设定的阈值下限时，STA会根据AP列表中的信息切换至下一个信号质量满足阈值的AP。STA通过不断的漫游切换，使得车地间的无线通信时刻建立连接状态，保证车地间音视频数据的正常传输。

2 无线干扰

无线干扰是指在无线通信过程中因外部电磁能量直接或间接进入信道，导致信号质量下降，数据丢失从而阻断通信的现象。无线干扰大致分为同频干扰、邻频干扰及耦合干扰三大类。南京地铁T线PIS系统在调试过程中发现，存在大量音视频数据包丢失，车载音视频中断的现象发生。通过数据分析发现，存在以下三个问题：（1）根据南京地铁T线设计标准要求，车地无线通信要求车载STA与AP建立关联成功后最低带宽值应不低于12Mb/s，而在车地无线通道建立正常的情况下，实际传输带宽仅为4Mb/s～8Mb/s，带宽严重不足，同时会导致丢包情况的发生；（2）车辆在站台停稳状态，稳定关联某AP时，会偶发出现带宽降低的现象；（3）车辆在行驶过程中，STA在漫游切换AP时，存在频繁切换，AP不能稳定关联。

通过对以上三个问题的分析，发现无线干扰是导致问题产生的主要原因，同时，系统配置上也存在一定的不合理性。

3 解决方案

根据上述分析，要解决PIS带宽过低导致音视频中断的问题，主要需要解决无线干扰以及系统配置两方面问题。造成PIS无线干扰的因素主要有以下四点：（1）AP的发射功率设置过高。（2）STA在漫游切换至下一个AP时，前次关联的AP依然会有短时间的大数据流发送，导致对正在关联的无线链路造成干扰。（3）由于PIS使用的无线网络为2.4GHz共用频段，与手机WiFi同频，且AP的ESSID（服务区别号）是可扫描到的，站台乘客存在尝试关联PIS网络AP的行为，虽然PIS网络为局域网，乘客连接上AP无法登陆互联网，但是，在与AP关联的过程中，存在数据交互，会对无线带宽造成一定的影响。（4）列车在行驶过程中，STA经常会关联上逆向侧AP（如车辆行驶在上行线，却关联上下行线的AP），由于物理位置原因，会出现频繁切换上下行AP的情况发生。

针对以上四点问题，分别给出相应的解决方案。

（1）T线PIS系统在调试初期，将全线AP的发射功率均设置为最高值19dBm。对于单AP系统而言，AP的发射功率越高，信号质量越好。但是，对于AP群来说，过高的发射功率会对周边的AP产生同频干扰，非但不能提高无线带宽，反而会因相互干扰，使整体无线环境变得较差。为了降低同频干扰造成的影响，尝试将全线所有AP的发射功率进行下降调整。虽然发射功率下调，会随之降低发射总能量，但同时也会降低AP相互之间造成的无线干扰。经过调整，将发射功率由原先的19dBm降至17dBm，带宽达到13Mb/s，丢包率也明显下降。由此可以看出，过高的发射功率造成的同频干扰会对无线链路造成较大的影响。

（2）当列车切换关联至下一个AP时，利用程序内嵌Shell脚本实现前一个关联AP的无线网卡短暂关闭操作，流程图如图4所示。

图4 关闭前一个AP无线网卡程序流程图

列车关联下一个AP后，将前一个关联的AP无线网卡关闭10s，停止无线信号发射，避免对STA与正在关联的AP之间的无线链路造成无线干扰，10s后再自动重新开启，等待后续列车对其进行关联建立无线链路。

（3）外在无线设备能够关联上轨旁AP的主要原因是由于可以扫描到其区域内的ESSID。为了避免类似乘客使用手机扫描到AP的ESSID，利用Linux命令“iwconfig ath0/1 essid“PIS_Wireless””统一将“PIS_Wireless”局域网络范围内的AP的ESSID进行隐藏操作，只允许列车STA可见并进行关联，避免外在无线设备可以关联上轨旁的AP造成干扰。

（4）通过分离上下行AP，分别建立单边独立的AP_list，当列车运行在上行时，只可关联上行AP_list中的AP，反之亦然，避免列车会关联至逆向侧AP的情况发生。

4 实验结果

图5 为列车无线漫游切换图，彩色线为沿线AP的信号质量，下端红线为切换过程，每个“阶梯”为关联上一个AP，若一直为上“阶梯”状态，说明漫游切换正确，若出现下“阶梯”，说明出现漫游切换出现了回切乱切的现象。从图5可以看出，通过对问题的解决，切换良好。经过实验，南京地铁T线单列车全程PIS直播率达98%（2%由于终点站换端切换上下行AP_list所致），上述四种解决方案有效地解决了PIS无线干扰问题。通过对问题的解决，无线带宽得到有效的提高，且丢包率显著下降。STA无线漫游平顺，彻底规避了切换AP错误的现象。

图5 列车无线漫游切换图