楊 敏，黃永亮，王豐堃

（濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

0 引言

Wi-Fi技術(shù)從1997年發(fā)布的IEEE 802.11到2019年推出的 802.11ax、802.11系列Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)經(jīng)過了6代。Wi-Fi 6相比起Wi-Fi 5引入了OFDMA正交頻分多址技術(shù)、MU-MIMO多用戶多入多出技術(shù)、1024-QAM 正交幅度調(diào)制等技術(shù)。目前，軌道交通行業(yè)對無線通信的需求越來越高，其中地鐵行業(yè)中自動控制系統(tǒng)（CBTC）、乘客信息系統(tǒng)（PIS）、車載視頻監(jiān)視系統(tǒng)（CCTV）、Wi-Fi都基于無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。Wi-Fi6和5G都引入了MU-MIMO多用戶多入多出技術(shù)，適合應(yīng)對地鐵這樣的高密度用戶的環(huán)境[1]。

本文從Wi-Fi 6的主要關(guān)鍵技術(shù)入手，研究了Wi-Fi 6的主要關(guān)鍵技術(shù)，通過列舉軌道交通車載應(yīng)用需求，提出了軌道交通Wi-Fi 6總體架構(gòu)，在此架構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了軌道交通Wi-Fi 6網(wǎng)絡(luò)總體拓?fù)?，并且對核心支撐網(wǎng)區(qū)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主要由核心5G承載網(wǎng)、車站線路萬兆環(huán)網(wǎng)、車地Wi-Fi 6無線子系統(tǒng)組成。最后對Wi-Fi 6的時延、丟包率、可靠性進(jìn)行了測試，驗(yàn)證了Wi-Fi 6的大帶寬、高并發(fā)、高速度、高覆蓋等特點(diǎn)[2]。

1 Wi-Fi6技術(shù)簡介

Wi-Fi 6引入了OFDMA正交頻分多址技術(shù)、MUMIMO多用戶多入多出技術(shù)、BSS Coloring著色機(jī)制、1024-QAM 正交幅度調(diào)制、TWT目標(biāo)喚醒時間技術(shù)，相比起Wi-Fi5，Wi-Fi 6技術(shù)性能有突破性的提升，具體變現(xiàn)在：更快的傳輸速率，理論上最高可達(dá)到9.6Gbps，更高的并發(fā)能力，更低的延遲，更大的覆蓋范圍、更低的接入端功耗[3]。

1.1 OFDMA正交頻分多址技術(shù)

OFDMA正交頻分多址技術(shù)將一個通道分成數(shù)十個或數(shù)百個子載波，然后將它們分成幾個RU?？梢詾槊總€用戶分配一個或多個RU，以滿足不同的帶寬要求。OFDMA向不同用戶分配RU，以實(shí)現(xiàn)多個用戶實(shí)現(xiàn)并發(fā)傳輸。這種機(jī)制有效地減少了用于爭奪傳輸機(jī)會的開銷以及幀前置碼和幀間隔的開銷，從而提高了頻譜利用率和空中接口效率。在火車站、地鐵、體育館等高密度場景中，這些改善尤為明顯。此外，并發(fā)傳輸減少了多個STA的平均等待時間，避免了低速率幀獨(dú)占用整個信道所造成的長時間等待[4]。因此，并發(fā)傳輸減少了延遲和抖動。

1.2 MU-MIMO多用戶多入多出技術(shù)

多用戶多輸入多輸出技術(shù)（MU-MIMO）是一種基于波束形成技術(shù)的多天線技術(shù)。在高帶寬場景中，MIMO技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)空間多路復(fù)用，允許在相同帶寬上發(fā)送幾個獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，以增加系統(tǒng)容量。除了繼承了Wi-Fi 5的DLMU-MIMO技術(shù)，Wi-Fi 6還增加了ULMU-MIMO。在DLMU-MIMO的基本原理上，Wi-Fi 6和Wi-Fi 5基本相同。首先，AP通過使用所有的天線向STA發(fā)送一個空的探測幀來執(zhí)行檢測。STA確認(rèn)從每個天線接收到的信息。通過這種交換，信道信息被反饋回來，形成一個信道矩陣。該矩陣在傳輸前對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)編碼，以實(shí)現(xiàn)波束形成，將不同的用戶數(shù)據(jù)定向到不同位置的不同STA。整個過程可以簡單地描述如下：AP為每個STA計(jì)算一個信道矩陣，然后將攜帶信息的光束引導(dǎo)到不同的STA。每束光束都攜帶目標(biāo)STA的數(shù)據(jù)包，因此，Wi-Fi 6最多支持8個天線；它可以同時傳輸最多8個用戶的數(shù)據(jù)。MUMIMO增加了全系統(tǒng)的容量。它在高信噪比下傳輸大數(shù)據(jù)包的效率更高，因此適用于視頻、語音等大流量場景[5]。

1.3 1024-QAM 正交幅度調(diào)制技術(shù)

Wi-Fi 6增加了MCS10和MCS11，它們支持1024-QAM方案，與Wi-Fi 5相比效率可提高25%。當(dāng)使用高階調(diào)制時，需要一個更高的信噪比來保持誤碼率/信噪比在一個可接受的水平。因此，1024-QAM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)只能在接收良好的短程場景中得到最大化。在實(shí)際應(yīng)用中，通常通過增加信號輸出功率、降低噪聲或同時實(shí)現(xiàn)，來獲得更高的信噪比來提高環(huán)境適應(yīng)性。1024-QAM和256-QAM的對比圖如圖1所示。

圖1 256QAM和1024QAM調(diào)制對比圖

2 軌道交通Wi-Fi 6建設(shè)方案

軌道交通Wi-Fi 6系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和業(yè)務(wù)平臺相關(guān)軟件系統(tǒng)組成。框架如圖2所示。乘客通過移動端如手機(jī)、iPad連接入Wi-Fi 6網(wǎng)絡(luò)，商戶通過筆記本電腦、臺式計(jì)算機(jī)連接入Wi-Fi 6網(wǎng)絡(luò)，車站員通過自助服務(wù)端接入Wi-Fi 6網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和維護(hù)。整個無線網(wǎng)絡(luò)由Wi-Fi 6網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成。車站以太網(wǎng)接入交換機(jī)通過光纖鏈路分別向上連接中心機(jī)房的核心交換機(jī)；向下連接Wi-Fi 6無線接入點(diǎn)（AP），作為無線網(wǎng)絡(luò)到有線網(wǎng)絡(luò)的接入轉(zhuǎn)換。無線局域網(wǎng)作為有線局域網(wǎng)的延伸，提供了地面與列車的通信。設(shè)備包括在沿軌道隧道區(qū)間和高架區(qū)間設(shè)置的無線接入點(diǎn)、設(shè)置在中心機(jī)房的無線控制器，以及車載的無線AP和天線。通過整個網(wǎng)絡(luò)控制列車自動控制系統(tǒng)CBTC、列車視頻監(jiān)控系統(tǒng)CCTV、乘客信息系統(tǒng)PIS。通過Wi-Fi 6控制的CBTC系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對列車運(yùn)行的控制，實(shí)現(xiàn)車-地之間的雙向通信、列車自動保護(hù)、列車自動運(yùn)行、列車自動監(jiān)控等功能。通過Wi-Fi 6控制的CCTV系統(tǒng)可以監(jiān)控車廂內(nèi)部人員，提高地鐵管路質(zhì)量和安全程度，監(jiān)控列車關(guān)鍵部位運(yùn)行情況等。通過Wi-Fi 6控制的PIS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)緊急文本信息、行車信息、新聞廣播、旅行指南、換乘信息、在線廣告的下放等功能[6]。

圖2 軌道交通Wi-Fi6總體架構(gòu)圖

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由核心骨干網(wǎng)（核心5G承載網(wǎng)、車站線路萬兆環(huán)網(wǎng)）、Wi-Fi 6車地?zé)o線子系統(tǒng)、車站無線覆蓋子系統(tǒng)、車廂無線覆蓋子系統(tǒng)、信息中心子系統(tǒng)、PIS系統(tǒng)、CCTV系統(tǒng)構(gòu)成，具體拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3 軌道交通5GWi-Fi6網(wǎng)絡(luò)總體拓?fù)鋱D

在區(qū)間軌旁，大約每隔150米布置一個無線接入點(diǎn)，這些無線接入點(diǎn)的有線網(wǎng)口通過RJ 45連接光電轉(zhuǎn)換器，光電轉(zhuǎn)換器將電信號轉(zhuǎn)換成光信號，經(jīng)單模光纖連接鄰近車站的光電轉(zhuǎn)換器，光電轉(zhuǎn)換器將光信號重新轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)RJ 45連接車站上的車站交換機(jī)。這樣無線接入點(diǎn)在車輛段和軌旁構(gòu)成了一個分布式的網(wǎng)絡(luò)。無線接入點(diǎn)外接高增益定向天線，對整個軌道交通隧道區(qū)間和高架區(qū)間進(jìn)行無線信號的覆蓋[7]。

核心支撐網(wǎng)拓?fù)鋱D如圖4所示，其區(qū)主要由核心5G承載網(wǎng)、車站線路萬兆環(huán)網(wǎng)、車地Wi-Fi 6無線子系統(tǒng)組成，組網(wǎng)思路如下：

圖4 核心支撐網(wǎng)拓?fù)鋱D

數(shù)據(jù)中心部署多臺高性能交換機(jī)，采用虛擬化技術(shù)搭建40GE匯聚環(huán)網(wǎng)集群，解決各區(qū)域的高速互聯(lián)互通問題，滿足各地鐵線路乘客大流量互聯(lián)網(wǎng)請求；當(dāng)用戶量上升到10萬并發(fā)后考慮部署單獨(dú)的認(rèn)證核心；車站部署萬兆交換機(jī)采用扁平化10GE高性能、高可靠性環(huán)網(wǎng)技術(shù)，通過光纖連接到數(shù)據(jù)中心核心匯聚交換機(jī)組成骨干環(huán)網(wǎng)；車站部署千兆接入交換機(jī)POE連接站臺、站廳的Wi-Fi 6 AP，業(yè)務(wù)方面具備千兆到Wi-Fi 6 AP；搭建車地?zé)o線子系統(tǒng)提供穩(wěn)定的車地帶寬[8]。

3 軌道交通Wi-Fi 6測試

單AP在5.8 GHz頻段下持續(xù)ping網(wǎng)關(guān)IP地址100次，默認(rèn)字節(jié)，平均時延20 ms，丟包率2%。單AP在5.8 GHz頻段下持續(xù)ping 網(wǎng)關(guān)出口IP地址200次，800字節(jié)，平均時延40 ms，丟包率2%。測試結(jié)果如圖5所示：

圖5 無線接入延遲測試

4 結(jié)束語

Wi-Fi 6作為新的一代無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，相比Wi-Fi 5，Wi-Fi 6擁有大帶寬、高并發(fā)、廣連接、高速度、高覆蓋、低功耗等特點(diǎn)。能夠?yàn)橛脩魩砹司W(wǎng)絡(luò)性能與速度的極大提升以及良好的體驗(yàn)。無線接入點(diǎn)能同時處理多個Wi-Fi流，可以支持更多設(shè)備并發(fā)，提升接入設(shè)備容量。接入設(shè)備多并發(fā)，可以減少排隊(duì)現(xiàn)象，對于干擾可主動避開，降低延時。在終端設(shè)備待機(jī)時，支持按需喚醒功能，讓終端功耗降低。本文將Wi-Fi 6和5G結(jié)合起來，針對不同業(yè)務(wù)場景和業(yè)務(wù)需求，提出了軌道交通Wi-Fi 6建設(shè)方案，適用于軌道交通或者其他對速度及可靠性要求較高的應(yīng)用場景，為軌道交通的設(shè)計(jì)、建設(shè)與運(yùn)營提供有效指導(dǎo)，更好地促進(jìn)軌道交通的可持續(xù)發(fā)展?！?/p>