摘要：无线局域网技术方案在覆盖、网络、系统接入等方面具有独特优势。本文针对轨道交通车-地通信无线局域网技术应用的优缺点，以及技术方案设计进行阐述，指出无线局域网技术还将在轨道交通车-地通信中具有应用价值。
关键词：轨道交通; 车-地通信; 无线局域网技术; 应用; 无线通信系统;
Application of Wireless Local Area Network Technology for Vehicle-Trackside Communication in Rail Transit
Xie Hongxia Sun Linxiang
Abstract：Wireless LAN technology scheme has unique advantages in coverage,network,system access,etc.,the advantages and disadvantages of wireless LAN technology for train-ground communication application are analyzed as well as the design of technical scheme is described.In the end,we believe that wireless LAN technology will continue to be used in train-ground communication for rail transit.
轨道交通车-地通信系统采用无线局域网技术（WLAN）已有10年，其提供的无线接入方案方便、成熟，且设备性能持续进步，基本解决了车-地无线网络径路问题。而随着第四代移动技术（LTE）的出现，其具有的适应高速移动传输的特点，使目前国内轨道交通项目纷纷采用该技术作为车-地传输通道。那么，无线局域网技术是否还会继续用于车-地无线系统，本文就此对无线局域网技术的特性和应用进行研究。
1 需求分析
城市轨道交通车-地无线通信系统，主要为列车与地面之间提供各种数据业务，主要承载信号控制、车载乘客信息系统（PIS）、车载视频监控系统、车辆监控信息等业务，其中有些业务需要传输大带宽数据与视频。
1）车载乘客信息系统，执行信息预报与安全告知业务，同时推送视频资讯。视频播放有预录和实时2种基本方式。以每列车接收一路图像信息计算下发信息，保证D1(720×576）的图像质量，采用MPEG-2的编码方式，考虑其他定时下载、传输丢包率等，下传数据需要8 Mb/s带宽。如果考虑列车个性化服务，则需要2路以上视频传输。
2）车载视频监控系统，实现对车内情况的实时监控，并将车厢内的视频监控图像信息上传至车站和中心。车载监控图像采用MPEG-4或H.264的编码方式。6列编组列车一般会安装14只以上监控摄像，如果每列车向地面上传2路客室监控图像信息，每路2 Mb/s，共需4 Mb/s。新规范提出监控视频需保存90天，如果全部保存在列车上需要大量的防振动车载存储硬盘，并且视频拷贝时间很长，故应将视频传输到地面存储。而实现车载视频转存，保守估算每列车传输带宽需30 Mb/s。
3）车辆监控信息等其他需求。随着智能运维的技术发展，较多的应用需要进行车-地无线传输。比如，列车诊断、运程下载、弓网关系监视等，带宽需求越来越高。
4）公众无线局域网，每列车传输带宽不宜小于200 Mb/s。
由于LTE带宽比较有限，LTE网络很难完全满足上述这些应用需求。因此，在建设LTE网络的同时，还需要建设一套非安全信息网络，由LTE承载安全核心业务，而采用无线局域网（WLAN）技术承载非安全视频业务、智能维护功能业务等。
2 技术特点
现有无线局域网采用IEEE 802.11系列标准，具有开放、进步、融合的技术发展路径，以及诸如共用开放频谱、方便认证接入、支持移动及宽带接入等性能。新标准融合了很多前沿技术，支持不断提升的网络带宽。现开放2.4 GHz、5.8 GHz 2个频段。各标准的基本信息如表1所示。
表1 IEEE802.11标准技术对比表
1）发展性。IEEE802.11a/g的带宽理论上可达54 Mb/s，系统实际运行一般可达20 Mb/s。IEEE802.11n的带宽又有很大提升，系统实际运行测试结果信道带宽平均100 Mb/s，地下线路情况较好时，能够满足较大带宽的需求，比较适合视频传输等宽带应用。新推出的IEEE 802.11ac是一个更高带宽的标准，理论上能够提供最少1Gb/s带宽进行多站式无线局域网通信，采用并扩展了源自802.11n的空中接口概念，具有更宽的RF（射频）带宽（提升至160 MHz）、更多的MIMO（多输入多输出天线系统）空间流（增加到8），及更高阶的调制（达到256QAM（正交振幅调制）），并且还将出现更高性能的兼容标准。
2）融合性。无线局域网和有线局域网均基于IP架构，兼容互通性强，方便融合为统一网络，可实现全网络的扁平化设计。
3）开发性。在无线局域网基础上加入特定协议再开发，可解决快速移动下的切换、干扰和流量等问题，支持车速100～600km/h时基站间的无缝无损切换；可按用户指定的频率进行定制；专有的空中数据加密，保证数据传输的安全和完整性；支持业务分段切割、分时上传等特性。
目前无线局域网技术在无线网络接入方面有不可替代的优势，而且该技术还在不断发展，因此在轨道交通车-地通信方面还会继续发挥重要作用。
3 方案设计
3.1 网络结构
轨道交通车-地通信系统由控制中心管理设备、有线网络、轨旁无线设备、车载无线单元等组成。无线部分与有线网络融合，与系统车站信息交互共用有线网络。控制中心配置网管中心系统和无线控制器，完成对整个无线局域网的设备管理、安全管理与业务流量控制。轨旁无线设备由轨旁设置的无线接入点（AP）、天线和配套设备组成。车载无线单元由车载无线设备和天线组成。
为满足列车沿线的高速运动、频繁接入、连接切换、抗反射干扰等要求，提高车-地无线局域网的可靠性，应对轨旁AP、车载无线单元及天线进行合理配置及布设。每个区间AP通过区间光缆连接到车站的接入交换机上。建议每个轨旁AP点连接双方向的定向天线，分别面向2个方向，降低区间环境多径反射影响，确保车尾/车头的车载单元冗余机制和单机失效下切换。
3.2 公众接入网
公众接入网设计应符合规范要求，信号覆盖区域包含站厅、站台和列车；若需提供智能维护，信号还需覆盖行车区间和设备管理区，区间接入点应为双模式工作，既可接入车-地通信，也可连接维修移动终端（手持PTA应用），应统筹规划信道频段，并与其他系统隔离。由于带宽需求较大，网络设备可考虑采用多入多出、大频宽和信道集成技术。
3.3 双网布设
信号系统采用CBTC（基于通信的列车控制系统）方案，独立设置车-地无线子系统。若2套车-地无线系统均采用802.11标准技术，且使用2.4 GHz频段，则需隔离信道频率，即信号系统占用2个信道，比如1和11，剩下6个信道给系统其他业务使用。这样在物理上2套信号系统完全分开，减少干扰，便于工程实施。
根据工程情况合理布设信号和乘客信息系统的天线位置，适当拉开2个系统的天线距离，一般轨旁前后间隔15 m以上，高度间隔0.5 m；车载天线在车头前端上部，与轨旁天线等高；信号天线在两侧，乘客信息系统天线在中部，两者间隔0.5 m。
信号系统的车-地无线通信系统，若采用完全不同的频谱或传输技术标准来建设，可以更好地避免相互干扰。
3.4 抗干扰能力
为提高设备的抗干扰能力，AP采用正交频分复用（OFDM）调制方式，以解决子载波间的相互干扰；为减少连接的不稳定性，可采用载波同步锁相环技术；而双向放大器的接收部分，可采用2个RF滤波器。将相邻的AP设置到独立的工作频段中，可大大减少相邻AP之间的干扰。
采用定向差异双天线，可减少覆盖范围且多路径最小化。差异双天线是指如果一个天线处于信号无效点，另一个天线不会处于信号无效点。
3.5 场强覆盖
当个别AP发生故障时，为保证系统仍然能够正常运转，每个AP覆盖区域必须重叠。在全线地下区间内，一般按200 m间隔布放AP（遇到弯道处需要增加布点），每套AP覆盖半径要求是200 m。地上区间按150 m间隔布设AP和天线。
3.6 智能漫游
在传统漫游模式下，移动端将从一系列邻近的AP中选择下一个最佳AP进行切换，其信号电平高于链接门限值。因为采用IEEE802.1X/EAP进行认证，其客户端和服务器之间需要交换多个帧，认证时间大概需要700 ms。为应对车辆高速运行时AP距离短，漫游时间要小于100 ms，系统需要快速和安全的漫游切换。
快速漫游需要双通道设计。无线模块持续监测信号强度和信号质量，如果检测到信号下降并低于一定的门限值，无线模块启动切换，断开现有的通信链路，并建立新的链接；如果计划切换的频率已知，切换会立即发生，否则会不断地搜索，以找到合适的频率建立链接。
快速漫游切换中，无线控制器对接入点集中管理，接入点IP地址不需要更新，可以在漫游中保持，也不需要重新进行认证与加密，改为协议层上的IPSec加密，从而降低链路链接时间。
在逻辑层控制主动漫游和合作漫游，可有效减少漫游时间。主动漫游为当列车沿着轨道运动时，预先安排了从一个接入点到另一个移交序列的位置，系统在学习的基础上自动调整漫游地点；合作漫游基于2个列车单元彼此通信，以优化漫游所用的时隙。系统列车头尾单元均处于通信状态，相互交换收到的数据，为应用提供无缝通信。
3.7 双回路冗余
系统冗余应在系统的所有层面上，包括空中的信号路径，网络冗余结构如图1所示。
图1 网络冗余结构
按照完全冗余的设计方针，采用双回路对区间内AP点进行跳接供电，任一区间内一路电源故障时，由另一路电源来供电，保证AP点正常冗余工作。
车站接入交换机与区间AP的连接可采用2种方式：(1)采用环型网，区间AP间隔接入不同环形网络，不同接入网负责区间的一半AP，并可以利用环型网冗余性能；(2)采用星型网，每个区间AP分别与车站交换机进行连接，形成一个逻辑上的星型分布，每个AP的工作状态与其他AP独立。不同车站交换机负责部分区间的AP，减少故障影响区域。这2种方式可根据具体设备的切换机制和设备特点选择采用。
3.8 车载无线单元
车头和车尾分别设置一套车载无线单元及天线，2套单元采用热备冗余或者并行工作机制。
车载无线单元主备用的确定，应由列车运行时无线信号接收效果来定。当车头向前运行时，车尾无线单元经过的无线信号覆盖强度是衰减的，切换点相邻AP的无线信号场强差异大，车尾无线单元可以减少切换时间。因此正常情况下，推荐采用以车尾无线单元为主用的工作方式。当车尾无线单元发生故障时，自动切换至车头无线单元进行通信。
并行工作机制需对车载AP虚拟和车载应用数据交互，可获得更好漫游性能和数据完整性，在堆叠应用时更能实现带宽叠加。
4 总结
经工程实际应用验证，无线局域网技术能够可靠应用于轨道交通车-地通信中，满足一定的业务带宽需求。其中5.8 GHz频段，无线环境更纯净，受到的干扰更小，无线性能较稳定，可供选择的独立信道更多；2.4 GHz频段，无线环境复杂，需做好场强环境监测与频率规划，多系统应用时也有独立信道选择。通过无线局域网技术新标准、新设备应用，以及工程设计改进，其轨道交通应用也有新的发展。
当然，无线局域网技术还存在一些不足，主要是采用共用频段及自由天线方式，场强覆盖情况复杂，实际应用现场监测丢包率时有增加，AP覆盖距离较短，区间布置设备较多，而且现有无线局域网技术对更高速运营线路有一定的局限性。因此期待进一步提升无线设备性能和设计更稳定的场强覆盖方案，提高单AP覆盖距离，改善场强覆盖质量。
参考文献
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