于 鑫，闞庭明，吳 卉

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京100081）

乘客信息系統(tǒng)（PIS）是依托網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體傳輸技術(shù)，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心，以車站和車載顯示終端為媒介向乘客提供信息服務(wù)的系統(tǒng)。通過(guò)系統(tǒng)車載設(shè)備接收無(wú)線傳輸?shù)男畔⒔?jīng)處理后實(shí)時(shí)在列車車廂終端進(jìn)行音視頻播放，使乘客通過(guò)正確地鐵乘客信息系統(tǒng)車地?zé)o線雙向傳輸系統(tǒng)一般采用IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)，大多工作在2.4 GHz頻段，由于地鐵無(wú)線傳播環(huán)境比較復(fù)雜，因此車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際、設(shè)備性能及工程經(jīng)驗(yàn)詳細(xì)分析并不斷優(yōu)化。

1 車地?zé)o線雙向傳輸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是為乘客信息顯示系統(tǒng)提供無(wú)線傳輸信息的基礎(chǔ)平臺(tái)，為信息流從控制中心，經(jīng)各線車站，為各線列車提供高速、穩(wěn)定、可靠的傳輸服務(wù)，以達(dá)到在全線范圍內(nèi)，實(shí)時(shí)、無(wú)縫的完成車、地間的圖像和數(shù)據(jù)傳遞。一般包括WLAN無(wú)線控制器、軌旁AP（Acces Point ，無(wú)線接入點(diǎn)）、車載AP等，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1。

2 外界干擾分析

在規(guī)定范圍內(nèi)可以使用的2.4 GHz頻段上只有3個(gè)不重疊的頻點(diǎn)。系統(tǒng)工作在這3個(gè)頻點(diǎn)上的時(shí)候，相互之間沒有干擾可以并發(fā)運(yùn)行。一般由于信號(hào)系統(tǒng)已經(jīng)占用了兩頻點(diǎn)，所以PIS只能工作在1個(gè)頻點(diǎn)，即“同頻工作模式”，在此模式下，PIS的有效帶寬會(huì)有所下降，這是因?yàn)闊o(wú)線局域網(wǎng)是半雙工的工作模式，一旦有發(fā)送方占用帶寬，在同頻工作模式下的其它設(shè)備只能等待，而在“異頻工作模式”下，PIS相鄰AP工作在不同頻點(diǎn)，系統(tǒng)容量會(huì)隨之增大。

2.1 同頻干擾分析

圖1 車地?zé)o線雙向傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

在同頻工作模式下，如果兩列地鐵列車關(guān)聯(lián)在同一AP，或者兩列地鐵列車分別關(guān)聯(lián)在兩個(gè)覆蓋范圍基本重合的AP上的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)短時(shí)間受到同頻干擾的情況影響。在單線雙軌的地面上兩車會(huì)車時(shí)，或者兩個(gè)方向列車同時(shí)?？恳粋€(gè)車站的站臺(tái)時(shí)，可能發(fā)生同頻干擾。

2.2 多徑干擾分析

當(dāng)傳輸信號(hào)在隧道內(nèi)壁、車體及其它室內(nèi)物體上進(jìn)行反射時(shí)會(huì)產(chǎn)生多徑效應(yīng)。在這種情況下，傳輸信號(hào)并非通過(guò)單一的直接路徑到達(dá)接收器，而是經(jīng)過(guò)多個(gè)不同路徑。信號(hào)從發(fā)射器到接收器所經(jīng)歷的每條路徑長(zhǎng)度不同，因此每個(gè)信號(hào)的延遲不同。最終接收到的信號(hào)實(shí)際上是經(jīng)過(guò)多次迭加而產(chǎn)生的信號(hào)，每個(gè)迭加信號(hào)都在不同時(shí)刻到達(dá)接收器，每個(gè)迭加信號(hào)的強(qiáng)度均不相同。這樣接受到的信號(hào)就產(chǎn)生了畸變。在隧道環(huán)境中，隧道是一個(gè)封閉的室內(nèi)環(huán)境，并且由于隧道材料的因素，所以發(fā)射的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生多徑問(wèn)題。

2.3 其他電磁干擾

在地鐵環(huán)境還存在如安防、GSM、CDMA等相關(guān)系統(tǒng)的干擾。

3 抗干擾對(duì)策

3.1 同頻干擾對(duì)策

同頻干擾采用如下的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)沿著鐵軌的WLAN信號(hào)連續(xù)覆蓋，避免同頻干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。

（1）每個(gè)方向上的每個(gè)車站區(qū)間，都需要在每隔大約200 m的距離部署一個(gè)AP設(shè)備。

（2）采用定向性好的方向性天線（提高傳輸性能，避免信號(hào)的無(wú)效泄漏）。

3.1.1 對(duì)抗會(huì)車干擾

在只能使用1個(gè)信道的情況下，必須考慮車輛相會(huì)時(shí)的同頻干擾。由于無(wú)法使用不同信道來(lái)防止會(huì)車干擾，那么可以使用不同極化方式的天線來(lái)減輕干擾。如圖2。

圖2 對(duì)抗會(huì)車干擾示意圖

3.1.2 對(duì)抗民用AP干擾

當(dāng)?shù)罔F列車在高架上行駛時(shí)，來(lái)自高架兩旁的民用信號(hào)可能對(duì)PIS的無(wú)線信號(hào)造成干擾。民用WiFi設(shè)備信號(hào)從建筑物中透出能量的輻射方向大部分垂直于高架，因此如果沿著高架部署窄波束定向天線將能比較好的抑制同頻干擾。

3.1.3 對(duì)抗相鄰AP干擾

相鄰AP的間隔在200 m以內(nèi)，結(jié)合實(shí)際情況合理的設(shè)計(jì)相鄰AP之間的重疊區(qū)域能夠很好地降低干擾如圖3。同時(shí)，在大多數(shù)情況下，由于行車間隔的限制，相鄰AP不會(huì)同時(shí)有數(shù)據(jù)傳送，一般只有一個(gè)AP在跟車載系統(tǒng)通信，而其相鄰AP只周期發(fā)射信標(biāo)幀。這些信標(biāo)幀數(shù)據(jù)量小，同時(shí)相比數(shù)據(jù)幀，其發(fā)送的周期也長(zhǎng)很多，因此造成的干擾可以忽略不計(jì)。

圖3 對(duì)抗相鄰AP干擾示意圖

3.2 多徑干擾對(duì)策

3.2.1 采用分極天線減輕多徑干擾

采用分極天線的方式，即為每一個(gè)車載無(wú)線單元配置了雙天線，通過(guò)設(shè)置，使這兩只天線工作在分極模式下。通過(guò)分極天線的方式可以在一定程度上消除多徑干擾的問(wèn)題，其原理是無(wú)線接入點(diǎn)每一次創(chuàng)建一個(gè)多路徑條件，通過(guò)比較2個(gè)天線接受下來(lái)的無(wú)線信號(hào)，選擇其中一個(gè)質(zhì)量較好的信號(hào)進(jìn)行接受。從而較好的還原信號(hào)。這樣一定程度上克服多徑問(wèn)題帶來(lái)的影響。

3.2.2 采用定向天線減輕多徑干擾

在軌旁以及車載部分都采用小角度的定向天線的方式進(jìn)行接收與發(fā)送，和全向天線不同，定向天線的發(fā)射角度較小，在隧道封閉環(huán)境中產(chǎn)生反射的情況大大較少，從而在一定程度上克服了多徑問(wèn)題。

3.3 其它無(wú)線系統(tǒng)對(duì)PIS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)干擾的情況分析

如果PIS采用WLAN 802.11b/g技術(shù)，其工作頻段為2.4 GHz～2.483 GHz，由于其它通信系統(tǒng)工作在不同的頻點(diǎn)，對(duì)于軌旁和車載無(wú)線接入點(diǎn)，在內(nèi)部硬件中，都設(shè)計(jì)了專業(yè)的多級(jí)濾波器，只放大了2.4 GHz～2.483 GHz之內(nèi)的信號(hào)，而濾除了其它頻段的信號(hào)，因此其它頻段的信號(hào)幾乎可以全部衰減，從而避免了對(duì)其它無(wú)線系統(tǒng)對(duì)PIS無(wú)線系統(tǒng)的干擾。

4 軌旁AP布點(diǎn)設(shè)計(jì)方案

4.1 軌旁AP布點(diǎn)設(shè)計(jì)原則

無(wú)線電波傳播特性與電波傳播環(huán)境密切相關(guān)，無(wú)線通信的物理載體是無(wú)線電波，信源與信宿之間的物理環(huán)境對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的部署和性能有著較大的影響。結(jié)合地鐵行業(yè)的特殊應(yīng)用環(huán)境，根據(jù)無(wú)線信道的傳播特性和電波傳播方式建立恰當(dāng)?shù)膫鞑ツＰ?，?zhǔn)確地對(duì)傳播損耗做出預(yù)測(cè)，是地鐵無(wú)線網(wǎng)絡(luò)軌旁AP布點(diǎn)規(guī)劃的重要原則。軌旁的接入點(diǎn)設(shè)備、列車天線的設(shè)置保證列車和固定網(wǎng)絡(luò)間始終存在可選的無(wú)線信號(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)。軌旁AP布點(diǎn)規(guī)劃可參照如下主要原則進(jìn)行。

（1） 所有軌旁AP均部署在隧道以及開放區(qū)段的弱電一側(cè)。

（2） 為保證在某一軌旁AP意外失效的情況下，相鄰軌旁AP仍可覆蓋原失效AP的覆蓋區(qū)域，避免軌旁AP無(wú)線覆蓋區(qū)域出現(xiàn)盲點(diǎn)而導(dǎo)致車地通信中斷，軌旁AP的有效無(wú)線信號(hào)覆蓋范圍應(yīng)設(shè)計(jì)為2倍的AP部署間距。

（3） 為了避免AP之間覆蓋區(qū)域的過(guò)渡重疊而造成不必要的同頻干擾，建議結(jié)合實(shí)際情況將AP發(fā)射功率設(shè)定在與其覆蓋范圍相對(duì)應(yīng)的級(jí)別上，即避免某一地點(diǎn)車載無(wú)線單元接收到多于2個(gè)以上的軌旁無(wú)線信號(hào)覆蓋，即實(shí)現(xiàn)AP的無(wú)縫切換。

（4） 根據(jù)無(wú)線鏈路計(jì)算及地鐵實(shí)際環(huán)境下的測(cè)試和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建議直道軌旁AP的平均部署間距為150 m～180 m左右，具體點(diǎn)位，需要在實(shí)際勘測(cè)時(shí)確定。

（5） 彎道處的軌旁AP部署間距應(yīng)以可視距離為參考原則，具體部署位置可根據(jù)實(shí)際工程勘測(cè)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整。

（6） 高架區(qū)段、共線路段、線路交叉坡道路段等環(huán)境的軌旁AP部署位置在以上原則基礎(chǔ)上建議根據(jù)實(shí)際工程勘測(cè)結(jié)果最終確定。

（7） 站臺(tái)附近如存在抽風(fēng)機(jī)設(shè)備，在站臺(tái)長(zhǎng)度不長(zhǎng)的情況下，為避免抽風(fēng)機(jī)對(duì)無(wú)線信號(hào)的阻隔和反射影響，建議站臺(tái)兩端軌旁AP部署點(diǎn)選擇距離抽風(fēng)機(jī)稍遠(yuǎn)的地方。

（8） 軌旁AP的布點(diǎn)設(shè)計(jì)還需避開隧道內(nèi)的人防段和隔斷門位置。

（9） 軌旁AP天線安裝支架的設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)各種不同隧道洞型的差異，以確保軌旁天線與車載天線的極化方向始終保持一致。

4.2 AP部署方案

4.2.1 雙軌部署單向天線

上行和下行的AP設(shè)置為同一個(gè)頻點(diǎn)，共線區(qū)間只安裝一個(gè)方向的天線,這樣可以避免兩列車的車尾無(wú)線單元同時(shí)接入同一個(gè)AP。

如圖4，上行和下行的AP設(shè)置為同一個(gè)頻點(diǎn)，例如：頻點(diǎn)1。列車車頭和車尾無(wú)線單元的工作頻點(diǎn)也設(shè)置為頻點(diǎn)1。由于在共線區(qū)間的某個(gè)線路上只安裝一個(gè)方向的天線，用于服務(wù)車尾無(wú)線移動(dòng)單元，從而保證上行列車和下行列車的車尾無(wú)線單元始終接入各自相應(yīng)線路的AP。如圖4，相向的兩列車會(huì)車時(shí)，上行車接入上行的AP2，下行車接入下行的AP2’。

圖4 雙軌部署單向天線示意圖

通過(guò)軟件的方式使車載AP始終工作在車尾模式下，可避免列車接入另外一條軌道的AP。

4.2.2 上下行線路采用不同SSID

上、下行線路的所有AP，均采用了同樣的SSID（Service Set Identifier,服務(wù)集標(biāo)識(shí)），是“車載無(wú)線單元”在上面討論的單線雙軌線路、會(huì)車等條件下，兩個(gè)方向上的車輛關(guān)聯(lián)相同的AP的主要原因。當(dāng)然，上下行線路設(shè)置同一SSID的好處是，車輛上的“車載無(wú)線單元”在反向運(yùn)行時(shí)，不用修改SSID參數(shù)。

為了避免在單線雙軌線路發(fā)生同一AP連接不同方向來(lái)車的情況發(fā)生，可以考慮如下措施。

（1）預(yù)先將上行和下行線路上面的AP的SSID設(shè)為不同SSID，如SSID-UP（上行）, SSID-DN（下行）。

（2）“車尾工作”仍然為主模式，“車頭工作”仍然為備份模式。

（3）列車運(yùn)行的方向信息（上行或者下行），通過(guò)與車輛信號(hào)系統(tǒng)的接口傳遞到車內(nèi)的車載服務(wù)/控制器上。

（4）車載服務(wù)/控制器根據(jù)此信息，通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)，告知位于車尾和車頭的車載無(wú)線單元—也就是“無(wú)線工作組網(wǎng)橋”—將當(dāng)前工作的SSID設(shè)定為正確的值（比如從車輛信號(hào)接口獲得的信息表明列車即將由上行轉(zhuǎn)為下行，則此時(shí)主“視頻控制器”通知“無(wú)線工作組網(wǎng)橋”將工作的SSID設(shè)置成SSID-DN）。

通過(guò)上述的步驟，可以確保在共線區(qū)間內(nèi)，上下行列車由于設(shè)定SSID不同，從而不可能關(guān)聯(lián)同一AP，而只能關(guān)聯(lián)到各自運(yùn)行線路的AP上，并且也能夠保證“車尾工作”與“車頭工作”的主用/備用關(guān)系。

4.2.3 高架帶聲屏障路段AP部署方案

高架帶聲屏障路段部分，為了降低聲屏障對(duì)于無(wú)線電波的反射，通過(guò)測(cè)試建議AP部署方式和普通高架部分和單線雙軌線路大致一致，只是在AP間的距離、密度和發(fā)射功率方面進(jìn)行調(diào)整，即在直線部分AP間的距離在150 m左右，使AP的發(fā)射功率與其覆蓋范圍相匹配。

5 設(shè)計(jì)優(yōu)化

結(jié)合設(shè)備選型、設(shè)備布置安裝、有線網(wǎng)絡(luò)支持，進(jìn)行模擬試驗(yàn)，確定并優(yōu)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)漫游方案，實(shí)現(xiàn)高速切換。

車載設(shè)備的漫游切換，是技術(shù)關(guān)鍵所在。由于無(wú)線信號(hào)具有較大的時(shí)變性，即某時(shí)刻遠(yuǎn)一些距離收到的信號(hào)可能比近一些距離收到信號(hào)要好，因此對(duì)于如何更準(zhǔn)確的判定信號(hào)質(zhì)量是個(gè)關(guān)鍵。借鑒經(jīng)驗(yàn)，將判定算法移植到WLAN設(shè)備中，可達(dá)到很好效果。

5.1 快速安全漫游切換機(jī)制

通常的無(wú)線局域網(wǎng)漫游切換過(guò)程，需要3個(gè)方面的處理開銷。

（1）漫游主體決定切換—尋找合適的新AP——重新關(guān)聯(lián)。

（2）如果實(shí)施了802.1x/EAP，快速重新認(rèn)證和將會(huì)話密鑰送給新AP（如果只采用靜態(tài)Wep，則沒有這個(gè)處理過(guò)程的開銷）。

（3）有線網(wǎng)絡(luò)對(duì)漫游主體的轉(zhuǎn)發(fā)地址更新過(guò)程（如果是2層漫游，則更新MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)表；如果是3層漫游，則更新IP地址轉(zhuǎn)發(fā)表）；地址更新過(guò)程采用了IAPP (Inter-Access Point Protocol)技術(shù)，主動(dòng)將漫游事件的后果通知上游設(shè)備，而不是被動(dòng)等待數(shù)據(jù)流觸發(fā)的學(xué)習(xí)更新和AP的關(guān)聯(lián)信息的超時(shí)，從而縮短了地址更新的時(shí)間。

該技術(shù)實(shí)現(xiàn)完全集中在車載設(shè)備（WGB）上。如上文所述，WGB引入“移動(dòng)站”功能選項(xiàng)后，漫游切換時(shí)間縮短，當(dāng)WGB發(fā)現(xiàn)與正在通信AP的傳輸信號(hào)質(zhì)量變差(RSSI值降低)，過(guò)多的無(wú)線電射頻干擾，或者高誤碼率的時(shí)候，WGB就會(huì)在不影響當(dāng)前通信的同時(shí)開始掃描查找新的AP；一旦發(fā)現(xiàn)新的AP信號(hào)質(zhì)量好于正在通信的設(shè)備，馬上切換。

5.2 車尾優(yōu)先工作的依據(jù)

為了滿足地鐵的高可用性，要求在車頭和車尾的司機(jī)室內(nèi)分別部署一套車載無(wú)線單元、視頻服務(wù)器及車載交換機(jī)。在正常情況下，視頻數(shù)據(jù)通過(guò)其中一個(gè)司機(jī)室的無(wú)線鏈路與有線網(wǎng)通信，只有在這個(gè)司機(jī)室內(nèi)的無(wú)線單元或者視頻服務(wù)器發(fā)生故障的時(shí)候，才切換，通過(guò)另一司機(jī)室內(nèi)的設(shè)備同有線部分進(jìn)行通信。

根據(jù)地鐵實(shí)際環(huán)境和測(cè)試結(jié)果，采用車尾為主的工作方式進(jìn)行工作，在車尾司機(jī)室內(nèi)設(shè)備發(fā)生故障的情況下，車內(nèi)視頻系統(tǒng)才通過(guò)車頭司機(jī)室內(nèi)的設(shè)備與有線系統(tǒng)進(jìn)行通信。

如圖5，以車尾為主進(jìn)行工作時(shí)，車載無(wú)線單元經(jīng)過(guò)的無(wú)線信號(hào)覆蓋強(qiáng)度是由強(qiáng)到弱。在這種情況下，車載無(wú)線單元非常容易判斷切換條件，因?yàn)樵谇袚Q點(diǎn)，相鄰2個(gè)AP的無(wú)線信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)差異很大，車載無(wú)線單元可以立刻做出判斷進(jìn)行切換。

圖5 車尾天線漫游切換示意圖

如圖6，當(dāng)以車頭為主進(jìn)行工作時(shí)，車載無(wú)線單元經(jīng)過(guò)的無(wú)線信號(hào)覆蓋強(qiáng)度是由弱到強(qiáng)的，在這種情況下，當(dāng)車載無(wú)線單元進(jìn)入到切換點(diǎn)附近的時(shí)候，相連2個(gè)AP的無(wú)線信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)差異很小，這時(shí)車載無(wú)線單元很難做出判斷，會(huì)產(chǎn)生一小段猶豫比較過(guò)程，從而增加了切換時(shí)間。而且缺少了信號(hào)預(yù)檢測(cè)過(guò)程，難以完成快速切換過(guò)程。

圖6 車頭天線漫游切換示意圖

通過(guò)比較，一般采用車尾工作為主的模式，只有在車尾設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下，才切換至車頭工作的模式。

6 結(jié)束語(yǔ)

車地?zé)o線傳輸技術(shù)是保證車站到車輛之間的各種數(shù)據(jù)信息、視頻信息和控制信息穩(wěn)定傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，其傳輸質(zhì)量直接影響日常運(yùn)營(yíng)工作的正常開展和乘客的乘車感受。在工程應(yīng)用中，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采取相應(yīng)措施有效避免傳輸干擾，達(dá)到良好的系統(tǒng)運(yùn)行效果。

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