車地無線通信網絡在杭海線PIS中的應用

朱濤

摘要：軌道交通無線網絡在PIS系統中占據非常重要的地位，其主要作用是在運行中的列車和地面之間建立一條穩定的通訊通道，實現列車與地面之間數據的上傳和下載，使列車司機和乘客得到重要的信息幫助和指導，從而提高地鐵運營服務的高效管理，給乘客提供更加及時的、全面的信息服務。在5G通訊已經成為國內外研究的熱點背景下，我們應加強對軌道交通車地無線的學習和研究，提高地鐵的服務質量。本文的目的是并結合航海線車地無線項目WLAN技術的應用，通過對現階段軌道交通行業中兩種常見的車地無線通信技術進行闡述和對比，希望能對想要了解車地無線通信的讀者起到參考作用。

關鍵詞：城市軌道;PIS系統;車地無線;LTE;WLAN

引言：

乘客信息系統（簡稱PIS）主要是通過各種信息屏展示正確、及時的導乘信息，引導乘客便捷地乘坐軌道交通。隨著城市人口的增加，生活節奏的加快，乘客越來越重視對行程的精準掌控。PIS系統可通過上車站內各類顯示屏發布與乘車相關的資訊，能使乘客快速的了解乘車行程、等待時間、車輛擁擠度等導乘信息，不僅能緩解乘客乘車時的焦慮情緒、提高乘客乘車的滿意度，而且還能提高城市軌道交通運營服務的管理水平。

車地無線傳輸系統服務范圍涵蓋了控制中心、車站、線路、車輛段/停車場及列車。車地無線傳輸系統通過電纜、光纜及電磁波等傳輸媒介為列車與控制中心、車站、車輛段/停車場之間提供音視頻和數據傳輸通道。在正常情況下，車地無線傳輸系統能為控制中心對線路上正在運營的車輛進行管理、指導、監控視頻上傳等功能提供通信聯絡的技術保障，在緊急突發事件情況下，能集中通信資源，在高級別的通信到來時，中斷低一級的通信，保證有足夠的通信資源應對緊急突發事件的通信需求。車地無線傳輸系統的服務范圍涵蓋了控制中心、車站、線路、車輛段/停車場及列車。

1、乘客信息系統

乘客信息系統（簡稱PIS）是依托計算機網絡傳輸技術，將計算機網絡傳輸技術與軌道交通業務需求高度結合。在地鐵車站、運行線路、列車內構建一個高信息傳輸效率、低延時的傳輸網絡，通過信息展示屏向乘客提供導乘提示信息的系統。在大力發展智慧交通的背景下，無人駕駛的列車增多，乘客信息系統就要提供更加全面的、智慧的導乘信息，尤其是在緊急突發情況下，提供緊急疏散線路提示和指引，保障乘客乘車安全。

1.1 車載移動帶寬需求

車地無線網絡為乘客信息系統提供的是地面與車載之間的無線傳輸通道，它將控制中心發布的實時數據通過車地無線網絡推送到列車終端，并且同時將列車視頻上載至地面控制中心的監視工作站，車地無線傳輸系統是乘客信息系統重要的組成部分。假設地鐵車輛按6節編組計算，每司機室各設2臺全景攝像機，每客室設4臺半球攝像機，每攝像機上傳需2M碼流，則全列車28路圖像需要的帶寬為：28×2Mbps=56Mbps，在列車運行過程中，每列車通過車地無線傳輸網絡可接收由控制中心下發的2路視頻信號，每路視頻信號占用通信資源16Mbps，所需的帶寬資源為32Mbps。列車在行駛過程中所需總帶寬為88Mbps。隨著全自動無人駕駛技術的逐步普及，大數據、AI等高科技技術的應用，以及反恐安保的需求，都需要更多的移動帶寬的支持，目前總體的業務需求在200-300Mbps可以滿足地鐵通訊需求。

2、車地無線系統

現階段車地無線傳輸技術主要為WIFI和LTE技術，無線局域網WIFI是由IEEE802.11工作組規定的無線通信系統，目前的主要技術標準是802.11ac;LTE技術是3G的演進，它采用正交頻分復用技術OFMA及多信道輸入輸出技術MIMO技術，可提供VoIP及IMS等高速率數據傳輸服務。

2.1 LTE

LTE技術主要在于借助多載波正交調制技術即正交頻分復用技術（OFDM）、多天線輸入輸出技術（MIMO）和鏈路自適應技術，從而提高無線網絡通信質量和提網絡通信速度及資源的利用率。LTE是由3GPP組織制定的全球通用標準，包括FDD和TDD兩種模式，兩種模式都是長期演進技術，區別在于前者是分頻模式后者是時分雙工技術，兩者只存在較小的差異。TD-LTE（Time Division Long Term Evolution）在我國劃分了4個頻段，峰值速率在20MHz帶寬內下行峰值速率為100Mbps，上行峰值速率為50Mbps。TD-LTE采用時間來分離接收和發送信道，接受和發送使用同一頻率載波的不同時隙作為信道的承載，其單方向的資源在時間上是不連續的，時間資源在兩個方向上進行分配，可以比較好地適應地鐵PIS車地間的非對稱業務需求。

LTE技術方案通常在車站通訊機房內部署室內基帶處理單元（BBU），在行軌旁部署射頻拉遠模塊（RRU）的方式實現車地無線信號的全覆蓋，但是信號在隧道中傳播的結果不理想，這時需要采用漏纜的方式傳輸信號，在地面和高架線路上使用天線安裝的方式進行，因為RRU信號強度可以覆蓋1200m的范圍，也正是這個特性，所以LTE軌旁安裝的有源設備要少，行駛中的列車信號切換的次數也少，從而減少了丟包率，提高了信號的穩定性。由于TD-LTE采用的是時分雙工技術，對時鐘的精度要求非常高，需要在沿線車站建立時鐘系統從時鐘源獲取時鐘，運營時需工作人員定期進行設備維護，由此可見，TD-LTE方案的建設成本和維護成本相對較高。

2.2 WLAN

在乘客信息系統中WLAN技術是地面與車載通訊中應用最為廣泛的一項技術。WLAN使用的頻段范圍主要在2.4G和5G頻段，2.4G可用信道資源少，干擾較為嚴重，不能滿足當前軌道交通PIS應用。5GHz信道可用資源多，共計13個可用信道，通過5GHz頻帶提供高通量的無線局域網，理論上能夠提供1.3Gbps無線通信傳輸速率，實際傳輸率可在300Mbps～400Mbps之間，802.11ac是802.11n實際傳輸率的3倍，可以在一條信道上并發多路高清流媒體。作為 IEEE 無線技術的第五代標準，802.11ac是802.11n的延續，它沿用了802.11n的多進多出的技術，除了提供1.3Gbps信道傳輸速率，在建設成本上與802.11n也相差不大。

現階段軌道交通行業通信系統WLAN車地無線主要應用在PIS系統，車頭車尾部署車地無線AP設備，軌旁間隔150米（直線段）部署軌旁AP設備，與車載AP設備使用車地無線鏈路軟切換技術建立無線連接，保障車地無線網絡的穩定性。

2.3 WLAN和LTE對比

下面主要對車地無線系統兩種主要的技術IEEE802.11ac和LTE進行比較。

從上表可以得出，802.11ac采用的5GHz頻段能較好避開民用設備頻率干擾，并提供更多的頻率資源。LTE技術安全性高，抗干擾能力強，終端靈敏度高，區間內軌旁設備較少，降低了運營維護成本和維修難度。列車天線在區間內切換次數較采用WIFI大幅度減少，而且LTE技術實現無縫切換，所以大大避免了類似采用WIFI技術時列車天線在頻繁切換時存在數據中斷的問題，在投資成本方面LTE的投資要比WLAN的投資成本高。

通過上述車地無線系統兩種不同的技術不同的特點，以及我們通過對客戶的需求的了解，我們為航海線車地無線項目推薦使用技術最為成熟、應用最為廣泛的WLAN技術方案。下面我們將對航海線WLAN的車地無線的規劃做描述。

3、車地無線WLAN規劃

3.1正線區間軌旁AP布點

軌旁AP機箱掛壁安裝，天線采用支吊架安裝于區間隧道壁上，天線支架安裝在機箱兩側。

3.2車載AP安裝布置

車載AP和天線均安裝在車體內部，AP機身不需要機箱進行防護，可直接安裝在機柜中，天線直接在車頭車尾車體內部豎桿安裝，天線上下45°范圍內不可出現較大金屬物遮擋信號。

3.3頻率規劃

5GHz頻段有足夠的頻率資源，采用相互不干擾的兩個信道進行通信。

3.4車地無線傳輸區間線纜規劃

車地無線傳輸子系統需要覆蓋正線、車輛段和停車場及出入段線范圍內。無線AP與車站交換機通過單模光纜采用千兆鏈路相連。

3.5場段車地無線規劃

地鐵場段無線使用環境屬于高密覆蓋、高容量需求。列車回庫后，需要上傳監控圖像或更新下載控制中心視頻廣告等的片源。

1）軌旁AP布點

在車輛段車頭車尾兩端各部署AP或天線，采用向下傾角方式進行安裝，保證軌旁無線AP能夠覆蓋每列車的車頭和車尾。庫區兩端的AP采用單天線架構，對車輛段內實現覆蓋。庫區中間的AP采用雙天線，對兩邊覆蓋。

軌旁天線安裝高度根據現場實際情況可進行工勘調整，天線采用傾角向下安裝方式，采用軌旁AP天線進行覆蓋。

2）場段內AP信道設置

5GHz頻段有足夠的頻率資源，每相鄰兩個AP原則上不劃分相同信道，相同頻段盡量遠離，盡量減少無線同頻干擾。

3）提供帶寬

基于IEEE802.11ac制式技術無線網絡可提供的靜態帶寬最大為867Mbps（部署可優化進行限速，保證信號覆蓋效果和傳輸距離），完全滿足車地無線高帶寬的要求。

4、結束語：

在PIS系統中車地無線是重要的組成部分，車地無線WLAN技術目前仍是軌道交通PIS系統主流體系。WLAN技術目前使用的主要是IEEE 802.11ac標準（WIFI5），隨著更多的應用場景部署，傳輸速率、網絡效率和緩解信號干擾能力更強的的新一代定制化IEEE 802.11ax（WIFI6）標準的產品將會進入我們生活中，我們需繼續加強無線傳輸技術的研究和開發，滿足城市軌道交通發展的多場景應用需要。

參考文獻

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