摘 要：地鐵列車安防系統(tǒng)對(duì)無(wú)線傳輸技術(shù)的實(shí)時(shí)性、容量、穩(wěn)定性、不間斷性等各方面都提出了極高的要求，針對(duì)地鐵行業(yè)的特殊應(yīng)用需求和特殊應(yīng)用場(chǎng)景，WLAN技術(shù)是目前最成熟、最符合地鐵列車安防系統(tǒng)應(yīng)用需求的一種無(wú)線傳輸技術(shù)。

關(guān)鍵詞：地鐵列車 安防系統(tǒng) 車地?zé)o線 傳輸 系統(tǒng) 分析

中圖分類號(hào)：U23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）01（b）-0005-03

1 車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)需求分析

1.1 概述

迄今為止，主要無(wú)線傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊技術(shù)主要包括3G、GRPS、EDGE、CDMA、WLAN和WiMax等等。地鐵列車安防系統(tǒng)對(duì)無(wú)線傳輸技術(shù)的實(shí)時(shí)性、容量、穩(wěn)定性、不間斷性等各方面都提出了極高的要求，針對(duì)地鐵行業(yè)的特殊應(yīng)用需求和特殊應(yīng)用場(chǎng)景，WLAN技術(shù)是目前最成熟、最符合地鐵列車安防系統(tǒng)應(yīng)用需求的一種無(wú)線傳輸技術(shù)。其特點(diǎn)主要有：高容量、良好的抗干擾能力、安全穩(wěn)定、適合隧道環(huán)境等。車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)為覆蓋全線車站、區(qū)間和車輛段的高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，為車地之間提供視頻、數(shù)據(jù)、語(yǔ)音等信息的傳輸通道。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)平臺(tái)采用符合IEEE802.11協(xié)議的無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)，主要由無(wú)線局域網(wǎng)交換機(jī)、無(wú)線接入點(diǎn)（AP）和車載天線等設(shè)備構(gòu)成。

1.3 系統(tǒng)功能

（1）車站至列車信息下傳：具有廣播、組播和尋址功能，能夠?qū)⑻囟ǖ男畔l(fā)送至指定的一列或幾列列車，在車廂內(nèi)發(fā)布反恐信息、旅客乘車信息、高清晰數(shù)字視頻信息和緊急疏散信息等。（2）提供OCC中央控制大廳內(nèi)的行車調(diào)度員實(shí)時(shí)發(fā)送的預(yù)定義信息至任意列車駕駛室內(nèi)的觸摸顯示屏，為駕駛員提供視頻、文本指導(dǎo)信息。此專用傳輸通道帶寬應(yīng)不低于600 kbps。（3）列車至車站信息上傳：將列車視頻監(jiān)控信息上傳至控制中心，實(shí)現(xiàn)控制中心（OCC）、對(duì)列車旅客、司機(jī)位視頻信息的選擇、切換、監(jiān)視和控制，以及車輛段控制中心（DCC）對(duì)車載視頻信息的監(jiān)控功能。

1.4 車地傳輸信息類型及帶寬需求

（1）正常情況下，每列車同時(shí)上傳2路列車監(jiān)視圖像至控制中心和車輛段控制中心。緊急情況下，可將列車全部視頻監(jiān)控圖像上傳至車站和控制中心，共14路。視頻壓縮、傳輸和存儲(chǔ)編碼采用MPEG Ⅳ格式，每路占用帶寬不低于600 kb/s。（2）每列車可接收1路高清晰數(shù)字視頻信息（乘客行車、安防反恐、運(yùn)營(yíng)緊急救災(zāi)、地鐵公益廣告、天氣預(yù)報(bào)、新聞、交通信息、數(shù)字電視），視頻編碼采用MPEG Ⅱ格式，每路占用帶寬不低于2Mb/s。

1.5 主要技術(shù)要求

（1）無(wú)線傳輸系統(tǒng)應(yīng)確保沿軌道線安裝的無(wú)線接入點(diǎn)和在移動(dòng)列車上的移動(dòng)單元之間建立穩(wěn)定、安全且能避免沖突的連接。（2）在列車高速運(yùn)行時(shí)，不應(yīng)丟失連接和引起畫面質(zhì)量降低。（3）通訊應(yīng)基于802.11系列標(biāo)準(zhǔn)和TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)。（4）軌旁的接入點(diǎn)和列車天線的設(shè)置應(yīng)保證列車和固定網(wǎng)絡(luò)間始終存在可選的無(wú)線傳輸信號(hào)路徑。當(dāng)前接入點(diǎn)信號(hào)減弱的時(shí)候，車載無(wú)線設(shè)備應(yīng)能無(wú)縫切換至最合適的接入點(diǎn)。（5）無(wú)線局域網(wǎng)應(yīng)充分考慮列車在高速情況下的切換問(wèn)題，應(yīng)采取有效措施減少切換時(shí)間和降低因切換帶來(lái)的數(shù)據(jù)損失，以保證在車上的實(shí)時(shí)播放不中斷（切換時(shí)間應(yīng)不超過(guò)50 ms），且播放質(zhì)量不受影響。（6）在布置AP時(shí)，應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的可靠性，每個(gè)AP的覆蓋范圍應(yīng)有重疊區(qū)，在個(gè)別AP和其他設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能正常工作。每個(gè)AP的輸出功率應(yīng)盡量小，滿足國(guó)家規(guī)范要求。（7）無(wú)線局域網(wǎng)的空中接口、頻點(diǎn)范圍和加密措施應(yīng)滿足國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。

2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)線傳輸系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路是基于地鐵業(yè)務(wù)需求，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及業(yè)界最佳實(shí)踐作綜合考慮。

（1）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)層次化，支持業(yè)務(wù)需要的靈活性及可擴(kuò)展性。

（2）功能模塊標(biāo)準(zhǔn)化，可以縮短實(shí)施時(shí)間，提高部署效率。

（3）冗余的架構(gòu)來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)的可用性，可靠性和穩(wěn)定性。

地鐵無(wú)線傳輸系統(tǒng)的總體實(shí)施網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙缦聢D1所示，由有線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及車載局域網(wǎng)絡(luò)組成。

（如圖1）首先部署兩臺(tái)WLAN控制器，每臺(tái)控制器能夠支持對(duì)300臺(tái)AP全面系統(tǒng)深入的管理，另外一臺(tái)做為1+1的冗余備份，兩臺(tái)控制器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)方式組成一個(gè)高性能，高冗余，高擴(kuò)展的控制器群組，即能按需實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，又能確保關(guān)鍵設(shè)備的備份冗余，而且能夠根據(jù)客戶業(yè)務(wù)提升，高效快捷的拓展整個(gè)控制平臺(tái)的容量。

采用輕型接入點(diǎn)協(xié)議（LWAPP）協(xié)議實(shí)現(xiàn)AP與控制器的通訊，此協(xié)議可以讓地鐵的WLAN配置和管理功能可以自動(dòng)進(jìn)行。

控制器無(wú)線傳輸系統(tǒng)服務(wù)模塊（WiSM）為全網(wǎng)的AP提供了安全性、移動(dòng)性、冗余。它讓W(xué)LAN可以使用最安全的無(wú)線傳輸系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行信息傳遞。

3 無(wú)線傳輸系統(tǒng)雙向傳輸系統(tǒng)方案

3.1 無(wú)線通訊模式的選型

3.1.1 無(wú)線通訊模式簡(jiǎn)介

針對(duì)地鐵車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)的需求，即特殊環(huán)境下系統(tǒng)的高可靠穩(wěn)定性、使用的靈活性、業(yè)務(wù)支持的不間斷性、安全性等特點(diǎn)。車載無(wú)線傳輸系統(tǒng)有兩種方式可以選擇。

（1）采用傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)卡+工控機(jī)的方式做為車載無(wú)線傳輸系統(tǒng)單元。

（2）采用工業(yè)化AP使用WGB（無(wú)線工作組網(wǎng)橋）的方式做為車載無(wú)線系統(tǒng)單元。

第一種實(shí)現(xiàn)方式我們稱作“無(wú)線網(wǎng)卡方式”，原理為單臺(tái)PC安裝雙網(wǎng)卡，一塊無(wú)線網(wǎng)卡用于無(wú)線通訊及漫游；另一塊有線網(wǎng)卡用于連接車載有線網(wǎng)絡(luò)。

另一種方式為WGB即工作組網(wǎng)橋模式。WGB是Workgroup Bridge的英文縮寫，當(dāng)天線工作在WGB模式時(shí)，它可以關(guān)聯(lián)到其它的AP，并對(duì)WGB以太網(wǎng)接口上所連接的一組電腦提供無(wú)線網(wǎng)橋連接。它可以將不具備無(wú)線網(wǎng)卡的設(shè)備通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行上聯(lián)，并且在漫游過(guò)程中充當(dāng)有線連接的一組電腦（最多255臺(tái)設(shè)備）的漫游代理，從而提供令人滿意的漫游切換性能。下圖2為WGB的工作模式示意圖。

車載無(wú)線傳輸設(shè)備，是負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)以及無(wú)線安全連接的關(guān)鍵設(shè)備，同時(shí)還肩負(fù)頻繁漫游切換的任務(wù)，從技術(shù)保證上需要選擇合適的產(chǎn)品和工作模式，才能確保系統(tǒng)整體的成功。

3.1.2 無(wú)線網(wǎng)卡和工作組網(wǎng)橋?qū)Ρ龋ū?）

3.2 無(wú)線傳輸系統(tǒng)帶寬

3.2.1 帶寬需求

對(duì)于視頻應(yīng)用數(shù)據(jù)來(lái)講，主要有兩種類型的數(shù)據(jù)流：交互式視頻和流媒體視頻。交互式視頻有著和VoIP應(yīng)用同樣級(jí)別的服務(wù)質(zhì)量要求，這是因?yàn)檎Z(yǔ)音流包含在視頻流當(dāng)中了。流媒體視頻應(yīng)用有著相對(duì)于交互視頻來(lái)講比較寬容的要求，因?yàn)橥ǔ?lái)講應(yīng)用層大都包含大量的緩存。另外，由于流媒體視頻相對(duì)交互式視頻而言流量穩(wěn)定，不用像交互式視頻那樣在基本帶寬的基礎(chǔ)上增加25%的帶寬用于突發(fā)流量。（見表2）

由此可知，在列車高速運(yùn)行的情況下，能夠保證平均帶寬大于19 Mbps，即可滿足實(shí)時(shí)視頻傳輸?shù)囊蟆?/p>

3.2.2 帶寬保障

無(wú)線傳輸系統(tǒng)的帶寬主要是由軌旁無(wú)線設(shè)備及車載無(wú)線設(shè)備性能決定。同時(shí)車載無(wú)線設(shè)備的工作模式也決定了無(wú)線傳輸?shù)膸挕?/p>

3.2.3 帶寬管理方案

軌旁AP與車站有線交換機(jī)之間的連接是采用光纖連接，其端口最大速率可達(dá)到100 Mbps。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)有異常情況發(fā)生，在有線網(wǎng)數(shù)據(jù)以接近于100 Mbps下發(fā)至AP的情況下，在短時(shí)間內(nèi)可以依靠AP自身的緩存進(jìn)行處理，但是長(zhǎng)時(shí)間如此勢(shì)必會(huì)對(duì)AP造成極大的沖擊，造成AP工作效率大大下降，影響無(wú)線鏈路的傳輸。所以在有線交換機(jī)端口采用Qos機(jī)制（CBWFQ）進(jìn)行限速，使其適配AP的流量轉(zhuǎn)發(fā)能力。針對(duì)系統(tǒng)視頻傳輸?shù)囊蠛驮O(shè)備自身的特性，下行流量建議限制在30 Mbps以內(nèi)。

3.3 漫游切換機(jī)制

3.3.1 漫游技術(shù)的分析

地鐵環(huán)境中無(wú)線漫游切換技術(shù)是保證系統(tǒng)業(yè)務(wù)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，漫游技術(shù)的選擇決定了地鐵系統(tǒng)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。由于地鐵環(huán)境系統(tǒng)對(duì)于切換漫游的時(shí)延要求極高，所以漫游技術(shù)的選擇是一個(gè)影響整個(gè)地鐵系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵。

目前漫游技術(shù)通過(guò)如下幾種方式實(shí)現(xiàn)。

（1）采用MobileIP的技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨2、3層的漫游。

（2）WLAN漫游切換技術(shù)。

Mobile IP技術(shù)通常使用在采用多種無(wú)線傳輸系統(tǒng)技術(shù)覆蓋、大范圍移動(dòng)漫游情況下，尤其對(duì)切換時(shí)延要求不高的條件下。因?yàn)镸obileIP技術(shù)增加了FA（外部代理）和HA（歸屬代理）的信息交換及地址獲取的過(guò)程，也就是說(shuō)增加了切換的時(shí)延。地鐵的無(wú)線傳輸環(huán)境是采用一種單一的覆蓋環(huán)境，并不存在多種無(wú)線傳輸系統(tǒng)技術(shù)混合使用的場(chǎng)景，并且對(duì)時(shí)延的要求很高，我們應(yīng)該在保證無(wú)縫切換的同時(shí)，盡可能的采用一種可以減少切換時(shí)間的切換技術(shù)。

3.3.2 漫游切換機(jī)制

車載設(shè)備的漫游切換，是技術(shù)關(guān)鍵所在。無(wú)線局域網(wǎng)本身具備與生俱來(lái)的移動(dòng)特性，上面承載的眾多應(yīng)用中，很多都是對(duì)時(shí)延敏感的，當(dāng)客戶端漫游事件發(fā)生時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生額外的處理開銷/延時(shí)。運(yùn)用快速安全漫游技術(shù)，可以在不犧牲安全性的前提下，簡(jiǎn)化漫游處理過(guò)程，從而滿足上層應(yīng)用對(duì)延時(shí)方面的嚴(yán)格要求。