軌道交通乘客信息系統車地無線傳輸方案設計與優化

于 鑫，闞庭明，吳 卉

（中國鐵道科學研究院電子計算技術研究所，北京100081）

乘客信息系統（PIS）是依托網絡技術和多媒體傳輸技術，以計算機系統為核心，以車站和車載顯示終端為媒介向乘客提供信息服務的系統。通過系統車載設備接收無線傳輸的信息經處理后實時在列車車廂終端進行音視頻播放，使乘客通過正確地鐵乘客信息系統車地無線雙向傳輸系統一般采用IEEE802.11標準，大多工作在2.4 GHz頻段，由于地鐵無線傳播環境比較復雜，因此車地無線傳輸系統方案設計應根據現場實際、設備性能及工程經驗詳細分析并不斷優化。

1 車地無線雙向傳輸結構設計

無線網絡是為乘客信息顯示系統提供無線傳輸信息的基礎平臺，為信息流從控制中心，經各線車站，為各線列車提供高速、穩定、可靠的傳輸服務，以達到在全線范圍內，實時、無縫的完成車、地間的圖像和數據傳遞。一般包括WLAN無線控制器、軌旁AP（Acces Point ，無線接入點）、車載AP等，結構設計如圖1。

2 外界干擾分析

在規定范圍內可以使用的2.4 GHz頻段上只有3個不重疊的頻點。系統工作在這3個頻點上的時候，相互之間沒有干擾可以并發運行。一般由于信號系統已經占用了兩頻點，所以PIS只能工作在1個頻點，即“同頻工作模式”，在此模式下，PIS的有效帶寬會有所下降，這是因為無線局域網是半雙工的工作模式，一旦有發送方占用帶寬，在同頻工作模式下的其它設備只能等待，而在“異頻工作模式”下，PIS相鄰AP工作在不同頻點，系統容量會隨之增大。

2.1 同頻干擾分析

圖1 車地無線雙向傳輸網絡結構圖

在同頻工作模式下，如果兩列地鐵列車關聯在同一AP，或者兩列地鐵列車分別關聯在兩個覆蓋范圍基本重合的AP上的時候，系統會短時間受到同頻干擾的情況影響。在單線雙軌的地面上兩車會車時，或者兩個方向列車同時?？恳粋€車站的站臺時，可能發生同頻干擾。

2.2 多徑干擾分析

當傳輸信號在隧道內壁、車體及其它室內物體上進行反射時會產生多徑效應。在這種情況下，傳輸信號并非通過單一的直接路徑到達接收器，而是經過多個不同路徑。信號從發射器到接收器所經歷的每條路徑長度不同，因此每個信號的延遲不同。最終接收到的信號實際上是經過多次迭加而產生的信號，每個迭加信號都在不同時刻到達接收器，每個迭加信號的強度均不相同。這樣接受到的信號就產生了畸變。在隧道環境中，隧道是一個封閉的室內環境，并且由于隧道材料的因素，所以發射的信號會產生多徑問題。

2.3 其他電磁干擾

在地鐵環境還存在如安防、GSM、CDMA等相關系統的干擾。

3 抗干擾對策

3.1 同頻干擾對策

同頻干擾采用如下的方式來實現沿著鐵軌的WLAN信號連續覆蓋，避免同頻干擾對系統的影響。

（1）每個方向上的每個車站區間，都需要在每隔大約200 m的距離部署一個AP設備。

（2）采用定向性好的方向性天線（提高傳輸性能，避免信號的無效泄漏）。

3.1.1 對抗會車干擾

在只能使用1個信道的情況下，必須考慮車輛相會時的同頻干擾。由于無法使用不同信道來防止會車干擾，那么可以使用不同極化方式的天線來減輕干擾。如圖2。

圖2 對抗會車干擾示意圖

3.1.2 對抗民用AP干擾

當地鐵列車在高架上行駛時，來自高架兩旁的民用信號可能對PIS的無線信號造成干擾。民用WiFi設備信號從建筑物中透出能量的輻射方向大部分垂直于高架，因此如果沿著高架部署窄波束定向天線將能比較好的抑制同頻干擾。

3.1.3 對抗相鄰AP干擾

相鄰AP的間隔在200 m以內，結合實際情況合理的設計相鄰AP之間的重疊區域能夠很好地降低干擾如圖3。同時，在大多數情況下，由于行車間隔的限制，相鄰AP不會同時有數據傳送，一般只有一個AP在跟車載系統通信，而其相鄰AP只周期發射信標幀。這些信標幀數據量小，同時相比數據幀，其發送的周期也長很多，因此造成的干擾可以忽略不計。

圖3 對抗相鄰AP干擾示意圖

3.2 多徑干擾對策

3.2.1 采用分極天線減輕多徑干擾

采用分極天線的方式，即為每一個車載無線單元配置了雙天線，通過設置，使這兩只天線工作在分極模式下。通過分極天線的方式可以在一定程度上消除多徑干擾的問題，其原理是無線接入點每一次創建一個多路徑條件，通過比較2個天線接受下來的無線信號，選擇其中一個質量較好的信號進行接受。從而較好的還原信號。這樣一定程度上克服多徑問題帶來的影響。

3.2.2 采用定向天線減輕多徑干擾

在軌旁以及車載部分都采用小角度的定向天線的方式進行接收與發送，和全向天線不同，定向天線的發射角度較小，在隧道封閉環境中產生反射的情況大大較少，從而在一定程度上克服了多徑問題。

3.3 其它無線系統對PIS無線網絡干擾的情況分析

如果PIS采用WLAN 802.11b/g技術，其工作頻段為2.4 GHz～2.483 GHz，由于其它通信系統工作在不同的頻點，對于軌旁和車載無線接入點，在內部硬件中，都設計了專業的多級濾波器，只放大了2.4 GHz～2.483 GHz之內的信號，而濾除了其它頻段的信號，因此其它頻段的信號幾乎可以全部衰減，從而避免了對其它無線系統對PIS無線系統的干擾。

4 軌旁AP布點設計方案

4.1 軌旁AP布點設計原則

無線電波傳播特性與電波傳播環境密切相關，無線通信的物理載體是無線電波，信源與信宿之間的物理環境對無線通信系統的部署和性能有著較大的影響。結合地鐵行業的特殊應用環境，根據無線信道的傳播特性和電波傳播方式建立恰當的傳播模型，準確地對傳播損耗做出預測，是地鐵無線網絡軌旁AP布點規劃的重要原則。軌旁的接入點設備、列車天線的設置保證列車和固定網絡間始終存在可選的無線信號路徑。當前接入點信號減弱的時候，車載無線設備應能無縫切換至最合適的接入點。軌旁AP布點規劃可參照如下主要原則進行。

（1） 所有軌旁AP均部署在隧道以及開放區段的弱電一側。

（2） 為保證在某一軌旁AP意外失效的情況下，相鄰軌旁AP仍可覆蓋原失效AP的覆蓋區域，避免軌旁AP無線覆蓋區域出現盲點而導致車地通信中斷，軌旁AP的有效無線信號覆蓋范圍應設計為2倍的AP部署間距。

（3） 為了避免AP之間覆蓋區域的過渡重疊而造成不必要的同頻干擾，建議結合實際情況將AP發射功率設定在與其覆蓋范圍相對應的級別上，即避免某一地點車載無線單元接收到多于2個以上的軌旁無線信號覆蓋，即實現AP的無縫切換。

（4） 根據無線鏈路計算及地鐵實際環境下的測試和工程實踐經驗，建議直道軌旁AP的平均部署間距為150 m～180 m左右，具體點位，需要在實際勘測時確定。

（5） 彎道處的軌旁AP部署間距應以可視距離為參考原則，具體部署位置可根據實際工程勘測結果進行進一步調整。

（6） 高架區段、共線路段、線路交叉坡道路段等環境的軌旁AP部署位置在以上原則基礎上建議根據實際工程勘測結果最終確定。

（7） 站臺附近如存在抽風機設備，在站臺長度不長的情況下，為避免抽風機對無線信號的阻隔和反射影響，建議站臺兩端軌旁AP部署點選擇距離抽風機稍遠的地方。

（8） 軌旁AP的布點設計還需避開隧道內的人防段和隔斷門位置。

（9） 軌旁AP天線安裝支架的設計能夠適應各種不同隧道洞型的差異，以確保軌旁天線與車載天線的極化方向始終保持一致。

4.2 AP部署方案

4.2.1 雙軌部署單向天線

上行和下行的AP設置為同一個頻點，共線區間只安裝一個方向的天線,這樣可以避免兩列車的車尾無線單元同時接入同一個AP。

如圖4，上行和下行的AP設置為同一個頻點，例如：頻點1。列車車頭和車尾無線單元的工作頻點也設置為頻點1。由于在共線區間的某個線路上只安裝一個方向的天線，用于服務車尾無線移動單元，從而保證上行列車和下行列車的車尾無線單元始終接入各自相應線路的AP。如圖4，相向的兩列車會車時，上行車接入上行的AP2，下行車接入下行的AP2’。

圖4 雙軌部署單向天線示意圖

通過軟件的方式使車載AP始終工作在車尾模式下，可避免列車接入另外一條軌道的AP。

4.2.2 上下行線路采用不同SSID

上、下行線路的所有AP，均采用了同樣的SSID（Service Set Identifier,服務集標識），是“車載無線單元”在上面討論的單線雙軌線路、會車等條件下，兩個方向上的車輛關聯相同的AP的主要原因。當然，上下行線路設置同一SSID的好處是，車輛上的“車載無線單元”在反向運行時，不用修改SSID參數。

為了避免在單線雙軌線路發生同一AP連接不同方向來車的情況發生，可以考慮如下措施。

（1）預先將上行和下行線路上面的AP的SSID設為不同SSID，如SSID-UP（上行）, SSID-DN（下行）。

（2）“車尾工作”仍然為主模式，“車頭工作”仍然為備份模式。

（3）列車運行的方向信息（上行或者下行），通過與車輛信號系統的接口傳遞到車內的車載服務/控制器上。

（4）車載服務/控制器根據此信息，通過有線網絡，告知位于車尾和車頭的車載無線單元—也就是“無線工作組網橋”—將當前工作的SSID設定為正確的值（比如從車輛信號接口獲得的信息表明列車即將由上行轉為下行，則此時主“視頻控制器”通知“無線工作組網橋”將工作的SSID設置成SSID-DN）。

通過上述的步驟，可以確保在共線區間內，上下行列車由于設定SSID不同，從而不可能關聯同一AP，而只能關聯到各自運行線路的AP上，并且也能夠保證“車尾工作”與“車頭工作”的主用/備用關系。

4.2.3 高架帶聲屏障路段AP部署方案

高架帶聲屏障路段部分，為了降低聲屏障對于無線電波的反射，通過測試建議AP部署方式和普通高架部分和單線雙軌線路大致一致，只是在AP間的距離、密度和發射功率方面進行調整，即在直線部分AP間的距離在150 m左右，使AP的發射功率與其覆蓋范圍相匹配。

5 設計優化

結合設備選型、設備布置安裝、有線網絡支持，進行模擬試驗，確定并優化無線網絡漫游方案，實現高速切換。

車載設備的漫游切換，是技術關鍵所在。由于無線信號具有較大的時變性，即某時刻遠一些距離收到的信號可能比近一些距離收到信號要好，因此對于如何更準確的判定信號質量是個關鍵。借鑒經驗，將判定算法移植到WLAN設備中，可達到很好效果。

5.1 快速安全漫游切換機制

通常的無線局域網漫游切換過程，需要3個方面的處理開銷。

（1）漫游主體決定切換—尋找合適的新AP——重新關聯。

（2）如果實施了802.1x/EAP，快速重新認證和將會話密鑰送給新AP（如果只采用靜態Wep，則沒有這個處理過程的開銷）。

（3）有線網絡對漫游主體的轉發地址更新過程（如果是2層漫游，則更新MAC地址轉發表；如果是3層漫游，則更新IP地址轉發表）；地址更新過程采用了IAPP (Inter-Access Point Protocol)技術，主動將漫游事件的后果通知上游設備，而不是被動等待數據流觸發的學習更新和AP的關聯信息的超時，從而縮短了地址更新的時間。

該技術實現完全集中在車載設備（WGB）上。如上文所述，WGB引入“移動站”功能選項后，漫游切換時間縮短，當WGB發現與正在通信AP的傳輸信號質量變差(RSSI值降低)，過多的無線電射頻干擾，或者高誤碼率的時候，WGB就會在不影響當前通信的同時開始掃描查找新的AP；一旦發現新的AP信號質量好于正在通信的設備，馬上切換。

5.2 車尾優先工作的依據

為了滿足地鐵的高可用性，要求在車頭和車尾的司機室內分別部署一套車載無線單元、視頻服務器及車載交換機。在正常情況下，視頻數據通過其中一個司機室的無線鏈路與有線網通信，只有在這個司機室內的無線單元或者視頻服務器發生故障的時候，才切換，通過另一司機室內的設備同有線部分進行通信。

根據地鐵實際環境和測試結果，采用車尾為主的工作方式進行工作，在車尾司機室內設備發生故障的情況下，車內視頻系統才通過車頭司機室內的設備與有線系統進行通信。

如圖5，以車尾為主進行工作時，車載無線單元經過的無線信號覆蓋強度是由強到弱。在這種情況下，車載無線單元非常容易判斷切換條件，因為在切換點，相鄰2個AP的無線信號的場強差異很大，車載無線單元可以立刻做出判斷進行切換。

圖5 車尾天線漫游切換示意圖

如圖6，當以車頭為主進行工作時，車載無線單元經過的無線信號覆蓋強度是由弱到強的，在這種情況下，當車載無線單元進入到切換點附近的時候，相連2個AP的無線信號的場強差異很小，這時車載無線單元很難做出判斷，會產生一小段猶豫比較過程，從而增加了切換時間。而且缺少了信號預檢測過程，難以完成快速切換過程。

圖6 車頭天線漫游切換示意圖

通過比較，一般采用車尾工作為主的模式，只有在車尾設備出現故障的情況下，才切換至車頭工作的模式。

6 結束語

車地無線傳輸技術是保證車站到車輛之間的各種數據信息、視頻信息和控制信息穩定傳輸的關鍵技術，其傳輸質量直接影響日常運營工作的正常開展和乘客的乘車感受。在工程應用中，可根據現場實際情況，采取相應措施有效避免傳輸干擾，達到良好的系統運行效果。

[1] 朱勝利 ，佟麗華，蔡曉蕾，楊佳愉. 北京地鐵5號線乘客信息系統網絡平臺關鍵技術研究[J] . 鐵路計算機應用，2008， 17（7）.

[3] 蔡國濤，陳蕾. 對乘客信息系統（PIS）的分析[J] . 現代城市軌道交通，2008（1）.

[4] 曾娜，許昆，李軍. 軌道交通乘客信息系統的設計[J] .自動化與儀表，2011（6）.

[5] 吳闖龍. 城市軌道交通乘客信息系統的發展[J] . 鐵路通信信號工程技術，2007（5）.