軌道交通Wi-Fi 6應用研究

楊 敏，黃永亮，王豐堃

（濟南軌道交通集團有限公司，山東 濟南 250014）

0 引言

Wi-Fi技術從1997年發布的IEEE 802.11到2019年推出的 802.11ax、802.11系列Wi-Fi標準已經經過了6代。Wi-Fi 6相比起Wi-Fi 5引入了OFDMA正交頻分多址技術、MU-MIMO多用戶多入多出技術、1024-QAM 正交幅度調制等技術。目前，軌道交通行業對無線通信的需求越來越高，其中地鐵行業中自動控制系統（CBTC）、乘客信息系統（PIS）、車載視頻監視系統（CCTV）、Wi-Fi都基于無線通信網絡進行傳輸。Wi-Fi6和5G都引入了MU-MIMO多用戶多入多出技術，適合應對地鐵這樣的高密度用戶的環境[1]。

本文從Wi-Fi 6的主要關鍵技術入手，研究了Wi-Fi 6的主要關鍵技術，通過列舉軌道交通車載應用需求，提出了軌道交通Wi-Fi 6總體架構，在此架構的基礎上提出了軌道交通Wi-Fi 6網絡總體拓撲，并且對核心支撐網區進行了設計，主要由核心5G承載網、車站線路萬兆環網、車地Wi-Fi 6無線子系統組成。最后對Wi-Fi 6的時延、丟包率、可靠性進行了測試，驗證了Wi-Fi 6的大帶寬、高并發、高速度、高覆蓋等特點[2]。

1 Wi-Fi6技術簡介

Wi-Fi 6引入了OFDMA正交頻分多址技術、MUMIMO多用戶多入多出技術、BSS Coloring著色機制、1024-QAM 正交幅度調制、TWT目標喚醒時間技術，相比起Wi-Fi5，Wi-Fi 6技術性能有突破性的提升，具體變現在：更快的傳輸速率，理論上最高可達到9.6Gbps，更高的并發能力，更低的延遲，更大的覆蓋范圍、更低的接入端功耗[3]。

1.1 OFDMA正交頻分多址技術

OFDMA正交頻分多址技術將一個通道分成數十個或數百個子載波，然后將它們分成幾個RU?？梢詾槊總€用戶分配一個或多個RU，以滿足不同的帶寬要求。OFDMA向不同用戶分配RU，以實現多個用戶實現并發傳輸。這種機制有效地減少了用于爭奪傳輸機會的開銷以及幀前置碼和幀間隔的開銷，從而提高了頻譜利用率和空中接口效率。在火車站、地鐵、體育館等高密度場景中，這些改善尤為明顯。此外，并發傳輸減少了多個STA的平均等待時間，避免了低速率幀獨占用整個信道所造成的長時間等待[4]。因此，并發傳輸減少了延遲和抖動。

1.2 MU-MIMO多用戶多入多出技術

多用戶多輸入多輸出技術（MU-MIMO）是一種基于波束形成技術的多天線技術。在高帶寬場景中，MIMO技術用于實現空間多路復用，允許在相同帶寬上發送幾個獨立的數據流，以增加系統容量。除了繼承了Wi-Fi 5的DLMU-MIMO技術，Wi-Fi 6還增加了ULMU-MIMO。在DLMU-MIMO的基本原理上，Wi-Fi 6和Wi-Fi 5基本相同。首先，AP通過使用所有的天線向STA發送一個空的探測幀來執行檢測。STA確認從每個天線接收到的信息。通過這種交換，信道信息被反饋回來，形成一個信道矩陣。該矩陣在傳輸前對數據進行預編碼，以實現波束形成，將不同的用戶數據定向到不同位置的不同STA。整個過程可以簡單地描述如下：AP為每個STA計算一個信道矩陣，然后將攜帶信息的光束引導到不同的STA。每束光束都攜帶目標STA的數據包，因此，Wi-Fi 6最多支持8個天線；它可以同時傳輸最多8個用戶的數據。MUMIMO增加了全系統的容量。它在高信噪比下傳輸大數據包的效率更高，因此適用于視頻、語音等大流量場景[5]。

1.3 1024-QAM 正交幅度調制技術

Wi-Fi 6增加了MCS10和MCS11，它們支持1024-QAM方案，與Wi-Fi 5相比效率可提高25%。當使用高階調制時，需要一個更高的信噪比來保持誤碼率/信噪比在一個可接受的水平。因此，1024-QAM技術的優點只能在接收良好的短程場景中得到最大化。在實際應用中，通常通過增加信號輸出功率、降低噪聲或同時實現，來獲得更高的信噪比來提高環境適應性。1024-QAM和256-QAM的對比圖如圖1所示。

圖1 256QAM和1024QAM調制對比圖

2 軌道交通Wi-Fi 6建設方案

軌道交通Wi-Fi 6系統由網絡系統和業務平臺相關軟件系統組成。框架如圖2所示。乘客通過移動端如手機、iPad連接入Wi-Fi 6網絡，商戶通過筆記本電腦、臺式計算機連接入Wi-Fi 6網絡，車站員通過自助服務端接入Wi-Fi 6網絡進行管理和維護。整個無線網絡由Wi-Fi 6網絡和5G網絡共同構成。車站以太網接入交換機通過光纖鏈路分別向上連接中心機房的核心交換機；向下連接Wi-Fi 6無線接入點（AP），作為無線網絡到有線網絡的接入轉換。無線局域網作為有線局域網的延伸，提供了地面與列車的通信。設備包括在沿軌道隧道區間和高架區間設置的無線接入點、設置在中心機房的無線控制器，以及車載的無線AP和天線。通過整個網絡控制列車自動控制系統CBTC、列車視頻監控系統CCTV、乘客信息系統PIS。通過Wi-Fi 6控制的CBTC系統可以實現對列車運行的控制，實現車-地之間的雙向通信、列車自動保護、列車自動運行、列車自動監控等功能。通過Wi-Fi 6控制的CCTV系統可以監控車廂內部人員，提高地鐵管路質量和安全程度，監控列車關鍵部位運行情況等。通過Wi-Fi 6控制的PIS系統可以實現緊急文本信息、行車信息、新聞廣播、旅行指南、換乘信息、在線廣告的下放等功能[6]。

圖2 軌道交通Wi-Fi6總體架構圖

網絡系統主要由核心骨干網（核心5G承載網、車站線路萬兆環網）、Wi-Fi 6車地無線子系統、車站無線覆蓋子系統、車廂無線覆蓋子系統、信息中心子系統、PIS系統、CCTV系統構成，具體拓撲如圖3所示。

圖3 軌道交通5GWi-Fi6網絡總體拓撲圖

在區間軌旁，大約每隔150米布置一個無線接入點，這些無線接入點的有線網口通過RJ 45連接光電轉換器，光電轉換器將電信號轉換成光信號，經單模光纖連接鄰近車站的光電轉換器，光電轉換器將光信號重新轉換為電信號，經RJ 45連接車站上的車站交換機。這樣無線接入點在車輛段和軌旁構成了一個分布式的網絡。無線接入點外接高增益定向天線，對整個軌道交通隧道區間和高架區間進行無線信號的覆蓋[7]。

核心支撐網拓撲圖如圖4所示，其區主要由核心5G承載網、車站線路萬兆環網、車地Wi-Fi 6無線子系統組成，組網思路如下：

圖4 核心支撐網拓撲圖

數據中心部署多臺高性能交換機，采用虛擬化技術搭建40GE匯聚環網集群，解決各區域的高速互聯互通問題，滿足各地鐵線路乘客大流量互聯網請求；當用戶量上升到10萬并發后考慮部署單獨的認證核心；車站部署萬兆交換機采用扁平化10GE高性能、高可靠性環網技術，通過光纖連接到數據中心核心匯聚交換機組成骨干環網；車站部署千兆接入交換機POE連接站臺、站廳的Wi-Fi 6 AP，業務方面具備千兆到Wi-Fi 6 AP；搭建車地無線子系統提供穩定的車地帶寬[8]。

3 軌道交通Wi-Fi 6測試

單AP在5.8 GHz頻段下持續ping網關IP地址100次，默認字節，平均時延20 ms，丟包率2%。單AP在5.8 GHz頻段下持續ping 網關出口IP地址200次，800字節，平均時延40 ms，丟包率2%。測試結果如圖5所示：

圖5 無線接入延遲測試

4 結束語

Wi-Fi 6作為新的一代無線網絡協議，相比Wi-Fi 5，Wi-Fi 6擁有大帶寬、高并發、廣連接、高速度、高覆蓋、低功耗等特點。能夠為用戶帶來了網絡性能與速度的極大提升以及良好的體驗。無線接入點能同時處理多個Wi-Fi流，可以支持更多設備并發，提升接入設備容量。接入設備多并發，可以減少排隊現象，對于干擾可主動避開，降低延時。在終端設備待機時，支持按需喚醒功能，讓終端功耗降低。本文將Wi-Fi 6和5G結合起來，針對不同業務場景和業務需求，提出了軌道交通Wi-Fi 6建設方案，適用于軌道交通或者其他對速度及可靠性要求較高的應用場景，為軌道交通的設計、建設與運營提供有效指導，更好地促進軌道交通的可持續發展。■