深圳市地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)總部　彭耿林

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城市軌道交通中無(wú)線局域網(wǎng)的應(yīng)用

深圳市地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)總部彭耿林

本文首先簡(jiǎn)要介紹了無(wú)線局域網(wǎng)和地鐵交通系統(tǒng)的組成，在此基礎(chǔ)上又主要分析了無(wú)線局域網(wǎng)在地鐵行業(yè)應(yīng)用中所存在的問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的解決策略。

無(wú)線局域網(wǎng)；地鐵行業(yè)；應(yīng)用

隨著社會(huì)的進(jìn)步，我國(guó)的軌道交通也在迅速發(fā)展。近年來(lái)，雖然無(wú)線局域網(wǎng)在軌道交通中的應(yīng)用越來(lái)越普遍，但是在應(yīng)用中也難免存在一些問(wèn)題。為了讓無(wú)線局域網(wǎng)更好的服務(wù)于地鐵行業(yè)，有必要妥善解決這些問(wèn)題。

1　無(wú)線局域網(wǎng)的簡(jiǎn)介

無(wú)線局域網(wǎng)就是人們熟知的WLAN，是繼有線網(wǎng)之后發(fā)展起來(lái)的。它主要以無(wú)線信道為傳輸媒介，由于無(wú)線局域網(wǎng)具有可移動(dòng)性、方便性等特點(diǎn)，因此它有效的彌補(bǔ)了有線網(wǎng)的不足。近年來(lái)隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)也在迅速發(fā)展。

1.1無(wú)線局域網(wǎng)的特點(diǎn)

無(wú)線局域網(wǎng)主要以無(wú)線方式相連接，不但能使計(jì)算機(jī)彼此之間的資源可以共享，還可以支持各種服務(wù)功能。其特點(diǎn)具體如下：①因?yàn)椴恍枰B接線，因此無(wú)線局域網(wǎng)可以隨意移動(dòng)，不受接線點(diǎn)位置的限制；②和有限網(wǎng)相比，它的數(shù)據(jù)傳輸速率很高，高于1Mbps；③由于其具有很強(qiáng)的抗干擾性，因此它很少發(fā)生誤碼率；④無(wú)線局域網(wǎng)的保密性很強(qiáng)，用戶在進(jìn)行數(shù)據(jù)提取時(shí)不用擔(dān)心數(shù)據(jù)泄露；⑤可靠性很高，不用擔(dān)心數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^(guò)程中出現(xiàn)丟包現(xiàn)象；⑥由于具有良好的兼容性并遵從IEEE802.3以太網(wǎng)協(xié)議，因此無(wú)線局域網(wǎng)可以和現(xiàn)階段的幾種主流網(wǎng)操作系統(tǒng)完全兼容。只要用戶擁有某個(gè)網(wǎng)絡(luò)軟件，在不用做任何修改的情況下就可以在無(wú)線局域網(wǎng)上應(yīng)用；⑦和有線網(wǎng)相比，無(wú)線局域網(wǎng)不僅具有安裝速度快的優(yōu)點(diǎn)，還具有安裝工作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

1.2無(wú)線局域網(wǎng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

和其他信息系統(tǒng)不同的是乘客信息系統(tǒng)接收信息的客戶端不斷移動(dòng)。因此，在列車(chē)行駛中為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和安全性，選擇合適的高質(zhì)量、高速度、低延遲的無(wú)線傳播技術(shù)至關(guān)重要。下面主要簡(jiǎn)要介紹無(wú)線局域網(wǎng)的802.11系列標(biāo)準(zhǔn)。

（1）802.11a。 IEEE802.11a主要在5GHZ的頻段上工作。它的調(diào)制技術(shù)為OFDM，其傳輸速率為54Mbps。802.11a和802.11b各有利弊，而且它們的適用范圍也存在一定的差別。和802.11a相比，802.11b的價(jià)格相對(duì)低廉，但是它的傳輸速率也低，最高速度只能在11 Mbps。雖然802.11a的價(jià)格偏高，但是它的傳輸速率也快，而且受到的干擾也很小。由于它們不在同一個(gè)頻段上，因此在工作中互不兼容。

（2）802.11b。 IEEE802.11b的標(biāo)準(zhǔn)是在IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展得到的。它的傳輸速度最高可達(dá)11 Mbps，在2.4 GHz的ISM頻段上工作，其調(diào)制技術(shù)為CCK。隨著客戶的逐漸增多，CCK模式已經(jīng)不能滿足用戶的要求。雖然就直接擴(kuò)頻技術(shù)來(lái)說(shuō)，要想實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)率可以選擇較高的代碼片，但是這也是一件很困難的事情。因?yàn)橐胧筊AKE接收更高速率的數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)一定會(huì)變得更加復(fù)雜，這在硬件上是很難實(shí)現(xiàn)的。

（3）802.11g 和802.11n。和IEEE802.11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)相比，IEEE802.11g具有一個(gè)很重要的特點(diǎn)：由于它使用的是OFDM調(diào)制技術(shù)，因此它可以和IEEE802.11b系統(tǒng)互相聯(lián)通，從而具有良好的兼容性。在802.11n中采用了智能天線技術(shù)。波束在天線陣列的動(dòng)態(tài)調(diào)整下，可將無(wú)線信號(hào)準(zhǔn)確的傳送給用戶，從而有效的減少了干擾。此外，由于802.11n可形成較大的WLAN，因此其可移動(dòng)性顯著提高。表1是802.11n技術(shù)和其他技術(shù)的對(duì)比。

表1　無(wú)線局域網(wǎng)的工作信道對(duì)比

由表1中可以看出802.11n選用的是MIMO天線，因此具有如下優(yōu)點(diǎn)。和普通天線相比，MIMO天線可在同一時(shí)間內(nèi)同時(shí)接收或發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)流，這使802.11n的帶寬顯著提高了。如圖所示為802.11n中MIMO技術(shù)的改進(jìn)。

圖1　802.11n技術(shù)的改進(jìn)

2　現(xiàn)代城市地鐵交通信息系統(tǒng)

現(xiàn)階段，城市的交通系統(tǒng)非常復(fù)雜。筆者主要討論地鐵交通系統(tǒng)中需要車(chē)地之間數(shù)據(jù)通信的子系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上又介紹了無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)在地鐵交通系統(tǒng)應(yīng)用中所存在的問(wèn)題以及具體的解決措施。

2.1旅客信息系統(tǒng)

在一個(gè)城市中旅客信息系統(tǒng)不僅是交通系統(tǒng)的重要標(biāo)志，還是以人為本運(yùn)營(yíng)理念的主要體現(xiàn)。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及多媒體技術(shù)的支持下，它可以給乘客提供各種服務(wù)信息。在指定的時(shí)間內(nèi)，旅客信息系統(tǒng)可以將指定消息顯示給人群。此外，監(jiān)視器還可以將車(chē)廂內(nèi)的乘車(chē)情況以視頻的方式傳送到地面上，從而實(shí)現(xiàn)了地鐵安全、高效運(yùn)營(yíng)的目標(biāo)。具體來(lái)說(shuō)，旅客信息系統(tǒng)是由五部分組成的，它們分別是：①信息制作系統(tǒng)；②中央控制系統(tǒng)；③車(chē)載子系統(tǒng)；④車(chē)站子系統(tǒng)；⑤數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

在系統(tǒng)中，車(chē)載子系統(tǒng)與其他部分的實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)通道必須由無(wú)線通信子系統(tǒng)來(lái)提供。車(chē)載子系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分，分別是：①車(chē)載播放器；②車(chē)載控制器、顯示設(shè)備；③其他可選設(shè)備。首先在車(chē)地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的幫助下，系統(tǒng)接收到編播中心發(fā)布的信息，其次車(chē)載播放控制器將信息解碼，最后該消息在本列車(chē)的所有顯示屏上進(jìn)行實(shí)時(shí)播放。與此同時(shí)，車(chē)地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)還會(huì)將車(chē)上的視頻監(jiān)控圖像傳送到地鐵公安分局以及編播中心。圖2為車(chē)載設(shè)備圖。它的主要職責(zé)就是接收編播中心發(fā)布的信息內(nèi)容，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給車(chē)載顯示設(shè)備。

圖2　車(chē)載子系統(tǒng)

2.2列車(chē)控制系統(tǒng)

列車(chē)控制系統(tǒng)主要包括三個(gè)子系統(tǒng)，分別是：①列車(chē)自動(dòng)保護(hù)子系統(tǒng)；②列車(chē)自動(dòng)操作子系統(tǒng)；③列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)。列車(chē)自動(dòng)保護(hù)子系統(tǒng)的主要作用是控制運(yùn)行中列車(chē)具有一個(gè)安全的前后行車(chē)間距。列車(chē)自動(dòng)操作子系統(tǒng)的主要作用是在自動(dòng)控制程序的協(xié)助下使列車(chē)自動(dòng)駕駛。而列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)的作用是整體監(jiān)控、調(diào)度運(yùn)營(yíng)列車(chē)。具體來(lái)說(shuō)，ATC、控制中心、車(chē)載ATC單元和軌旁ATC單元共同組成了列車(chē)自動(dòng)操作系統(tǒng)。雖然相應(yīng)的無(wú)線通訊子系統(tǒng)使車(chē)載ATC單元和軌旁ATC單元之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)靡詫?shí)現(xiàn)，但是還要解決車(chē)載單元與軌旁單元在移動(dòng)中所存在的通訊問(wèn)題以及車(chē)載單元在不同位置與不同軌旁單元 之間所存在的通訊問(wèn)題。

2.3無(wú)線局域網(wǎng)在地鐵交通系統(tǒng)應(yīng)用中的干擾分析

現(xiàn)階段，無(wú)線局域網(wǎng)在地鐵交通系統(tǒng)中所存在的主要問(wèn)題就是信號(hào)干擾問(wèn)題。根據(jù)干擾類型可分為WLAN干擾和非WLAN干擾。WLAN干擾主要是指干擾源所發(fā)射的信號(hào)也恰好符合802.11標(biāo)準(zhǔn)，因此對(duì)無(wú)線局域網(wǎng)所發(fā)射的信號(hào)產(chǎn)生了干擾。從頻率范圍這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，可分為相同頻率干擾、相鄰頻率干擾，從來(lái)源這個(gè)角度來(lái)說(shuō)可分為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部相互干擾、外部干擾。

（1）WLAN網(wǎng)絡(luò)自身的同頻干擾。這種干擾主要是指在相同頻率范圍，設(shè)備之間所產(chǎn)生的干擾。在同一個(gè)高密度網(wǎng)絡(luò)部署中，因?yàn)闊o(wú)線網(wǎng)的工作頻率范圍很窄，頻段也很有限，因此當(dāng)一個(gè)信道部署多個(gè)AP時(shí)，由于它們之間有重疊的區(qū)間，因此會(huì)產(chǎn)生干擾。

（2）鄰頻干擾。這種干擾的產(chǎn)生主要是因?yàn)樾盘?hào)衰減需要有一個(gè)過(guò)渡時(shí)間，因此不同頻率信道的信號(hào)在完全消失前就會(huì)產(chǎn)生干擾。從802.11標(biāo)準(zhǔn)得知，2.4G發(fā)射頻寬為22MHz，而且其在11MHZ之外的衰減信號(hào)就大于20dB。由前面介紹得知：信號(hào)衰減需要一個(gè)過(guò)程，因此會(huì)產(chǎn)生鄰頻干擾。

（3）網(wǎng)絡(luò)外部干擾。網(wǎng)絡(luò)外部干擾主要來(lái)自于微波爐以及無(wú)線游戲控制器等其他設(shè)備的廣泛使用。一旦存在干擾源較多或者干擾距離很近的情況，WLAN的正常通信就會(huì)受到影響。

2.4針對(duì)WLAN網(wǎng)絡(luò)干擾問(wèn)題所提出的解決措施

針對(duì)不同的干擾所提出的解決方案也各不相同。具體解決措施如下：

（1）電磁干擾的解決方案。針對(duì)此種干擾采取以下幾種措施。①軌旁天線的選擇：在隧道里選擇定向高增益天線，并保證其水平/垂直波瓣寬為27°，天線前后比大于18dB。這樣在高指向性的幫助下，就能解決周邊環(huán)境所帶來(lái)的電磁干擾；②在軌旁安裝AP:將其安裝在室外屏蔽箱內(nèi)。屏蔽箱能有效阻止高壓動(dòng)力電纜帶來(lái)的干擾；③車(chē)載天線的屏蔽：為了有效防止電磁帶來(lái)的干擾，可以在駕駛室內(nèi)的定向天線后面安裝金屬屏蔽罩。

（2）信號(hào)系統(tǒng)干擾的解決方案。眾所周知，無(wú)線電波是一個(gè)看不見(jiàn)、摸不著的東西。因此它的強(qiáng)度以及所在信道的調(diào)節(jié)都是依賴于經(jīng)驗(yàn)手工進(jìn)行調(diào)整的。抗電磁干擾的措施主要有車(chē)載天線屏蔽、天線選擇以及AP安裝等，還要注意均勻分布無(wú)線信號(hào)。從IEEE802.11b/g的標(biāo)準(zhǔn)得知：2.4G頻段要分為13個(gè)信道，由于頻段較窄，因此在信道劃分時(shí)難免存在重疊現(xiàn)象。通過(guò)調(diào)查得知最多只有3個(gè)信道不重疊。經(jīng)測(cè)試以及實(shí)踐考察，當(dāng)使用1、6信道，PIS系統(tǒng)使用11時(shí)不會(huì)產(chǎn)生影響。

（3）鄰頻干擾的解決方案。為了解決鄰頻干擾可從以下兩方面著手：①對(duì)網(wǎng)絡(luò)部署進(jìn)行勘測(cè)和優(yōu)化。在部署網(wǎng)絡(luò)時(shí)既需要考察勘測(cè)部署環(huán)境、阻擋物的衰減系數(shù)，還需要規(guī)劃AP覆蓋范圍、AP安裝位置以及選擇合適的發(fā)射天線。所以沒(méi)有良好的網(wǎng)絡(luò)部署，很難保證網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到最佳；②頻譜分析。分析目前的信號(hào)頻率、信道使用情況和干擾信號(hào)的來(lái)源，以便制定出一個(gè)合理的頻率分配方案。

3　總結(jié)

本文簡(jiǎn)要的介紹了無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上主要介紹了地鐵交通系統(tǒng)的組成以及無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)在地鐵交通系統(tǒng)應(yīng)用中所存在的問(wèn)題以及解決方案。相信隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，802.11系列標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)越來(lái)越完善，從而更好的服務(wù)于地鐵統(tǒng)系統(tǒng)。

［1］甘玉璽，肖健華，金志虎等.軌道交通車(chē)地?zé)o線通信技術(shù)研討［J］.城市軌道交通研究，2014，17（1）:103-106.

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