地鐵乘客信息系統車地無線通信方案分析

謝鵬

（中國鐵建電氣化局集團第二工程有限公司，太原030023）

1 引言

乘客信息系統，簡稱PIS，是地鐵信息傳播的重要平臺。PIS依托多媒體網絡和無線網絡技術，向乘客提供列車運行信息及實時資訊在緊急情況下可以迅速進入防災應急模式，為乘客提供有效的緊急避險信息。

2 系統帶寬需求及現狀調查

車地無線網絡為PIS 提供車地無線傳輸通道，它將地面實時數據傳輸至列車終端內，同時將車載監控圖像上傳地面指揮中心。它能實現指揮中心—車站—列車相互間實時、無縫地傳遞車地數據，是PIS 的重要組成部分。地鐵列車按照6 節車廂計算，每節車廂設置2 臺720P 高清攝像機，車頭車尾各設置1 臺720P 高清攝像機，則列車同時上傳14 路圖像需要的帶寬為：（6×2+2）×2Mbps=28Mbps；每列車可接收2 路高清視頻信號，根據計算得知每路高清視頻信號占用帶寬8Mbps，則列車同時接收2 路高清視頻信號需要的帶寬為：2×8Mbps=16Mbps；因此，PIS 車地無線網絡所需總帶寬為44Mbps，按照25%的冗余量計算得44+44×25%=55Mbps，因此，系統傳輸帶寬應不小于55Mb ps。

隨著可靠雙向無線通信技術突破，在我國新建成的地鐵中已開始大量采用車地雙向實時通信技術，不僅提高了列車的安全性，也可能引發我國地鐵列車運營管理模式從地鐵車輛運行管理向乘客運營交通服務管理的新型轉換。目前，國內主流的車地無線網絡通信系統解決方案是局域網(WLAN)聯網技術和無線LTE 聯網技術[1]。

3 WLAN技術下的PI S 車地無線通信

3.1 系統簡介

WLAN 是兼先進性、使用性和可擴展性于一體的成熟技術?；赪LAN 技術下的車地PIS 無線通信系統，不需要使用線纜介質，在電磁波的作用下實現對各項數據的發送和接收。

3.2 系統構成

系統主要由車載電臺、車載交換機、車站服務器、控制中心設備、區間AP 天線等組成。在無線鏈路的支持下，視頻、數據信息能夠與有線網絡進行實時通信。核心技術模塊采用基于E-IEEE 802.11g 視頻標準，支持無線組播、單播等視頻功能。

WLAN 目前采用的是基于2.4GHz 的開放頻帶，其數據帶寬與設備的移動速度呈現反比例特征，在10km/h 速度下最高數據帶寬只有約20Mbps，最遠的有效傳輸距離約為400m，由于地下環境條件限制，為了確保無線信號的強度，保證通信質量的可靠性，一般在地下線路約250m 處設置1 套AP 天線。

3.3 系統優劣分析

系統的優劣分析從以下4 方面進行：

1）系統構成簡潔，安裝方便、應用靈活。每個車站無線交換機可以連接多個AP 點，能夠根據實際需要進行擴展，實現AP 信號的全方位覆蓋。每個AP 點采用單獨的單模光纜和電源線與室內設備連接，也可根據無線AP 點的數量配置多臺交換機。

2）軌旁AP 設備模塊化程度高，安裝簡單，設備維修的工作量較??；設備廠家一般有現貨庫存，工程投資較少，長期運營維護費用低；AP 設備安裝高度只需超過車載電臺即可，施工方便、危險性小。

3）在2.4GHz 開放工作頻段上干擾源多，如無繩電話、藍牙設備等都會對WLAN 信號產生干擾，在該頻段內只有1、6、11 這3 個信道之間互不干擾，在AP 信號的應用中非常容易與地鐵其他無線網絡系統產生沖突；在列車高速行駛時，會對隧道內電磁波信號產生較大干擾。

4）WLAN 無線傳輸方式為自然空氣傳播，衰耗較大，且AP 天線功率較小，區間隧道內需設置多個AP 天線來滿足場強覆蓋的需要。由于施工測量誤差的影響，導致每個相鄰的AP 的覆蓋范圍都有重疊，列車在運行中系統需來回切換，甚至發生車載設備搶奪AP 天線信號的情況，大大影響了車地無線通信的質量，容易發生數據丟包，造成車載終端視頻馬賽克或者卡頓情況的發生。

4 LTE技術的PI S 車地無線通信

4.1 系統簡介

LTE 是長期應用演進而來的技術，是近年來啟動的新一代技術聯合研發應用項目，其主要在于借助正交頻分復用技術（OFDM）和多信道輸入輸出技術（MIMO）的相互結合作用來有效減小多徑衰弱，提高無線頻譜綜合利用率，從而提升無線網絡數據傳輸處理能力和提高數據傳輸處理速度。

4.2 系統構成

系統主要由控制中心LTE 設備、車站LTE 基站和配套BBU、車載設備和天線、隧道遠端RRU 和漏泄同軸電纜組成。

系統具有簡單的整體網絡構架和軟件系統構架，以網絡信道共用為技術基礎，以實現分組域實時進行業務管理為主要發展目標。LTE 主要在1.8GHz 附近的20MHz 的波譜頻段內運行使用，能有效率地避免各種來自不同傳輸設備射頻信號的相互干擾，在20MHz 波段頻譜頻帶寬度下，能夠同時提供一個下行100Mbps，上行50Mbps 的信號傳輸率和峰值信號速率。

4.3 系統優劣分析

系統的優劣分析從以下4 方面進行：

1）系統扁平化網絡構架設計，設備節點少，傳輸時延低。在控制中心設置LTE 設備，車站設置LTE 和RRU 連接設備，區間設置BBU 連接設備，即可完成整體設備的組網連接。漏泄同軸電纜本身的傳輸性能和衰減性能較好，1km 的隧道內只需敷設漏纜就能滿足信號覆蓋需求，適用于大多數的隧道區間斷面和長度。

2）漏泄同軸電纜本身價格昂貴，工程投資較大；信號輻射原理導致線纜結構比較特殊，容易在施工中發生扭絞、彎折等現象；其安裝位置一般在隧道外側（弱電側），高于車頂天線現場安裝和后期運營維護難度大。

3）OFDM 分別采用快速傅立葉逆變換和快速傅立葉變換即可實現信號調制和解調，便于各種數字信號和微處理器設計實現。OFDM 是一項重要網絡技術，采用了多種無線傳輸處理模式，包括發射分集、空間復用、波速計算賦形和空間多址等，使得了空間成為一種可以廣泛用于有效提高系統性能的網絡資源，在不斷增加網絡帶寬和提高天線發送功率的情況下，成倍提高了頻譜的利用率，并有效擴大了無線系統的網絡覆蓋范圍。

4）漏纜適合在狹長小區地下隧道內鋪設使用，沿線無線場強度和覆蓋均勻，延隧道呈現良好方向性分布，多RRU 共用的小區天線設計，減少由于無線切換速率帶來的時延、抖動、丟包，保證高速無線切換應用情況下的數據帶寬穩定和高速切換速率數據實時傳輸。

5 結語

本文從系統簡介、系統構成及系統優劣3 方面入手，結合現實中地鐵應用實例，將目前2 種主流車地無線通信技術的主要優缺點進行了簡要分析和討論，希望能為以后地鐵通信系統的發展提供參考。