吳 昊 婁永梅（北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073）

1 研究背景、目的和意義

現(xiàn)代城市軌道交通已不僅僅是一項交通工具，而且已成為提供出行、廣告、通信、購物、娛樂等多種服務(wù)的新型城市活動空間。隨著技術(shù)的進(jìn)步，各種服務(wù)功能將實現(xiàn)相互滲透、優(yōu)勢互補(bǔ)，共同為社會提供多樣化的服務(wù)。

乘客信息系統(tǒng)（PIS）在地鐵空間里建立起一個動態(tài)的信息系統(tǒng)，讓乘客身處地下空間，仍然能夠時刻保持與外部世界的信息交流，充分體現(xiàn)以人為本、以為乘客服務(wù)的宗旨，提高了地鐵運營總體服務(wù)水平和服務(wù)質(zhì)量。通過乘客信息系統(tǒng)提供的各類信息，使乘客安全、高效地在地鐵中行走，使地鐵車輛高效、安全地運營。同時，提高媒體宣傳的利用率，提升社會經(jīng)濟(jì)收益水平。

當(dāng)前IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)中工作在5 GH z頻段的IEEE802.11a和工作在2.4 G頻段的IEEE802.11g在城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)中已有廣泛運用，但是隨著更多新業(yè)務(wù)需求的增加，基于IEEE802.11a和IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)的車地?zé)o線雙向傳輸帶寬已無法滿足實際應(yīng)用需求，為了實現(xiàn)高帶寬、高質(zhì)量的W LAN服務(wù)，使無線局域網(wǎng)達(dá)到以太網(wǎng)的性能水平，802.11n應(yīng)運而生，IEEE 802.11n使用2.4 GH z頻段和5 GH z頻段，IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)的核心是M IMO（m u ltip le-input m u ltip le-ou tpu t，多入多出）和OFDM技術(shù),傳輸速度300 M b it/s，最高可達(dá)600 M bit/s，可向下兼容IEEE 802.11b、IEEE 802.11g。

通過對IEEE802.11n標(biāo)準(zhǔn)在地鐵的應(yīng)用研究，提出研究方案，并通過模擬試驗提出實施建議，為地鐵今后PIS系統(tǒng)的應(yīng)用以及無線的規(guī)劃和選擇提供借鑒。

吳昊，女，畢業(yè)于中南大學(xué)，工程師。主要研究方向為城市軌道交通通信信號，曾參與“北京地鐵9號線通信信號系統(tǒng)設(shè)計”、“北京地鐵14號線通信信號系統(tǒng)設(shè)計”、“北京地鐵1、2號線自動售檢票系統(tǒng)設(shè)計”、“德黑蘭地鐵二、三期工程通信系統(tǒng)設(shè)計”、“軌道交通安全防范物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范工程設(shè)計項目“、“北京市政治中心區(qū)綜合管理物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范工程設(shè)計項目”等項目工作。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

802.11n標(biāo)準(zhǔn)在韓國首爾地鐵首次應(yīng)用外，其他應(yīng)用案例大多集中在電信運營商，在我國城市軌道交通還沒用應(yīng)用和開通業(yè)績。

3 主要研究內(nèi)容

3.1 IEEE802.11n標(biāo)準(zhǔn)在城市軌道交通中的傳輸性能

IEEE802.11n標(biāo)準(zhǔn)可支持行駛速度80 km/h的列車的通信。網(wǎng)絡(luò)能以不小于30 M b it/s的平均速率在列車和地面雙向傳輸視頻影像和其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并能保證很小且穩(wěn)定的延遲。

3.2 在地鐵隧道和地面復(fù)雜干擾情況下的無線局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)

地鐵PIS系統(tǒng)全線沿軌旁設(shè)置無線接入點和天線；在控制中心設(shè)置本線無線網(wǎng)絡(luò)的無線控制器，管理和控制本線無線網(wǎng)絡(luò)；在列車上設(shè)置車載無線客戶端，以達(dá)到在全線范圍內(nèi)實時無縫的列車與地面間的圖像和數(shù)據(jù)傳遞。

車地?zé)o線網(wǎng)作為有線局域網(wǎng)的延伸，提供了地面有線網(wǎng)絡(luò)與列車的通信。無線控制器與軌旁A P之間采用FIT AP架構(gòu)，車載AP采用FAT AP架構(gòu)。FIT AP架構(gòu)由無線控制器、軌旁AP組成，其中無線控制器集中設(shè)置在運營控制中心，對全線軌旁AP進(jìn)行集中統(tǒng)一控制，在無線控制器可以完成軌旁AP的版本更新，配置下發(fā)以及單一命令的下發(fā)。車載AP與軌旁AP間采用FA T AP模式，主要考慮降低車載A P掉線再上線的時間間隔。減免車載AP與無線控制器進(jìn)行連接，建立隧道到重新下發(fā)配置的環(huán)節(jié)。

3.3 抗干擾分析及技術(shù)實現(xiàn)

1)環(huán)境模型

a．通用傳輸模型

地鐵隧道類型多種多樣，（橫截面）有矩形、圓形、弓形等，不同形狀、結(jié)構(gòu)對無線信號傳輸有不同影響。對于部署無線傳輸系統(tǒng)，首先必須了解距離對無線信號傳輸所產(chǎn)生的衰減。

最好的方法是在真實環(huán)境逐段進(jìn)行測試，這需要在一列車上安裝無線客戶端通過無線訪問地面AP，這是一項非常費時的任務(wù)，且測試環(huán)境搭建困難。為解決這一難題，可采用無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件事先對真實環(huán)境無線信號傳輸進(jìn)行模擬。

b．三維光線跟蹤模型

為獲得隧道內(nèi)更精確的無線傳播信息，可使用另外一個模型：三維光線跟蹤模型。該模型假定無線信號就象光線一樣在隧道內(nèi)壁、物體表面通過反射及衍射在隧道內(nèi)傳播，隧道內(nèi)任一點的信號強(qiáng)度如下表一樣就是各個方向所有反射、衍射光線能量在該點的總和。

如圖1所示，接受點能量的大小取決于到達(dá)該點的光線路數(shù)、每路光線的強(qiáng)弱以及不同光線之間的相差。

如圖2顯示在400 m距離內(nèi)，公式計算的場強(qiáng)低于趨勢曲線的場強(qiáng)，400 m以后兩者非常接近。

2）干擾源及措施

干擾源及措施分析，如表1所示。

地面和隧道內(nèi)發(fā)射設(shè)備的合理配置布署及實施方案。

根據(jù)以往經(jīng)驗及衰減計算A P布置間距遵循以下原則。

表1 干擾源及分析措施

* 700 m以下曲線半徑每150 m布置一個AP。

* 1 500 m以下曲線半徑每200 m布置一個AP。

* 1 500 m以上及支線區(qū)段每230 m布置一個AP。

* 原則上最大布置間距不超過250m。

隧道天線安裝為垂直隧道壁或線路安裝，如標(biāo)明需要偏向線路時暫按20°安裝，單體調(diào)試時再進(jìn)行調(diào)整。

隧道天線安裝時應(yīng)注意，天線輻射面前方15 m應(yīng)盡量保證沒有其他設(shè)備遮擋，如實在無法保證，單體調(diào)試時再進(jìn)行天線角度調(diào)整。

4 技術(shù)關(guān)鍵

1）IEEE802.11n標(biāo)準(zhǔn)在地鐵隧道和地面的無線傳輸要求

移動的列車與地面之間具有實時雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，因此，無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)滿足以下要求：

* 車-地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)能通過組播方式實現(xiàn)控制/臨時中心到列車的信息下發(fā)，并能實現(xiàn)廣播和尋址功能，將特定的信息發(fā)送給指定的一列或者幾列列車。通過6 M bit/s帶寬的傳輸通道將1路標(biāo)清數(shù)字視頻信息傳送給車輛。

* 實現(xiàn)將車輛客室監(jiān)視信息實時及準(zhǔn)實時上傳至控制中心的功能。

* 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)滿足系統(tǒng)功能需求的帶寬，并留有需求帶寬25%以上的余量，且傳輸層雙向平均有效帶寬為30 Mbit/s。

* 車-地?zé)o線網(wǎng)確保沿軌道線安裝的無線接入點和在移動列車上的移動單元之間建立穩(wěn)定、安全且能避免沖突的連接。

* 在列車高速運行時，不丟失連接和引起畫面質(zhì)量降低。在列車能與無線局域網(wǎng)接入點進(jìn)行通信的地方都應(yīng)進(jìn)行全面的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，包括正線、車輛段出入段線、停車列檢庫。

* 無線接入點和列車天線的設(shè)置保證列車始終存在可選的無線信號路徑。無線設(shè)備具備完善的切換機(jī)制無縫切換至最合適的接入點，切換時間小于50 m s。

* 無線網(wǎng)絡(luò)局域網(wǎng)的丟包率在1%以下。

5 技術(shù)創(chuàng)新點

對CBTC和PIS系統(tǒng)的相互干擾以及和其他無線系統(tǒng)的相互干擾問題提出解決方案，提高地鐵安全生產(chǎn)的可靠性。提高無線傳輸帶寬。

1）主要抗干擾措施

a．雙頻支持，避免與地鐵信號等其他無線系統(tǒng)互相干擾

無線AP的雙頻支持特性（2.4 GH z，5 GH z），可根據(jù)信號系統(tǒng)采用的頻率情況，選用完全互不干擾的頻率進(jìn)行無線覆蓋，從而絕對保證信號系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠。

b．異頻信道布設(shè)，避免產(chǎn)生同頻干擾

802.11n 2.4 GH z包含3個完全不重疊信道，分別為1、6、11。本系統(tǒng)中，PIS軌道沿線節(jié)點A P使用信道6（信號專業(yè)使用1、11），列車上的無線回程模塊僅需交替掃描信道6，既減少了掃描時間，提高切換速度，同時，相鄰節(jié)點采用非重疊的信道有效的保證性能不受干擾的影響。

2）M IMO天線的應(yīng)用

M IMO的優(yōu)點是能夠增加無線范圍并提高性能。連接到老的802.11g接入點的802.11n站點能夠以更高的速度連接到更遠(yuǎn)的距離。無線電發(fā)送的信號被反射時，會產(chǎn)生多份信號。每份信號都是一個空間流。使用單輸入單輸出（SISO）的當(dāng)前或老系統(tǒng)一次只能發(fā)送或接收一個空間流。M IM O允許多個天線同時發(fā)送和接收多個空間流。它允許天線同時傳送和接收。

如圖3可以看出，此時的信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大。也就是說可以利用M IMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。利用M IMO技術(shù)可以提高信道的容量，同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。前者是利用M IMO信道提供的空間復(fù)用增益，后者是利用M IMO信道提供的空間分集增益。

M IM O是指一個系統(tǒng)在發(fā)送和接收端采用多個天線進(jìn)行無線信號的收發(fā)，以提高通訊的性能。它是當(dāng)今無線最熱門的技術(shù)，無論是LTE、W IMAX，還是802.11n，都把M IMO列入射頻的關(guān)鍵技術(shù) 。

M IMO用In×Out來表示。對于當(dāng)前的11n產(chǎn)品，AP側(cè)典型的是3×3，網(wǎng)卡側(cè)典型的是2×2。

3）無線終端設(shè)備的高速移動漫游切換技術(shù)

考慮到地鐵沿線的特殊條件和特征，采用W LAN IEEE802.11n技術(shù)，應(yīng)用先進(jìn)的AP快速切換技術(shù)，真正實現(xiàn)了業(yè)界“零時間AP切換”的效果。

4）無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸安全技術(shù)

數(shù)據(jù)安全傳輸加密技術(shù)主要包括以下方面的內(nèi)容：

支持802.1x認(rèn)證：無線接入設(shè)備只有通過了802.1x認(rèn)證成功后，才能接入網(wǎng)絡(luò)。

M AC地址過濾：目前支持基于M AC地址的過濾，限制具有某種類型的M AC地址特征的終端才能進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)中。

SSID管理：是一種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識的方案，將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一個邏輯化標(biāo)識，對終端上發(fā)的報文都要求進(jìn)行上帶SSID，如果沒有SSID標(biāo)識則不能進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。

WEP加密：WEP加密是一種靜態(tài)加密的機(jī)制，通信雙方具有一個共同的密鑰，終端發(fā)送的空口信息報文必須使用共同的密鑰進(jìn)行加密。

支持A ES加密，A ES安全機(jī)制是一種動態(tài)密鑰管理機(jī)制，同時密鑰生成也基于不對稱密鑰機(jī)制來實現(xiàn)的，同時密鑰的管理也定期更新，具體的時間由系統(tǒng)可以設(shè)定，一般情況都設(shè)定為5 m in左右，這樣非法用戶要想在5 m in之內(nèi)進(jìn)行獲取足夠數(shù)量的報文進(jìn)行匹配出密鑰出來，從無線空口的流理來看，基本上是不可能的。

數(shù)據(jù)傳輸安全管理主要包括以下方面的內(nèi)容：

*采用定向小夾角天線減少電波覆蓋的范圍；

*把不同類型的數(shù)據(jù)經(jīng)由不同的V LA N進(jìn)行傳輸；

*在網(wǎng)絡(luò)層建立VPN隧道，進(jìn)一步提高經(jīng)由無線傳輸信息的保密性、完整性和有效性。

6 推廣應(yīng)用前景分析

PIS系統(tǒng)是目前國際和國內(nèi)城市軌道交通的熱點和亮點，而車地?zé)o線通信是PIS系統(tǒng)最需要關(guān)心的方面。該項目研究了802.11n標(biāo)準(zhǔn)在PIS系統(tǒng)中的無線傳輸性能，將在一段時期內(nèi)為新線建設(shè)及舊線的改造起到規(guī)范及指導(dǎo)作用。

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