于 鑫，闞庭明，吳 卉

（中國鐵道科學研究院電子計算技術(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)，以計算機系統(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的系統(tǒng)。通過系統(tǒng)車載設(shè)備接收無線傳輸?shù)男畔⒔?jīng)處理后實時在列車車廂終端進行音視頻播放，使乘客通過正確地鐵乘客信息系統(tǒng)車地無線雙向傳輸系統(tǒng)一般采用IEEE802.11標準，大多工作在2.4 GHz頻段，由于地鐵無線傳播環(huán)境比較復雜，因此車地無線傳輸系統(tǒng)方案設(shè)計應根據(jù)現(xiàn)場實際、設(shè)備性能及工程經(jīng)驗詳細分析并不斷優(yōu)化。

1 車地無線雙向傳輸結(jié)構(gòu)設(shè)計

無線網(wǎng)絡(luò)是為乘客信息顯示系統(tǒng)提供無線傳輸信息的基礎(chǔ)平臺，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，以達到在全線范圍內(nèi)，實時、無縫的完成車、地間的圖像和數(shù)據(jù)傳遞。一般包括WLAN無線控制器、軌旁AP（Acces Point ，無線接入點）、車載AP等，結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖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個不重疊的頻點。系統(tǒng)工作在這3個頻點上的時候，相互之間沒有干擾可以并發(fā)運行。一般由于信號系統(tǒng)已經(jīng)占用了兩頻點，所以PIS只能工作在1個頻點，即“同頻工作模式”，在此模式下，PIS的有效帶寬會有所下降，這是因為無線局域網(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，系統(tǒng)容量會隨之增大。

2.1 同頻干擾分析

圖1 車地無線雙向傳輸網(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)在兩個覆蓋范圍基本重合的AP上的時候，系統(tǒng)會短時間受到同頻干擾的情況影響。在單線雙軌的地面上兩車會車時，或者兩個方向列車同時?？恳粋€車站的站臺時，可能發(fā)生同頻干擾。

2.2 多徑干擾分析

當傳輸信號在隧道內(nèi)壁、車體及其它室內(nèi)物體上進行反射時會產(chǎn)生多徑效應。在這種情況下，傳輸信號并非通過單一的直接路徑到達接收器，而是經(jīng)過多個不同路徑。信號從發(fā)射器到接收器所經(jīng)歷的每條路徑長度不同，因此每個信號的延遲不同。最終接收到的信號實際上是經(jīng)過多次迭加而產(chǎn)生的信號，每個迭加信號都在不同時刻到達接收器，每個迭加信號的強度均不相同。這樣接受到的信號就產(chǎn)生了畸變。在隧道環(huán)境中，隧道是一個封閉的室內(nèi)環(huán)境，并且由于隧道材料的因素，所以發(fā)射的信號會產(chǎn)生多徑問題。

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 抗干擾對策

3.1 同頻干擾對策

同頻干擾采用如下的方式來實現(xiàn)沿著鐵軌的WLAN信號連續(xù)覆蓋，避免同頻干擾對系統(tǒng)的影響。

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

（2）采用定向性好的方向性天線（提高傳輸性能，避免信號的無效泄漏）。

3.1.1 對抗會車干擾

在只能使用1個信道的情況下，必須考慮車輛相會時的同頻干擾。由于無法使用不同信道來防止會車干擾，那么可以使用不同極化方式的天線來減輕干擾。如圖2。

圖2 對抗會車干擾示意圖

3.1.2 對抗民用AP干擾

當?shù)罔F列車在高架上行駛時，來自高架兩旁的民用信號可能對PIS的無線信號造成干擾。民用WiFi設(shè)備信號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 對抗相鄰AP干擾

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

圖3 對抗相鄰AP干擾示意圖

3.2 多徑干擾對策

3.2.1 采用分極天線減輕多徑干擾

采用分極天線的方式，即為每一個車載無線單元配置了雙天線，通過設(shè)置，使這兩只天線工作在分極模式下。通過分極天線的方式可以在一定程度上消除多徑干擾的問題，其原理是無線接入點每一次創(chuàng)建一個多路徑條件，通過比較2個天線接受下來的無線信號，選擇其中一個質(zhì)量較好的信號進行接受。從而較好的還原信號。這樣一定程度上克服多徑問題帶來的影響。

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題。

3.3 其它無線系統(tǒng)對PIS無線網(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，對于軌旁和車載無線接入點，在內(nèi)部硬件中，都設(shè)計了專業(yè)的多級濾波器，只放大了2.4 GHz～2.483 GHz之內(nèi)的信號，而濾除了其它頻段的信號，因此其它頻段的信號幾乎可以全部衰減，從而避免了對其它無線系統(tǒng)對PIS無線系統(tǒng)的干擾。

4 軌旁AP布點設(shè)計方案

4.1 軌旁AP布點設(shè)計原則

無線電波傳播特性與電波傳播環(huán)境密切相關(guān)，無線通信的物理載體是無線電波，信源與信宿之間的物理環(huán)境對無線通信系統(tǒng)的部署和性能有著較大的影響。結(jié)合地鐵行業(yè)的特殊應用環(huán)境，根據(jù)無線信道的傳播特性和電波傳播方式建立恰當?shù)膫鞑ツＰ?，準確地對傳播損耗做出預測，是地鐵無線網(wǎng)絡(luò)軌旁AP布點規(guī)劃的重要原則。軌旁的接入點設(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線信號路徑。當前接入點信號減弱的時候，車載無線設(shè)備應能無縫切換至最合適的接入點。軌旁AP布點規(guī)劃可參照如下主要原則進行。

（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無線覆蓋區(qū)域出現(xiàn)盲點而導致車地通信中斷，軌旁AP的有效無線信號覆蓋范圍應設(shè)計為2倍的AP部署間距。

（3） 為了避免AP之間覆蓋區(qū)域的過渡重疊而造成不必要的同頻干擾，建議結(jié)合實際情況將AP發(fā)射功率設(shè)定在與其覆蓋范圍相對應的級別上，即避免某一地點車載無線單元接收到多于2個以上的軌旁無線信號覆蓋，即實現(xiàn)AP的無縫切換。

（4） 根據(jù)無線鏈路計算及地鐵實際環(huán)境下的測試和工程實踐經(jīng)驗，建議直道軌旁AP的平均部署間距為150 m～180 m左右，具體點位，需要在實際勘測時確定。

（5） 彎道處的軌旁AP部署間距應以可視距離為參考原則，具體部署位置可根據(jù)實際工程勘測結(jié)果進行進一步調(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)實際工程勘測結(jié)果最終確定。

（7） 站臺附近如存在抽風機設(shè)備，在站臺長度不長的情況下，為避免抽風機對無線信號的阻隔和反射影響，建議站臺兩端軌旁AP部署點選擇距離抽風機稍遠的地方。

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

（9） 軌旁AP天線安裝支架的設(shè)計能夠適應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)置為同一個頻點，共線區(qū)間只安裝一個方向的天線,這樣可以避免兩列車的車尾無線單元同時接入同一個AP。

如圖4，上行和下行的AP設(shè)置為同一個頻點，例如：頻點1。列車車頭和車尾無線單元的工作頻點也設(shè)置為頻點1。由于在共線區(qū)間的某個線路上只安裝一個方向的天線，用于服務車尾無線移動單元，從而保證上行列車和下行列車的車尾無線單元始終接入各自相應線路的AP。如圖4，相向的兩列車會車時，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,服務集標識），是“車載無線單元”在上面討論的單線雙軌線路、會車等條件下，兩個方向上的車輛關(guān)聯(lián)相同的AP的主要原因。當然，上下行線路設(shè)置同一SSID的好處是，車輛上的“車載無線單元”在反向運行時，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連接不同方向來車的情況發(fā)生，可以考慮如下措施。

（1）預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）列車運行的方向信息（上行或者下行），通過與車輛信號系統(tǒng)的接口傳遞到車內(nèi)的車載服務/控制器上。

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

通過上述的步驟，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，為了降低聲屏障對于無線電波的反射，通過測試建議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，進行模擬試驗，確定并優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)漫游方案，實現(xiàn)高速切換。

車載設(shè)備的漫游切換，是技術(shù)關(guān)鍵所在。由于無線信號具有較大的時變性，即某時刻遠一些距離收到的信號可能比近一些距離收到信號要好，因此對于如何更準確的判定信號質(zhì)量是個關(guān)鍵。借鑒經(jīng)驗，將判定算法移植到WLAN設(shè)備中，可達到很好效果。

5.1 快速安全漫游切換機制

通常的無線局域網(wǎng)漫游切換過程，需要3個方面的處理開銷。

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

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

（3）有線網(wǎng)絡(luò)對漫游主體的轉(zhuǎn)發(fā)地址更新過程（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）；地址更新過程采用了IAPP (Inter-Access Point Protocol)技術(shù)，主動將漫游事件的后果通知上游設(shè)備，而不是被動等待數(shù)據(jù)流觸發(fā)的學習更新和AP的關(guān)聯(lián)信息的超時，從而縮短了地址更新的時間。

該技術(shù)實現(xiàn)完全集中在車載設(shè)備（WGB）上。如上文所述，WGB引入“移動站”功能選項后，漫游切換時間縮短，當WGB發(fā)現(xiàn)與正在通信AP的傳輸信號質(zhì)量變差(RSSI值降低)，過多的無線電射頻干擾，或者高誤碼率的時候，WGB就會在不影響當前通信的同時開始掃描查找新的AP；一旦發(fā)現(xiàn)新的AP信號質(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室內(nèi)分別部署一套車載無線單元、視頻服務器及車載交換機。在正常情況下，視頻數(shù)據(jù)通過其中一個司機室的無線鏈路與有線網(wǎng)通信，只有在這個司機室內(nèi)的無線單元或者視頻服務器發(fā)生故障的時候，才切換，通過另一司機室內(nèi)的設(shè)備同有線部分進行通信。

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

如圖5，以車尾為主進行工作時，車載無線單元經(jīng)過的無線信號覆蓋強度是由強到弱。在這種情況下，車載無線單元非常容易判斷切換條件，因為在切換點，相鄰2個AP的無線信號的場強差異很大，車載無線單元可以立刻做出判斷進行切換。

圖5 車尾天線漫游切換示意圖

如圖6，當以車頭為主進行工作時，車載無線單元經(jīng)過的無線信號覆蓋強度是由弱到強的，在這種情況下，當車載無線單元進入到切換點附近的時候，相連2個AP的無線信號的場強差異很小，這時車載無線單元很難做出判斷，會產(chǎn)生一小段猶豫比較過程，從而增加了切換時間。而且缺少了信號預檢測過程，難以完成快速切換過程。

圖6 車頭天線漫游切換示意圖

通過比較，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

車地無線傳輸技術(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)量直接影響日常運營工作的正常開展和乘客的乘車感受。在工程應用中，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況，采取相應措施有效避免傳輸干擾，達到良好的系統(tǒng)運行效果。

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