胡飛飛，沈昱明

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

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地鐵乘客信息系統(tǒng)中無(wú)線局域網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究

胡飛飛，沈昱明

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

基于無(wú)線局域網(wǎng)802.11g標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合地鐵隧道中的實(shí)際環(huán)境，構(gòu)建了一個(gè)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，在地鐵乘客信息系統(tǒng)中采用了無(wú)線局域網(wǎng)。文中分析了地鐵乘客信息系統(tǒng)中無(wú)線局域網(wǎng)的頻點(diǎn)規(guī)劃，并實(shí)現(xiàn)了基于無(wú)線局域網(wǎng)的乘客信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)可保證下傳一路6 Mbit·s-1的MPEG-2視頻流，同時(shí)能夠給中心子系統(tǒng)上傳一路2 Mbit·s-1的監(jiān)視信息。在實(shí)際環(huán)境中對(duì)系統(tǒng)所得的帶寬數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析與測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

乘客信息系統(tǒng)；無(wú)線局域網(wǎng)；無(wú)線接入點(diǎn)；車(chē)載無(wú)線設(shè)備

目前，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的視頻信號(hào)傳輸，在面向大眾的無(wú)線可視應(yīng)用中，無(wú)線通道的資源尤其緊張。乘客信息系統(tǒng)需要雙向傳輸視頻信息，所以該系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬有較嚴(yán)格的要求[1-2]。其中數(shù)字視頻具有以下特點(diǎn):(1)數(shù)據(jù)量大；(2)實(shí)時(shí)性要求高，人眼對(duì)視頻信號(hào)的基本要求是:延遲小，實(shí)時(shí)性好；(3)無(wú)線通道資源有限；(4)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)時(shí)變的網(wǎng)絡(luò)；(5)無(wú)線視頻的QoS保障在移動(dòng)通信中，用戶的移動(dòng)造成無(wú)線視頻的QoS保障十分復(fù)雜。

由此可以看出，視頻信號(hào)對(duì)傳輸?shù)男枰蜔o(wú)線環(huán)境的特點(diǎn)存在尖銳的矛盾，因此采用無(wú)線局域網(wǎng)的乘客信息系統(tǒng)面臨著巨大的挑戰(zhàn)[3]。

該課題的最終目的是組建一個(gè)基于802.11g標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線局域網(wǎng)，以保證能夠下傳一路6 Mbit·s-1的MPEG-2視頻流和文本信息，同時(shí)能夠給中心子系統(tǒng)上傳一路2 Mbit·s-1的監(jiān)視信息，采用無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)乘客信息系統(tǒng)。

1　地鐵乘客信息系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)

1.1地鐵乘客信息系統(tǒng)功能

乘客信息系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過(guò)中心和車(chē)站的控制，在指定時(shí)間，將指定信息顯示給指定人群。

PIS系統(tǒng)具有的通用功能如下：(1)系統(tǒng)任務(wù)管理:中心和車(chē)站系統(tǒng)應(yīng)用軟件應(yīng)具備多任務(wù)的管理功能；(2)用戶權(quán)限管理:系統(tǒng)具備分級(jí)權(quán)限管理功能，包括操作人員ID的管理(編號(hào)、操作密碼、操作權(quán)限)，密碼文件的管理等；(3)系統(tǒng)監(jiān)控:所有車(chē)站設(shè)備應(yīng)置于車(chē)站及控制中心的監(jiān)控下運(yùn)行，及時(shí)掌控設(shè)備所處模式(正常服務(wù)、故障、維修、關(guān)閉等)，操作員登錄及退出狀態(tài)等；(4)發(fā)布管理:主要是車(chē)站設(shè)備應(yīng)具備網(wǎng)絡(luò)下載安裝及軟件更新功能。

1.2乘客信息系統(tǒng)的構(gòu)成

PIS系統(tǒng)由以下部分組成：中心子系統(tǒng)、車(chē)站子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、接口子系統(tǒng)、業(yè)務(wù)子系統(tǒng)。

1.3中心子系統(tǒng)

中心子系統(tǒng)包括:中心服務(wù)器、中心操作員工作站、外部系統(tǒng)接口、網(wǎng)絡(luò)部分、UPS等部分組成。

1.4車(chē)站子系統(tǒng)

車(chē)站子系統(tǒng)由以下部分組成： (1)控制部分。車(chē)站子系統(tǒng)的控制部分放置在車(chē)站控制室，組成部分如下:車(chē)站服務(wù)器/車(chē)站操作員工作站、外部系統(tǒng)接口、網(wǎng)絡(luò)部分、UPS；(2)顯示部分。它解釋需要顯示的信息數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)顯示屏播放顯示;接收車(chē)站服務(wù)器發(fā)送來(lái)的命令，解釋執(zhí)行，如控制顯示屏的開(kāi)閉等操作。

2　移動(dòng)寬帶傳輸網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

移動(dòng)寬帶傳輸網(wǎng)系統(tǒng)主要由無(wú)線交換機(jī)、核心交換機(jī)、車(chē)站交換機(jī)、車(chē)輛段交換機(jī)、光端機(jī)、鋪設(shè)在隧道和車(chē)輛段中的無(wú)線基站設(shè)備AP、列車(chē)中的無(wú)線接入設(shè)備等[4-5]。

本方案采用無(wú)線交換機(jī)、無(wú)線AP和無(wú)線網(wǎng)橋構(gòu)建無(wú)線局域網(wǎng)，符合WLAN 802.11 a/b標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)線系統(tǒng)硬件有兩部分，AP和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。AP不需與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)直連，它們之間可以通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)而無(wú)論是2層或3層、路由器或其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互通。當(dāng)AP插入到網(wǎng)絡(luò)上啟動(dòng)后，AP是會(huì)自動(dòng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)建立GRE隧道的連接，之后從無(wú)線終端所發(fā)出到數(shù)據(jù)都會(huì)回經(jīng)AP的GRE隧道傳到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。同樣當(dāng)數(shù)據(jù)須發(fā)送到無(wú)線終端上時(shí)，則必先經(jīng)過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和AP建立的GRE數(shù)據(jù)隧道，然后再經(jīng)AP發(fā)送到無(wú)線終端。

各設(shè)備間的連接及實(shí)現(xiàn)方式如下：(1)無(wú)線交換機(jī)通過(guò)光纖以1 000 Mbit·s-1的帶寬連接到核心交換機(jī)，無(wú)線管理工作站通過(guò)5類線以100 Mbit·s-1的帶寬連接核心交換機(jī)；(2)車(chē)站交換機(jī)、車(chē)輛段交換機(jī)通過(guò)光纜以1 000 Mbit·s-1的帶寬連接到核心交換機(jī)；(3)鋪設(shè)在隧道和車(chē)輛段中的無(wú)線基站設(shè)備通過(guò)5類線連接到光端機(jī)，光端機(jī)通過(guò)光纜100 Mbit·s-1的帶寬連接無(wú)線基站所屬的車(chē)站或者車(chē)輛段的光端機(jī)，再由后者通過(guò)5類線以100 Mbit·s-1的帶寬連接到車(chē)站交換機(jī)或者車(chē)輛段交換機(jī)；(4)隧道中上行和下行單獨(dú)鋪設(shè)無(wú)線基站，即上行隧道中的無(wú)線基站和下行隧道中的無(wú)線基站構(gòu)成不同的無(wú)線網(wǎng)；(5)根據(jù)移動(dòng)寬帶傳輸網(wǎng)基站和天線的性能，以及現(xiàn)場(chǎng)的情況合理地選擇AP的位置，以保證移動(dòng)寬帶傳輸網(wǎng)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)能夠在全線無(wú)縫覆蓋；(6)在布置AP時(shí)，充分考慮到了系統(tǒng)的可靠性，每個(gè)AP的覆蓋范圍都保證有重疊區(qū)，而在個(gè)別AP和其它設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)仍能正常工作。

圖1　軌旁AP和車(chē)站交換機(jī)連接方式

乘客信息系統(tǒng)中，列車(chē)是通過(guò)車(chē)尾的車(chē)載無(wú)線單元來(lái)接收AP傳輸?shù)男盘?hào)，一個(gè)AP機(jī)柜有兩個(gè)定向天線，這樣列車(chē)可以接收到較強(qiáng)的信號(hào)，增加了AP的傳輸距離。如圖1所示，軌道沿線的AP間隔地與不同車(chē)站交換機(jī)相連，比如AP1通過(guò)光纖連接至車(chē)站1的交換機(jī)，AP2通過(guò)光纖連接至車(chē)站2的交換機(jī)，AP3再通過(guò)光纖連接至車(chē)站1的交換機(jī)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，AP4通過(guò)光纖連接至車(chē)站2的交換機(jī)，以此類推。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，在某一個(gè)車(chē)站交換機(jī)甚至整個(gè)車(chē)站因?yàn)橐馔馇闆r發(fā)生故障的情況下，軌道沿線仍然有半數(shù)的AP可以正常接入到主控、備用中心核心交換機(jī)及視頻等應(yīng)用服務(wù)器[6]。

在列車(chē)上車(chē)頭車(chē)尾都車(chē)載無(wú)線單元。以車(chē)尾為主進(jìn)行工作時(shí)，如圖2所示，車(chē)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，車(chē)載無(wú)線單元容易判斷切換條件，因?yàn)樵谇袚Q點(diǎn)，相鄰兩個(gè)AP的無(wú)線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)差異較大，車(chē)載無(wú)線單元可以立刻做出判斷進(jìn)行切換。

圖2　車(chē)尾天線漫游切換示意圖

如圖3所示，當(dāng)以車(chē)頭為主進(jìn)行工作時(shí)，車(chē)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)到弱的，在這種情況下，當(dāng)車(chē)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(chē)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[7]。

圖3　車(chē)頭天線漫游切換示意圖

如果上下行都使用同一頻點(diǎn)，則在上下行列車(chē)會(huì)車(chē)時(shí)，可能造成一個(gè)AP下同時(shí)有兩個(gè)車(chē)載移動(dòng)單元的接入，進(jìn)而分享接入帶寬。

圖4　上下行列車(chē)同時(shí)接入同一個(gè)AP

如圖4所示，上行和下行的AP設(shè)置為同一個(gè)頻點(diǎn)。列車(chē)車(chē)頭和車(chē)尾無(wú)線單元的工作頻點(diǎn)也設(shè)置為頻點(diǎn)1。這樣，在上行和下行列車(chē)會(huì)車(chē)時(shí)，容易造成兩列車(chē)的車(chē)尾無(wú)線單元同時(shí)接入同一個(gè)AP[8]。

上行線路和下行線路使用不同的頻點(diǎn)。考慮車(chē)頭車(chē)尾在運(yùn)行過(guò)程中不進(jìn)行倒換，并且列車(chē)運(yùn)行時(shí)車(chē)頭和車(chē)尾的方向相對(duì)運(yùn)行線路是固定的，解決辦法如下:上下行使用不重疊的不同頻點(diǎn)(例如1/6/11)，同時(shí)根據(jù)車(chē)尾移動(dòng)單元工作的原理，相應(yīng)配置車(chē)尾的頻點(diǎn)。同理，車(chē)頭的頻點(diǎn)也就確定了。

3　無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能分析

在軌道旁選取5個(gè)點(diǎn)放置無(wú)線接入點(diǎn)，這5個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)通過(guò)光纖光纜與中心的WLAN控制器相連構(gòu)成有線網(wǎng)絡(luò)。而每個(gè)接入點(diǎn)通過(guò)抱桿固定前后兩個(gè)方向的定向天線與車(chē)頭車(chē)尾的定向天線組成無(wú)線路徑，由車(chē)載無(wú)線單元和軌旁無(wú)線接入點(diǎn)組成車(chē)地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)[9]。

按照試驗(yàn)環(huán)境要求，IP地址分配包含以下幾部分:

(1)設(shè)備管理地址。包含WLAN交換機(jī)和AP的管理地址(AP采用DHCP方式分配)。

1) WLAN交換機(jī):192.168.1 10/24；2) AP 1:192.168.100 254/24；3) AP2: 192.168.100.253/24；4) AP3:192.168.100.252/24；5) AP4: 192.168.100.251/24；6) APS: 192.168.100.250/24；

(2)地面網(wǎng)絡(luò)。

VLAN2: IP地址為192.168.10.0/24；1)服務(wù)器:192.168.10.1/24；2)車(chē)載無(wú)線單元1: 192.168.10.2/24；3)車(chē)載無(wú)線單元2: 192.168.10.3/24；4)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)。

VLAN 3:10.5.32.0/24;1)車(chē)載無(wú)線單元1: 10.5.32.251/24；2)車(chē)載無(wú)線單元2: 10.5.32.252/24。

4　無(wú)線網(wǎng)絡(luò)單元傳輸性能測(cè)試結(jié)果

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)單元傳輸性能測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5　傳輸性能測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)1

圖6　傳輸性能測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)2

圖7　傳輸性能測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)3

3次動(dòng)態(tài)最大吞吐量能力測(cè)試結(jié)果:平均帶寬為18.708 Mbit·s-1，最高帶寬23.53 Mbit·s-1。從測(cè)試的結(jié)果可以看出平均帶寬遠(yuǎn)大于傳輸6 Mbit·s-1的視頻流和2 Mbit·s-1的監(jiān)控信息所需求的帶寬，滿足了乘客信息系統(tǒng)對(duì)帶寬的要求；雖然有個(gè)別時(shí)間點(diǎn)的帶寬變的很小，但其持續(xù)時(shí)間較短，對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有明顯的影響。所以基于無(wú)線局域網(wǎng)的乘客信息系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地給乘客提供各種信息，并且能夠滿足地鐵運(yùn)營(yíng)部對(duì)安全的要求。

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Key Technologies of Wireless Local Area Network in the Subway Passenger Information System

HU Feifei, SHEN Yuming

(School of Optical-electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

Based on the 802.11g, combined with the actual environment in the subway tunnel, a wireless transmission network is constructed for the subway passenger information system. The frequency planning of the WLAN in the subway passenger information system is analyzed and the passenger information system based on the WLAN is realized. This system is capable of downloading one way 6 Mbit·s-1MPEG-2 video stream and uploading one way 2 Mbit·s-1monitoring information to the central subsystem. In the actual environment, the system is analyzed and tested. The test results show that it can meet the actual demand.

passenger information system; WLAN; wireless access point; vehicular wireless equipment

2015- 12- 23

全國(guó)大學(xué)生科技創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目(201310252012)

胡飛飛(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用、通信技術(shù)等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.09.018

TN926+.4

A

1007-7820(2016)09-065-04