轨道交通Wi-Fi 6应用研究

杨 敏，黄永亮，王丰堃

（济南轨道交通集团有限公司，山东 济南 250014）

0 引言

Wi-Fi技术从1997年发布的IEEE 802.11到2019年推出的 802.11ax、802.11系列Wi-Fi标准已经经过了6代。Wi-Fi 6相比起Wi-Fi 5引入了OFDMA正交频分多址技术、MU-MIMO多用户多入多出技术、1024-QAM 正交幅度调制等技术。目前，轨道交通行业对无线通信的需求越来越高，其中地铁行业中自动控制系统（CBTC）、乘客信息系统（PIS）、车载视频监视系统（CCTV）、Wi-Fi都基于无线通信网络进行传输。Wi-Fi6和5G都引入了MU-MIMO多用户多入多出技术，适合应对地铁这样的高密度用户的环境[1]。

本文从Wi-Fi 6的主要关键技术入手，研究了Wi-Fi 6的主要关键技术，通过列举轨道交通车载应用需求，提出了轨道交通Wi-Fi 6总体架构，在此架构的基础上提出了轨道交通Wi-Fi 6网络总体拓扑，并且对核心支撑网区进行了设计，主要由核心5G承载网、车站线路万兆环网、车地Wi-Fi 6无线子系统组成。最后对Wi-Fi 6的时延、丢包率、可靠性进行了测试，验证了Wi-Fi 6的大带宽、高并发、高速度、高覆盖等特点[2]。

1 Wi-Fi6技术简介

Wi-Fi 6引入了OFDMA正交频分多址技术、MUMIMO多用户多入多出技术、BSS Coloring着色机制、1024-QAM 正交幅度调制、TWT目标唤醒时间技术，相比起Wi-Fi5，Wi-Fi 6技术性能有突破性的提升，具体变现在：更快的传输速率，理论上最高可达到9.6Gbps，更高的并发能力，更低的延迟，更大的覆盖范围、更低的接入端功耗[3]。

1.1 OFDMA正交频分多址技术

OFDMA正交频分多址技术将一个通道分成数十个或数百个子载波，然后将它们分成几个RU。可以为每个用户分配一个或多个RU，以满足不同的带宽要求。OFDMA向不同用户分配RU，以实现多个用户实现并发传输。这种机制有效地减少了用于争夺传输机会的开销以及帧前置码和帧间隔的开销，从而提高了频谱利用率和空中接口效率。在火车站、地铁、体育馆等高密度场景中，这些改善尤为明显。此外，并发传输减少了多个STA的平均等待时间，避免了低速率帧独占用整个信道所造成的长时间等待[4]。因此，并发传输减少了延迟和抖动。

1.2 MU-MIMO多用户多入多出技术

多用户多输入多输出技术（MU-MIMO）是一种基于波束形成技术的多天线技术。在高带宽场景中，MIMO技术用于实现空间多路复用，允许在相同带宽上发送几个独立的数据流，以增加系统容量。除了继承了Wi-Fi 5的DLMU-MIMO技术，Wi-Fi 6还增加了ULMU-MIMO。在DLMU-MIMO的基本原理上，Wi-Fi 6和Wi-Fi 5基本相同。首先，AP通过使用所有的天线向STA发送一个空的探测帧来执行检测。STA确认从每个天线接收到的信息。通过这种交换，信道信息被反馈回来，形成一个信道矩阵。该矩阵在传输前对数据进行预编码，以实现波束形成，将不同的用户数据定向到不同位置的不同STA。整个过程可以简单地描述如下：AP为每个STA计算一个信道矩阵，然后将携带信息的光束引导到不同的STA。每束光束都携带目标STA的数据包，因此，Wi-Fi 6最多支持8个天线；它可以同时传输最多8个用户的数据。MUMIMO增加了全系统的容量。它在高信噪比下传输大数据包的效率更高，因此适用于视频、语音等大流量场景[5]。

1.3 1024-QAM 正交幅度调制技术

Wi-Fi 6增加了MCS10和MCS11，它们支持1024-QAM方案，与Wi-Fi 5相比效率可提高25%。当使用高阶调制时，需要一个更高的信噪比来保持误码率/信噪比在一个可接受的水平。因此，1024-QAM技术的优点只能在接收良好的短程场景中得到最大化。在实际应用中，通常通过增加信号输出功率、降低噪声或同时实现，来获得更高的信噪比来提高环境适应性。1024-QAM和256-QAM的对比图如图1所示。

图1 256QAM和1024QAM调制对比图

2 轨道交通Wi-Fi 6建设方案

轨道交通Wi-Fi 6系统由网络系统和业务平台相关软件系统组成。框架如图2所示。乘客通过移动端如手机、iPad连接入Wi-Fi 6网络，商户通过笔记本电脑、台式计算机连接入Wi-Fi 6网络，车站员通过自助服务端接入Wi-Fi 6网络进行管理和维护。整个无线网络由Wi-Fi 6网络和5G网络共同构成。车站以太网接入交换机通过光纤链路分别向上连接中心机房的核心交换机；向下连接Wi-Fi 6无线接入点（AP），作为无线网络到有线网络的接入转换。无线局域网作为有线局域网的延伸，提供了地面与列车的通信。设备包括在沿轨道隧道区间和高架区间设置的无线接入点、设置在中心机房的无线控制器，以及车载的无线AP和天线。通过整个网络控制列车自动控制系统CBTC、列车视频监控系统CCTV、乘客信息系统PIS。通过Wi-Fi 6控制的CBTC系统可以实现对列车运行的控制，实现车-地之间的双向通信、列车自动保护、列车自动运行、列车自动监控等功能。通过Wi-Fi 6控制的CCTV系统可以监控车厢内部人员，提高地铁管路质量和安全程度，监控列车关键部位运行情况等。通过Wi-Fi 6控制的PIS系统可以实现紧急文本信息、行车信息、新闻广播、旅行指南、换乘信息、在线广告的下放等功能[6]。

图2 轨道交通Wi-Fi6总体架构图

网络系统主要由核心骨干网（核心5G承载网、车站线路万兆环网）、Wi-Fi 6车地无线子系统、车站无线覆盖子系统、车厢无线覆盖子系统、信息中心子系统、PIS系统、CCTV系统构成，具体拓扑如图3所示。

图3 轨道交通5GWi-Fi6网络总体拓扑图

在区间轨旁，大约每隔150米布置一个无线接入点，这些无线接入点的有线网口通过RJ 45连接光电转换器，光电转换器将电信号转换成光信号，经单模光纤连接邻近车站的光电转换器，光电转换器将光信号重新转换为电信号，经RJ 45连接车站上的车站交换机。这样无线接入点在车辆段和轨旁构成了一个分布式的网络。无线接入点外接高增益定向天线，对整个轨道交通隧道区间和高架区间进行无线信号的覆盖[7]。

核心支撑网拓扑图如图4所示，其区主要由核心5G承载网、车站线路万兆环网、车地Wi-Fi 6无线子系统组成，组网思路如下：

图4 核心支撑网拓扑图

数据中心部署多台高性能交换机，采用虚拟化技术搭建40GE汇聚环网集群，解决各区域的高速互联互通问题，满足各地铁线路乘客大流量互联网请求；当用户量上升到10万并发后考虑部署单独的认证核心；车站部署万兆交换机采用扁平化10GE高性能、高可靠性环网技术，通过光纤连接到数据中心核心汇聚交换机组成骨干环网；车站部署千兆接入交换机POE连接站台、站厅的Wi-Fi 6 AP，业务方面具备千兆到Wi-Fi 6 AP；搭建车地无线子系统提供稳定的车地带宽[8]。

3 轨道交通Wi-Fi 6测试

单AP在5.8 GHz频段下持续ping网关IP地址100次，默认字节，平均时延20 ms，丢包率2%。单AP在5.8 GHz频段下持续ping 网关出口IP地址200次，800字节，平均时延40 ms，丢包率2%。测试结果如图5所示：

图5 无线接入延迟测试

4 结束语

Wi-Fi 6作为新的一代无线网络协议，相比Wi-Fi 5，Wi-Fi 6拥有大带宽、高并发、广连接、高速度、高覆盖、低功耗等特点。能够为用户带来了网络性能与速度的极大提升以及良好的体验。无线接入点能同时处理多个Wi-Fi流，可以支持更多设备并发，提升接入设备容量。接入设备多并发，可以减少排队现象，对于干扰可主动避开，降低延时。在终端设备待机时，支持按需唤醒功能，让终端功耗降低。本文将Wi-Fi 6和5G结合起来，针对不同业务场景和业务需求，提出了轨道交通Wi-Fi 6建设方案，适用于轨道交通或者其他对速度及可靠性要求较高的应用场景，为轨道交通的设计、建设与运营提供有效指导，更好地促进轨道交通的可持续发展。■