朱濤

摘要：軌道交通無線網(wǎng)絡在PIS系統(tǒng)中占據(jù)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(wěn)定的通訊通道，實現(xiàn)列車與地面之間數(shù)據(jù)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(jīng)成為國內(nèi)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(zhì)量。本文的目的是并結(jié)合航海線車地無線項目WLAN技術(shù)的應用，通過對現(xiàn)階段軌道交通行業(yè)中兩種常見的車地無線通信技術(shù)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(guān)鍵詞：城市軌道;PIS系統(tǒng);車地無線;LTE;WLAN

引言：

乘客信息系統(tǒng)（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(jié)奏的加快，乘客越來越重視對行程的精準掌控。PIS系統(tǒng)可通過上車站內(nèi)各類顯示屏發(fā)布與乘車相關(guān)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(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸通道。在正常情況下，車地無線傳輸系統(tǒng)能為控制中心對線路上正在運營的車輛進行管理、指導、監(jiān)控視頻上傳等功能提供通信聯(lián)絡的技術(shù)保障，在緊急突發(fā)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(fā)事件的通信需求。車地無線傳輸系統(tǒng)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(tǒng)

乘客信息系統(tǒng)（簡稱PIS）是依托計算機網(wǎng)絡傳輸技術(shù)，將計算機網(wǎng)絡傳輸技術(shù)與軌道交通業(yè)務需求高度結(jié)合。在地鐵車站、運行線路、列車內(nèi)構(gòu)建一個高信息傳輸效率、低延時的傳輸網(wǎng)絡，通過信息展示屏向乘客提供導乘提示信息的系統(tǒng)。在大力發(fā)展智慧交通的背景下，無人駕駛的列車增多，乘客信息系統(tǒng)就要提供更加全面的、智慧的導乘信息，尤其是在緊急突發(fā)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(wǎng)絡為乘客信息系統(tǒng)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(fā)布的實時數(shù)據(jù)通過車地無線網(wǎng)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(jiān)視工作站，車地無線傳輸系統(tǒng)是乘客信息系統(tǒng)重要的組成部分。假設地鐵車輛按6節(jié)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(wǎng)絡可接收由控制中心下發(fā)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(shù)的逐步普及，大數(shù)據(jù)、AI等高科技技術(shù)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(yè)務需求在200-300Mbps可以滿足地鐵通訊需求。

2、車地無線系統(tǒng)

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

2.1 LTE

LTE技術(shù)主要在于借助多載波正交調(diào)制技術(shù)即正交頻分復用技術(shù)（OFDM）、多天線輸入輸出技術(shù)（MIMO）和鏈路自適應技術(shù)，從而提高無線網(wǎng)絡通信質(zhì)量和提網(wǎng)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(shù)，區(qū)別在于前者是分頻模式后者是時分雙工技術(shù)，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(nèi)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(fā)送信道，接受和發(fā)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(xù)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(yè)務需求。

LTE技術(shù)方案通常在車站通訊機房內(nèi)部署室內(nèi)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(xiàn)車地無線信號的全覆蓋，但是信號在隧道中傳播的結(jié)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(shù)也少，從而減少了丟包率，提高了信號的穩(wěn)定性。由于TD-LTE采用的是時分雙工技術(shù)，對時鐘的精度要求非常高，需要在沿線車站建立時鐘系統(tǒng)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(tǒng)中WLAN技術(shù)是地面與車載通訊中應用最為廣泛的一項技術(shù)。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(wǎng)，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(fā)多路高清流媒體。作為 IEEE 無線技術(shù)的第五代標準，802.11ac是802.11n的延續(xù)，它沿用了802.11n的多進多出的技術(shù)，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(xiàn)階段軌道交通行業(yè)通信系統(tǒng)WLAN車地無線主要應用在PIS系統(tǒng)，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(shù)建立無線連接，保障車地無線網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。

2.3 WLAN和LTE對比

下面主要對車地無線系統(tǒng)兩種主要的技術(shù)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(shù)安全性高，抗干擾能力強，終端靈敏度高，區(qū)間內(nèi)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(qū)間內(nèi)切換次數(shù)較采用WIFI大幅度減少，而且LTE技術(shù)實現(xiàn)無縫切換，所以大大避免了類似采用WIFI技術(shù)時列車天線在頻繁切換時存在數(shù)據(jù)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(tǒng)兩種不同的技術(shù)不同的特點，以及我們通過對客戶的需求的了解，我們?yōu)楹胶＞€車地無線項目推薦使用技術(shù)最為成熟、應用最為廣泛的WLAN技術(shù)方案。下面我們將對航海線WLAN的車地無線的規(guī)劃做描述。

3、車地無線WLAN規(guī)劃

3.1正線區(qū)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(qū)間隧道壁上，天線支架安裝在機箱兩側(cè)。

3.2車載AP安裝布置

車載AP和天線均安裝在車體內(nèi)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(nèi)部豎桿安裝，天線上下45°范圍內(nèi)不可出現(xiàn)較大金屬物遮擋信號。

3.3頻率規(guī)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(qū)間線纜規(guī)劃

車地無線傳輸子系統(tǒng)需要覆蓋正線、車輛段和停車場及出入段線范圍內(nèi)。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(guī)劃

地鐵場段無線使用環(huán)境屬于高密覆蓋、高容量需求。列車回庫后，需要上傳監(jiān)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(qū)兩端的AP采用單天線架構(gòu)，對車輛段內(nèi)實現(xiàn)覆蓋。庫區(qū)中間的AP采用雙天線，對兩邊覆蓋。

軌旁天線安裝高度根據(jù)現(xiàn)場實際情況可進行工勘調(diào)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(nèi)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(shù)無線網(wǎng)絡可提供的靜態(tài)帶寬最大為867Mbps（部署可優(yōu)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(jié)束語：

在PIS系統(tǒng)中車地無線是重要的組成部分，車地無線WLAN技術(shù)目前仍是軌道交通PIS系統(tǒng)主流體系。WLAN技術(shù)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(wǎng)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(chǎn)品將會進入我們生活中，我們需繼續(xù)加強無線傳輸技術(shù)的研究和開發(fā)，滿足城市軌道交通發(fā)展的多場景應用需要。

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