IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)在地鐵乘客信息系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

吳 昊 婁永梅（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

1 研究背景、目的和意義

現(xiàn)代城市軌道交通已不僅僅是一項(xiàng)交通工具，而且已成為提供出行、廣告、通信、購(gòu)物、娛樂(lè)等多種服務(wù)的新型城市活動(dòng)空間。隨著技術(shù)的進(jìn)步，各種服務(wù)功能將實(shí)現(xiàn)相互滲透、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，共同為社會(huì)提供多樣化的服務(wù)。

乘客信息系統(tǒng)（PIS）在地鐵空間里建立起一個(gè)動(dòng)態(tài)的信息系統(tǒng)，讓乘客身處地下空間，仍然能夠時(shí)刻保持與外部世界的信息交流，充分體現(xiàn)以人為本、以為乘客服務(wù)的宗旨，提高了地鐵運(yùn)營(yíng)總體服務(wù)水平和服務(wù)質(zhì)量。通過(guò)乘客信息系統(tǒng)提供的各類信息，使乘客安全、高效地在地鐵中行走，使地鐵車輛高效、安全地運(yùn)營(yíng)。同時(shí)，提高媒體宣傳的利用率，提升社會(huì)經(jīng)濟(jì)收益水平。

當(dāng)前IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)中工作在5 GH z頻段的IEEE802.11a和工作在2.4 G頻段的IEEE802.11g在城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)中已有廣泛運(yùn)用，但是隨著更多新業(yè)務(wù)需求的增加，基于IEEE802.11a和IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)的車地?zé)o線雙向傳輸帶寬已無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用需求，為了實(shí)現(xiàn)高帶寬、高質(zhì)量的W LAN服務(wù)，使無(wú)線局域網(wǎng)達(dá)到以太網(wǎng)的性能水平，802.11n應(yīng)運(yùn)而生，IEEE 802.11n使用2.4 GH z頻段和5 GH z頻段，IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)的核心是M IMO（m u ltip le-input m u ltip le-ou tpu t，多入多出）和OFDM技術(shù),傳輸速度300 M b it/s，最高可達(dá)600 M bit/s，可向下兼容IEEE 802.11b、IEEE 802.11g。

通過(guò)對(duì)IEEE802.11n標(biāo)準(zhǔn)在地鐵的應(yīng)用研究，提出研究方案，并通過(guò)模擬試驗(yàn)提出實(shí)施建議，為地鐵今后PIS系統(tǒng)的應(yīng)用以及無(wú)線的規(guī)劃和選擇提供借鑒。

吳昊，女，畢業(yè)于中南大學(xué)，工程師。主要研究方向?yàn)槌鞘熊壍澜煌ㄍㄐ判盘?hào)，曾參與“北京地鐵9號(hào)線通信信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”、“北京地鐵14號(hào)線通信信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”、“北京地鐵1、2號(hào)線自動(dòng)售檢票系統(tǒng)設(shè)計(jì)”、“德黑蘭地鐵二、三期工程通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)”、“軌道交通安全防范物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目“、“北京市政治中心區(qū)綜合管理物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目”等項(xiàng)目工作。

2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

802.11n標(biāo)準(zhǔn)在韓國(guó)首爾地鐵首次應(yīng)用外，其他應(yīng)用案例大多集中在電信運(yùn)營(yíng)商，在我國(guó)城市軌道交通還沒(méi)用應(yīng)用和開通業(yè)績(jī)。

3 主要研究?jī)?nèi)容

3.1 IEEE802.11n標(biāo)準(zhǔn)在城市軌道交通中的傳輸性能

IEEE802.11n標(biāo)準(zhǔn)可支持行駛速度80 km/h的列車的通信。網(wǎng)絡(luò)能以不小于30 M b it/s的平均速率在列車和地面雙向傳輸視頻影像和其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并能保證很小且穩(wěn)定的延遲。

3.2 在地鐵隧道和地面復(fù)雜干擾情況下的無(wú)線局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)

地鐵PIS系統(tǒng)全線沿軌旁設(shè)置無(wú)線接入點(diǎn)和天線；在控制中心設(shè)置本線無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線控制器，管理和控制本線無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；在列車上設(shè)置車載無(wú)線客戶端，以達(dá)到在全線范圍內(nèi)實(shí)時(shí)無(wú)縫的列車與地面間的圖像和數(shù)據(jù)傳遞。

車地?zé)o線網(wǎng)作為有線局域網(wǎng)的延伸，提供了地面有線網(wǎng)絡(luò)與列車的通信。無(wú)線控制器與軌旁A P之間采用FIT AP架構(gòu)，車載AP采用FAT AP架構(gòu)。FIT AP架構(gòu)由無(wú)線控制器、軌旁AP組成，其中無(wú)線控制器集中設(shè)置在運(yùn)營(yíng)控制中心，對(duì)全線軌旁AP進(jìn)行集中統(tǒng)一控制，在無(wú)線控制器可以完成軌旁AP的版本更新，配置下發(fā)以及單一命令的下發(fā)。車載AP與軌旁AP間采用FA T AP模式，主要考慮降低車載A P掉線再上線的時(shí)間間隔。減免車載AP與無(wú)線控制器進(jìn)行連接，建立隧道到重新下發(fā)配置的環(huán)節(jié)。

3.3 抗干擾分析及技術(shù)實(shí)現(xiàn)

1)環(huán)境模型

a．通用傳輸模型

地鐵隧道類型多種多樣，（橫截面）有矩形、圓形、弓形等，不同形狀、結(jié)構(gòu)對(duì)無(wú)線信號(hào)傳輸有不同影響。對(duì)于部署無(wú)線傳輸系統(tǒng)，首先必須了解距離對(duì)無(wú)線信號(hào)傳輸所產(chǎn)生的衰減。

最好的方法是在真實(shí)環(huán)境逐段進(jìn)行測(cè)試，這需要在一列車上安裝無(wú)線客戶端通過(guò)無(wú)線訪問(wèn)地面AP，這是一項(xiàng)非常費(fèi)時(shí)的任務(wù)，且測(cè)試環(huán)境搭建困難。為解決這一難題，可采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件事先對(duì)真實(shí)環(huán)境無(wú)線信號(hào)傳輸進(jìn)行模擬。

b．三維光線跟蹤模型

為獲得隧道內(nèi)更精確的無(wú)線傳播信息，可使用另外一個(gè)模型：三維光線跟蹤模型。該模型假定無(wú)線信號(hào)就象光線一樣在隧道內(nèi)壁、物體表面通過(guò)反射及衍射在隧道內(nèi)傳播，隧道內(nèi)任一點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度如下表一樣就是各個(gè)方向所有反射、衍射光線能量在該點(diǎn)的總和。

如圖1所示，接受點(diǎn)能量的大小取決于到達(dá)該點(diǎn)的光線路數(shù)、每路光線的強(qiáng)弱以及不同光線之間的相差。

如圖2顯示在400 m距離內(nèi)，公式計(jì)算的場(chǎng)強(qiáng)低于趨勢(shì)曲線的場(chǎng)強(qiáng)，400 m以后兩者非常接近。

2）干擾源及措施

干擾源及措施分析，如表1所示。

地面和隧道內(nèi)發(fā)射設(shè)備的合理配置布署及實(shí)施方案。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)及衰減計(jì)算A P布置間距遵循以下原則。

表1 干擾源及分析措施

* 700 m以下曲線半徑每150 m布置一個(gè)AP。

* 1 500 m以下曲線半徑每200 m布置一個(gè)AP。

* 1 500 m以上及支線區(qū)段每230 m布置一個(gè)AP。

* 原則上最大布置間距不超過(guò)250m。

隧道天線安裝為垂直隧道壁或線路安裝，如標(biāo)明需要偏向線路時(shí)暫按20°安裝，單體調(diào)試時(shí)再進(jìn)行調(diào)整。

隧道天線安裝時(shí)應(yīng)注意，天線輻射面前方15 m應(yīng)盡量保證沒(méi)有其他設(shè)備遮擋，如實(shí)在無(wú)法保證，單體調(diào)試時(shí)再進(jìn)行天線角度調(diào)整。

4 技術(shù)關(guān)鍵

1）IEEE802.11n標(biāo)準(zhǔn)在地鐵隧道和地面的無(wú)線傳輸要求

移動(dòng)的列車與地面之間具有實(shí)時(shí)雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Γ虼耍瑹o(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)滿足以下要求：

* 車-地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)能通過(guò)組播方式實(shí)現(xiàn)控制/臨時(shí)中心到列車的信息下發(fā)，并能實(shí)現(xiàn)廣播和尋址功能，將特定的信息發(fā)送給指定的一列或者幾列列車。通過(guò)6 M bit/s帶寬的傳輸通道將1路標(biāo)清數(shù)字視頻信息傳送給車輛。

* 實(shí)現(xiàn)將車輛客室監(jiān)視信息實(shí)時(shí)及準(zhǔn)實(shí)時(shí)上傳至控制中心的功能。

* 無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)滿足系統(tǒng)功能需求的帶寬，并留有需求帶寬25%以上的余量，且傳輸層雙向平均有效帶寬為30 Mbit/s。

* 車-地?zé)o線網(wǎng)確保沿軌道線安裝的無(wú)線接入點(diǎn)和在移動(dòng)列車上的移動(dòng)單元之間建立穩(wěn)定、安全且能避免沖突的連接。

* 在列車高速運(yùn)行時(shí)，不丟失連接和引起畫面質(zhì)量降低。在列車能與無(wú)線局域網(wǎng)接入點(diǎn)進(jìn)行通信的地方都應(yīng)進(jìn)行全面的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，包括正線、車輛段出入段線、停車列檢庫(kù)。

* 無(wú)線接入點(diǎn)和列車天線的設(shè)置保證列車始終存在可選的無(wú)線信號(hào)路徑。無(wú)線設(shè)備具備完善的切換機(jī)制無(wú)縫切換至最合適的接入點(diǎn)，切換時(shí)間小于50 m s。

* 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)局域網(wǎng)的丟包率在1%以下。

5 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

對(duì)CBTC和PIS系統(tǒng)的相互干擾以及和其他無(wú)線系統(tǒng)的相互干擾問(wèn)題提出解決方案，提高地鐵安全生產(chǎn)的可靠性。提高無(wú)線傳輸帶寬。

1）主要抗干擾措施

a．雙頻支持，避免與地鐵信號(hào)等其他無(wú)線系統(tǒng)互相干擾

無(wú)線AP的雙頻支持特性（2.4 GH z，5 GH z），可根據(jù)信號(hào)系統(tǒng)采用的頻率情況，選用完全互不干擾的頻率進(jìn)行無(wú)線覆蓋，從而絕對(duì)保證信號(hào)系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠。

b．異頻信道布設(shè)，避免產(chǎn)生同頻干擾

802.11n 2.4 GH z包含3個(gè)完全不重疊信道，分別為1、6、11。本系統(tǒng)中，PIS軌道沿線節(jié)點(diǎn)A P使用信道6（信號(hào)專業(yè)使用1、11），列車上的無(wú)線回程模塊僅需交替掃描信道6，既減少了掃描時(shí)間，提高切換速度，同時(shí)，相鄰節(jié)點(diǎn)采用非重疊的信道有效的保證性能不受干擾的影響。

2）M IMO天線的應(yīng)用

M IMO的優(yōu)點(diǎn)是能夠增加無(wú)線范圍并提高性能。連接到老的802.11g接入點(diǎn)的802.11n站點(diǎn)能夠以更高的速度連接到更遠(yuǎn)的距離。無(wú)線電發(fā)送的信號(hào)被反射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多份信號(hào)。每份信號(hào)都是一個(gè)空間流。使用單輸入單輸出（SISO）的當(dāng)前或老系統(tǒng)一次只能發(fā)送或接收一個(gè)空間流。M IM O允許多個(gè)天線同時(shí)發(fā)送和接收多個(gè)空間流。它允許天線同時(shí)傳送和接收。

如圖3可以看出，此時(shí)的信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大。也就是說(shuō)可以利用M IMO信道成倍地提高無(wú)線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。利用M IMO技術(shù)可以提高信道的容量，同時(shí)也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。前者是利用M IMO信道提供的空間復(fù)用增益，后者是利用M IMO信道提供的空間分集增益。

M IM O是指一個(gè)系統(tǒng)在發(fā)送和接收端采用多個(gè)天線進(jìn)行無(wú)線信號(hào)的收發(fā)，以提高通訊的性能。它是當(dāng)今無(wú)線最熱門的技術(shù)，無(wú)論是LTE、W IMAX，還是802.11n，都把M IMO列入射頻的關(guān)鍵技術(shù) 。

M IMO用In×Out來(lái)表示。對(duì)于當(dāng)前的11n產(chǎn)品，AP側(cè)典型的是3×3，網(wǎng)卡側(cè)典型的是2×2。

3）無(wú)線終端設(shè)備的高速移動(dòng)漫游切換技術(shù)

考慮到地鐵沿線的特殊條件和特征，采用W LAN IEEE802.11n技術(shù)，應(yīng)用先進(jìn)的AP快速切換技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了業(yè)界“零時(shí)間AP切換”的效果。

4）無(wú)線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸安全技術(shù)

數(shù)據(jù)安全傳輸加密技術(shù)主要包括以下方面的內(nèi)容：

支持802.1x認(rèn)證：無(wú)線接入設(shè)備只有通過(guò)了802.1x認(rèn)證成功后，才能接入網(wǎng)絡(luò)。

M AC地址過(guò)濾：目前支持基于M AC地址的過(guò)濾，限制具有某種類型的M AC地址特征的終端才能進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)中。

SSID管理：是一種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)的方案，將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一個(gè)邏輯化標(biāo)識(shí)，對(duì)終端上發(fā)的報(bào)文都要求進(jìn)行上帶SSID，如果沒(méi)有SSID標(biāo)識(shí)則不能進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。

WEP加密：WEP加密是一種靜態(tài)加密的機(jī)制，通信雙方具有一個(gè)共同的密鑰，終端發(fā)送的空口信息報(bào)文必須使用共同的密鑰進(jìn)行加密。

支持A ES加密，A ES安全機(jī)制是一種動(dòng)態(tài)密鑰管理機(jī)制，同時(shí)密鑰生成也基于不對(duì)稱密鑰機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)密鑰的管理也定期更新，具體的時(shí)間由系統(tǒng)可以設(shè)定，一般情況都設(shè)定為5 m in左右，這樣非法用戶要想在5 m in之內(nèi)進(jìn)行獲取足夠數(shù)量的報(bào)文進(jìn)行匹配出密鑰出來(lái)，從無(wú)線空口的流理來(lái)看，基本上是不可能的。

數(shù)據(jù)傳輸安全管理主要包括以下方面的內(nèi)容：

*采用定向小夾角天線減少電波覆蓋的范圍；

*把不同類型的數(shù)據(jù)經(jīng)由不同的V LA N進(jìn)行傳輸；

*在網(wǎng)絡(luò)層建立VPN隧道，進(jìn)一步提高經(jīng)由無(wú)線傳輸信息的保密性、完整性和有效性。

6 推廣應(yīng)用前景分析

PIS系統(tǒng)是目前國(guó)際和國(guó)內(nèi)城市軌道交通的熱點(diǎn)和亮點(diǎn)，而車地?zé)o線通信是PIS系統(tǒng)最需要關(guān)心的方面。該項(xiàng)目研究了802.11n標(biāo)準(zhǔn)在PIS系統(tǒng)中的無(wú)線傳輸性能，將在一段時(shí)期內(nèi)為新線建設(shè)及舊線的改造起到規(guī)范及指導(dǎo)作用。

[1]周渝霞.基于MIMO技術(shù)的IMT-Advanced通信系統(tǒng)[J].黑龍江科技信息,2009(10):3-7.

[2]謝偉良，楊濤.天線設(shè)計(jì)對(duì)MIMO性能的影響[C]//中國(guó)通信學(xué)會(huì)信息通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)委員會(huì).2011年年會(huì)論文集（上冊(cè)）．2011.

[3]佩拉亞，斯泰西．下一代無(wú)線局域網(wǎng):802.11n的吞吐率、強(qiáng)健性和可靠性[M].北京：人民郵電出版社， 2010.