智慧城軌Wi-Fi 6無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案

彭傳賢

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430063）

1 智慧城軌無線業(yè)務(wù)需求

根據(jù)軌道交通行業(yè)業(yè)務(wù)需求現(xiàn)狀和無線通信技術(shù)發(fā)展趨勢，與軌道交通生產(chǎn)安全相關(guān)的列車運行控制業(yè)務(wù)（CBTC）和集群調(diào)度業(yè)務(wù)由LTE-M 系統(tǒng)承載。智慧城軌無線業(yè)務(wù)的需求還有很多：涉及智慧乘客服務(wù)的PIS 業(yè)務(wù)、智能列車運行的列車大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、智能運維安全的視頻監(jiān)視業(yè)務(wù)和檢修業(yè)務(wù)[1]等。這些智慧城軌無線業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量大，傳輸數(shù)據(jù)速率高，因LTE-M 系統(tǒng)帶寬受限，需其他無線技術(shù)手段來解決。5G 技術(shù)和WLAN 技術(shù)是一種選擇。智慧城軌無線業(yè)務(wù)需求的數(shù)據(jù)速率在150Mbps 以上，5G 技術(shù)和WLAN 技術(shù)均可滿足無線業(yè)務(wù)需求。但因5G 技術(shù)在城軌行業(yè)上還處于試驗和探索階段，針對城軌行業(yè)5G 公網(wǎng)專用的切片技術(shù)、商業(yè)合作模式、相關(guān)技術(shù)標準均還不完善。因此，針對智慧城軌無線業(yè)務(wù)傳輸需求，采用Wi-Fi6 技術(shù)是目前可行方案。

2 Wi-Fi 6 設(shè)計方案

2.1 Wi-Fi 6 技術(shù)優(yōu)勢

Wi-Fi聯(lián)盟于2018年10月正式確立802.11ax標準，并將其命名為Wi-Fi 6。與以前的Wi-Fi 標準相比，Wi-Fi 6 采用多用戶多入多出技術(shù)（MU-MIMO）和正交頻分多址（OFDMA）[2]，提升QAM 調(diào)制階數(shù)，使網(wǎng)絡(luò)速度和容量最大化，最大理論速率達600～9607Mbps。同時，使用BSS 著色技術(shù)，減少網(wǎng)絡(luò)同頻干擾，可以提高采用服務(wù)多設(shè)備能力；采用TWT[3]技術(shù)，協(xié)調(diào)終端與路由的通信時間，有效拓展Wi-Fi 的應(yīng)用場景。最后Wi-Fi 6 支持192 位WPA 3 安全協(xié)議[4-5]，有效提升安全性。綜合來說，Wi-Fi 6 擁有更高的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度，更好的多設(shè)備連接性能，尤其是多設(shè)備連接性能可明顯提升網(wǎng)絡(luò)的使用體驗。同時Wi-Fi 支持2.4GHz 和5GHz 2 個頻段，向下兼容a/b/g/n/ac，最高帶寬為2.4Gbps。

2.2 無線組網(wǎng)方案

Wi-Fi 6 無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)采用Mesh 方式，Mesh 網(wǎng)絡(luò)即無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，是多跳（multi-hop）網(wǎng)絡(luò)。在典型組網(wǎng)中，在每列列車的車頭和車尾各部署一個車載專用的AP，與軌旁地面的AP 間通過無線Mesh 方式對接，實現(xiàn)車地網(wǎng)絡(luò)間的快速漫游切換。

采用Mesh 組網(wǎng)的優(yōu)點如下。

2.2.1 多鏈路并存，相互間冗余備份

同一臺車載AP 同時與多個軌旁AP 分別建立Mesh 鏈路，各鏈路間可相互做冗余備份，以提供高可靠性。

2.2.2 使用最優(yōu)動態(tài)鏈路回傳數(shù)據(jù)

車輛移動時，車載AP 不斷地評估各條鏈路的質(zhì)量，動態(tài)刪除質(zhì)量變差的鏈路，并跟前進方向上信號滿足條件的軌旁AP 建立新的鏈路；同時通過切換算法使數(shù)據(jù)回傳鏈路使用質(zhì)量最優(yōu)的鏈路，即通過最優(yōu)鏈路的變更實現(xiàn)回傳通道的切換。

2.2.3 先建鏈后切換

車載AP 在發(fā)生切換時不需臨時建鏈，只需將數(shù)據(jù)回傳通道切到已建好的鏈路上即可，即軟切換，避免因先拆鏈后建鏈實現(xiàn)切換而帶來巨大時間損耗。

2.2.4 切換過程“雙收單發(fā)”

實際切換發(fā)生時，數(shù)據(jù)傳輸通道從老鏈路切換到新鏈路上，但在一段時間內(nèi)切換的老鏈路仍保持激活狀態(tài)，車載AP 仍能接收老鏈路上發(fā)來的數(shù)據(jù)；車載AP 此時處于雙收單發(fā)狀態(tài)，仍能接收到老鏈路上的殘余數(shù)據(jù)，不會丟失，理論上實現(xiàn)了切換過程中的“0丟包”。

2.3 信道規(guī)劃方案

Wi-Fi 6 網(wǎng)絡(luò)支持2.4GHz 和5GHz 雙頻段通信，在軌道交通車地通信領(lǐng)域，為獲取更高的無線帶寬，建議選擇5GHz 頻段作為工作頻段。智慧城軌因無線業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量大，Wi-Fi 6 采用5GHz 頻段具有以下特點。

2.3.1 擁有更多頻譜資源

我國2.4GHz 頻段僅可劃分3 個不重疊20MHz 信道，而5GHz 頻段有13 個不重疊20MHz 信道。

2.3.2 可提供更大的頻寬

2.4 GHz 頻段有且僅能支持1 個40MHz 信道，而5GHz 頻段則 可 支持3 個80MHz 信道。

2.3.3 具備更干凈的電磁環(huán)境

當前2.4GHz 信道的使用率極高，2.4GHz 相比于5GHz 干擾嚴重。

2.4 AP 覆蓋方案

2.4.1 AP 覆蓋距離

軌道交通環(huán)境中Wi-Fi 6 軌旁和車載AP 均采用MIMO 為4×4 設(shè)備，因列車為運動狀態(tài)，一般按2×2的MIMO 建鏈。據(jù)智慧城軌無線業(yè)務(wù)需求，列車運行過程車地間的單鏈路帶寬應(yīng)滿足均值200Mbps。考慮在運行中移動時，AP 性能相比靜態(tài)時帶寬損失約40%，即靜態(tài)時數(shù)據(jù)速率需達200Mbps/0.6=333Mbps。在Mesh 算法中，空口通信的有效數(shù)據(jù)占比約60%，因此需保障物理層數(shù)據(jù)速率達333Mbps/0.6=555Mbps。同時，信噪比是度量通信系統(tǒng)通信質(zhì)量可靠性的一個主要技術(shù)指標，信噪比越大，說明信號中攜帶噪聲信號越小，從而對信號傳輸?shù)挠绊懺叫　１? 為不同MCS 在一定頻寬下對應(yīng)的信噪比。據(jù)圖1 可知，如AP 頻寬80MHz，建鏈滿足MCS7 時，信噪比應(yīng)不低于31dB。SNR=10lg（PS/PN），底噪通常為-90dBm，即有效信號功率高于-59dBm。由此可知，Wi-Fi 6 無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時，需保證邊緣場強高于-59dBm。

表1 信號強度裕量表

圖1 WLAN 的SNR 表

按照邊緣場強-59dBm 規(guī)劃時，還需考慮一定無線信號強度的裕量，其中：

信號強度裕量=（軌旁AP 發(fā)射功率+軌旁天線增益-空間衰減-線纜衰減-玻璃衰減+車載天線增益）-邊緣場強（1）

因此，在AP 布置間距在150m、180m、200m、300m信號強度裕量見表1。

因此，為保證Wi-Fi 6 無線通信信號的穩(wěn)定，考慮預(yù)留6～10dB 信號強度裕量，推薦選擇AP 的間距為150～200m。因軌道交通線路存在一定的曲線，針對不同場景下，不同曲線半徑AP 間距的推薦距離見表2。

表2 不同曲線半徑下AP 間距表

2.4.2 AP 天線布置

在軌道交通中，AP 設(shè)備和AP 天線一般布置在線路的外側(cè)，AP 天線采用定向天線。針對軌道交通線路不同的場景，在軌旁布置天線時，應(yīng)注意天線安裝的方向角。

（1）直線場景：天線方向角需要平行于軌道線路（見圖2）。

圖2 直線段AP 天線安裝示意圖

（2）彎道場景：天線覆蓋方向需要偏向軌道1～2°左右，同時天線不能靠隧道壁太近（見圖3）。

圖3 曲線段AP 天線隧道安裝示意圖

偏離角度可通過彎折L 型安裝件實現(xiàn)，高架段則可通過旋轉(zhuǎn)天線抱箍實現(xiàn)（見圖4）。

圖4 曲線段AP 天線高架段安裝示意圖

（3）折返線場景：建議天線部署在并行區(qū)域的兩端，覆蓋到折返線內(nèi)（見圖5）。

圖5 折返線AP 天線安裝示意圖

2.5 可靠性設(shè)計

為提高Wi-Fi 6 無線網(wǎng)絡(luò)的可靠性，系統(tǒng)采用Mesh 快速切換技術(shù)。列車車頭與車尾AP 的Mesh 鏈路采用主備模式，如以車頭Mesh 鏈路為主，所有智慧城軌無線業(yè)務(wù)都優(yōu)先通過車頭AP 回傳。當主鏈路異常時，所有業(yè)務(wù)快速切換至車尾Mesh 鏈路（需車載工業(yè)交換機配合支持），具體實現(xiàn)過程如圖6 所示。

圖6 Mesh 機制示意圖

2.5.1 軌旁AP 每隔一段距離部署一個AP，每個AP 外接2 根定向天線，使用不同頻點的5G 頻段指向相反方向。

2.5.2 列車車頭和車尾各部署一個AP（車頭車尾分別使用不同的5G 頻點，與軌旁AP 使用的頻點對應(yīng)），2 個AP 天線方向分別與軌旁AP 的2 根天線實現(xiàn)對接。

3 QoS 業(yè)務(wù)保障

Wi-Fi 6 通過一定的QoS 措施，保障無線業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，主要包括：

其一，采用快速漫游切換技術(shù)與切換過程中的“雙收單發(fā)”，滿足智慧城軌無線業(yè)務(wù)傳輸?shù)牡蜁r延與低丟包率要求。

其二，智慧乘客服務(wù)車載PIS 業(yè)務(wù)是一種組播業(yè)務(wù)。所有的車載多媒體設(shè)備需要被加入一個組播組，因AP 鏈接活躍鏈路需隨著列車運行不停地切換，切換中只有軌旁AP 和車載AP 能感知到活躍鏈路切換，而其他地面設(shè)備無法感知鏈路切換，致使組播流無法正確轉(zhuǎn)發(fā)。此時，車載AP 和軌旁AP 通過IGMP Snooping 功能，建立與更新二層組播轉(zhuǎn)發(fā)表，實現(xiàn)業(yè)務(wù)組播流轉(zhuǎn)發(fā)，以保障PIS 業(yè)務(wù)正常使用。

其三，在智慧城軌多種業(yè)務(wù)共存情況下，可根據(jù)無線業(yè)務(wù)的重要性，在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置不同的優(yōu)先級，保障重要業(yè)務(wù)傳輸，如設(shè)置智能列車運行業(yè)務(wù)的優(yōu)先級高于其他業(yè)務(wù)。

4 結(jié)語

Wi-Fi6 承載智慧城軌車地業(yè)務(wù)傳輸具有良好的適應(yīng)性，采用Mesh 方式組網(wǎng)保障了業(yè)務(wù)傳輸?shù)目煽啃裕鶕?jù)不同地理環(huán)境合理布置AP 間距和天線確保了業(yè)務(wù)帶寬。隨著技術(shù)發(fā)展演進，應(yīng)探索和研究下一代Wi-Fi7 技術(shù)在智慧城軌領(lǐng)域的應(yīng)用。