地鐵乘客信息系統(tǒng)車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)方案分析

郭健

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.22.092

摘 要：該文介紹了地鐵乘客信息系統(tǒng)車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)現(xiàn)狀及主要方案，提出了車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)的需求分析，根據(jù)地鐵工程建設(shè)的特點(diǎn)，對(duì)WLAN方案、WiMAX方案及LTE方案三種無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，并最終提出了地鐵乘客信息系統(tǒng)車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方案建議。

關(guān)鍵詞：地鐵 乘客信息系統(tǒng) 車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò) WLAN LTE

中圖分類號(hào)：TN873 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）08（a）-0092-03

The Analysis of Vehicle-to-ground Wireless Communication Network for Metro Passenger Information System

Guo Jian

（The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin，300251，China）

Abstract：Introduce present situation and main plans of Vehicle-to-ground wireless communication network in Passenger information system of metro， propose the demand analysis of Vehicle-to-ground wireless communication network， analysis three difference of the plans which is WLAN plan， WiMAX plan and LTE plan according to the characteristic of metro project， and bring proposals for the networking of Vehicle-to-ground wireless communication network.

Key Words：Metro；Passenger information system；Vehicle-to-ground wireless communication network；WLAN；LTE

地鐵乘客信息系統(tǒng)（PIS系統(tǒng)）是利用多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心，以車站及車載顯示終端為媒介，向乘客提供信息服務(wù)顯示的系統(tǒng)。乘客信息系統(tǒng)不但向乘客播放地鐵列車到達(dá)時(shí)間預(yù)告、換乘信息及時(shí)間等和乘車相關(guān)的信息，還可以播放重要的新聞及天氣預(yù)報(bào)、廣告等視頻資訊信息，并在災(zāi)害情況下作為緊急疏散的輔助手段，是地鐵用來(lái)實(shí)現(xiàn)以人為本，提高地鐵服務(wù)質(zhì)量，加快各種重要信息傳遞的重要系統(tǒng)，是提高地鐵運(yùn)營(yíng)管理水平，擴(kuò)大地鐵對(duì)旅客服務(wù)范圍的有效工具。

1 地鐵乘客信息系統(tǒng)車地?zé)o線通信技術(shù)的建設(shè)現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)建設(shè)的地鐵項(xiàng)目中，乘客信息系統(tǒng)均設(shè)置車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)。在早期的項(xiàng)目建設(shè)中，車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)主要采用WLAN（802.11無(wú)線局域網(wǎng)）技術(shù)。隨著無(wú)線技術(shù)的發(fā)展，近期建設(shè)的地鐵項(xiàng)目越來(lái)越多采用LTE技術(shù)組建車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)。

2 地鐵乘客信息系統(tǒng)車地?zé)o線通信技術(shù)的需求分析

隨著國(guó)內(nèi)地鐵快速的建設(shè)發(fā)展，乘客信息系統(tǒng)在地鐵的日常運(yùn)營(yíng)中扮演著越來(lái)越重要的角色。乘客信息系統(tǒng)不僅在車站及車廂內(nèi)發(fā)布廣告、緊急通知等信息，還須將車廂內(nèi)的視頻監(jiān)視圖像信息及車輛段狀態(tài)信息上傳至地鐵控制中心。因此，乘客信息系統(tǒng)車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性及實(shí)時(shí)性是十分必要的。

地鐵乘客信息系統(tǒng)車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)承載的主要業(yè)務(wù)有車載PIS數(shù)據(jù)下發(fā)（下行）、車載視頻監(jiān)控圖像回傳（上行）以及車輛狀態(tài)信息上傳（上行）。

（1）車載PIS數(shù)據(jù)下發(fā)（下行）：乘客信息系統(tǒng)需將控制中心下發(fā)的播放節(jié)目通過(guò)車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)搅熊?，并在車廂的乘客信息顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。從控制中心乘客信息系統(tǒng)設(shè)備通過(guò)車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)傳給車載PIS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)視頻信息應(yīng)為1路高清信號(hào)，帶寬需求為8 Mb/s。

（2）車載視頻監(jiān)控圖像回傳（上行）：車載視頻監(jiān)控圖像回傳是車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)最大的上行傳輸業(yè)務(wù)需求，用于實(shí)現(xiàn)控制中心對(duì)移動(dòng)的列車車廂內(nèi)狀況的實(shí)時(shí)安全監(jiān)控。列車視頻監(jiān)控系統(tǒng)上傳到控制中心車輛地面服務(wù)器的實(shí)時(shí)視頻按同時(shí)傳2路考慮，每路視頻占用2 Mb/s的帶寬，總計(jì)4 Mb/s的上行帶寬需求。

（3）車輛狀態(tài)信息上傳（上行）：各在線運(yùn)營(yíng)列車向控制中心車輛地面服務(wù)器實(shí)時(shí)上傳車輛狀態(tài)信息，車輛狀態(tài)信息上行帶寬需求為1路200 kb/s。

由表1可以看出，乘客信息系統(tǒng)車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)帶寬需求為上行4.2 Mb/s，下行為8 Mb/s。

3 地鐵乘客信息系統(tǒng)車地?zé)o線通信主要技術(shù)對(duì)比

在無(wú)線通信技術(shù)中，可滿足乘客信息系統(tǒng)車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)帶寬需求的主要技術(shù)有WLAN技術(shù)、LTE技術(shù)及WIMAX技術(shù)。車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)主要技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表2。

3.1 WLAN技術(shù)

WLAN方式是基于802.11標(biāo)準(zhǔn)，工作頻段在2.4 G/5.8 GHz的無(wú)線寬帶技術(shù)。802.11系列標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展至今，經(jīng)過(guò)不斷完善，技術(shù)已經(jīng)成熟。802.11g能夠兼容802.11a/b產(chǎn)品，最大傳輸速度54 Mbps，且安全性較高。802.11n是2009年批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速度理論值為600 M，且傳送距離更遠(yuǎn)。802.11ac是Wi-Fi聯(lián)盟在802.11a/b/g/n之后制定的一個(gè)無(wú)線傳輸標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)高帶寬、高質(zhì)量的WLAN 服務(wù)，使無(wú)線局域網(wǎng)達(dá)到以太網(wǎng)的性能水平。

802.11ac采用MIMO（多入多出）與OFDM（正交頻分復(fù)用）等技術(shù)，其物理帶寬867 Mbps，實(shí)測(cè)靜止帶寬500 Mbps以上。

WLAN技術(shù)主要為靜止或慢速移動(dòng)狀態(tài)下通信應(yīng)用開(kāi)發(fā)，對(duì)高速移動(dòng)通信支持較差，漫游功能尚不完善。針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)備存在的這些問(wèn)題，為滿足地鐵列車高速移動(dòng)情況下的實(shí)時(shí)通信需求，工程實(shí)施中可采用基于802.11標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

3.2 LTE技術(shù)

LTE是英文Long Term Evolution的縮寫。LTE也被通俗地稱為3.9 G，具有100 Mbps的數(shù)據(jù)下載能力，被視作從3 G向4 G演進(jìn)的主流技術(shù)。

在傳輸速率方面，LTE技術(shù)采用了MIMO，自適應(yīng)調(diào)制編碼（Auto Modulationand Coding，AMC）及混合自動(dòng)重傳（Hybrid ARQ，HARQ）等技術(shù)，在20 MHz頻譜帶寬能夠提供下行100 Mbps、上行50 Mbps的峰值速率。通過(guò)MBMS（多媒體廣播和組播業(yè)務(wù)）技術(shù)在小區(qū)邊界可提供20 Mb/s的數(shù)據(jù)速率。

在頻譜效率方面，LTE頻譜效率可以達(dá)到1.5，這意味著系統(tǒng)使用10 MHz頻寬時(shí)，用戶數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到15 Mb/s。

在網(wǎng)絡(luò)時(shí)延方面，因?yàn)長(zhǎng)TE技術(shù)把所有的業(yè)務(wù)都放在IP基礎(chǔ)上，系統(tǒng)在無(wú)鏈接的IP協(xié)議上提供移動(dòng)業(yè)務(wù)支持，所以能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部單向傳輸時(shí)延低于5 ms，控制平面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)遷移時(shí)間低于50 ms，從駐留狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時(shí)間小于100 ms。

目前LTE技術(shù)已在電信運(yùn)營(yíng)商大規(guī)模商用。在鄭州地鐵，LTE技術(shù)作為乘客信息系統(tǒng)車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。

3.3 WiMAX技術(shù)

WiMAX以IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，為固定用戶及移動(dòng)用戶提供高帶寬的網(wǎng)絡(luò)接入。WiMAX技術(shù)可實(shí)現(xiàn)最大峰值傳輸速度70 Mbps，覆蓋范圍達(dá)50 km，抗干擾能力強(qiáng)。

802.16m已通過(guò)了IEEE認(rèn)證，采用802.16標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備具有傳輸速率快、覆蓋范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)、安全性高等特點(diǎn)，可滿足高速移動(dòng)用戶的網(wǎng)絡(luò)接入需求。但在國(guó)內(nèi)尚無(wú)應(yīng)用實(shí)例，僅在廣州地鐵進(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)，且相關(guān)成熟產(chǎn)品較少。

4 車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的選擇

從以上主要技術(shù)分析對(duì)比來(lái)看，WiMAX技術(shù)未通過(guò)中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)審定，也無(wú)頻率分配，技術(shù)發(fā)展緩慢，在國(guó)內(nèi)尚無(wú)應(yīng)用實(shí)例，且相關(guān)成熟產(chǎn)品較少，不建議地鐵采用此方案組建車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)。

WLAN技術(shù)應(yīng)用于靜止或慢速移動(dòng)狀態(tài)用戶的網(wǎng)絡(luò)接入，對(duì)高速移動(dòng)用戶支持較差。但通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)，可實(shí)現(xiàn)視頻信息的流暢傳輸，可滿足地鐵對(duì)車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)的要求。WLAN技術(shù)在全國(guó)已開(kāi)通的地鐵線路中有大量應(yīng)用案例。在頻率使用方面，2.4 G頻段為開(kāi)放頻段，易與其他系統(tǒng)及民用設(shè)備產(chǎn)生干擾；5.8 G為專用頻段，在使用之前需向當(dāng)?shù)責(zé)o線電管理部門提出頻率申請(qǐng)。

LTE技術(shù)適用于高速移動(dòng)用戶的網(wǎng)絡(luò)接入，技術(shù)成熟，在鄭州地鐵的PIS系統(tǒng)中已有開(kāi)通運(yùn)營(yíng)案例，且在全國(guó)正在建設(shè)的地鐵線路中有多條線路正在建設(shè)采用LTE技術(shù)的乘客信息系統(tǒng)車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)。地鐵車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)LTE設(shè)備采用1 785～1 805 MHz頻段，在使用之前需向當(dāng)?shù)責(zé)o線電管理部門提出頻率申請(qǐng)。

綜上所述，由于LTE技術(shù)更加適應(yīng)高速移動(dòng)用戶的網(wǎng)絡(luò)接入，能更好地應(yīng)用于地鐵的運(yùn)營(yíng)環(huán)境，且具有系統(tǒng)安全性高、覆蓋范圍廣、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)小、帶寬高等優(yōu)點(diǎn)，因此建議地鐵車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)采用LTE技術(shù)組網(wǎng)，LTE車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成圖見(jiàn)圖1。

5 結(jié)語(yǔ)

由于乘客信息系統(tǒng)車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)在地鐵的運(yùn)營(yíng)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，因此對(duì)車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)線技術(shù)的選擇是十分必要的。該文對(duì)現(xiàn)有主流無(wú)線通信技術(shù)在地鐵乘客信息系統(tǒng)車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用進(jìn)行了對(duì)比分析，為今后地鐵乘客信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

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