地鐵乘客信息系統(tǒng)車地?zé)o線通信方案分析

謝鵬

（中國鐵建電氣化局集團(tuán)第二工程有限公司，太原030023）

1 引言

乘客信息系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱PIS，是地鐵信息傳播的重要平臺(tái)。PIS依托多媒體網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，向乘客提供列車運(yùn)行信息及實(shí)時(shí)資訊在緊急情況下可以迅速進(jìn)入防災(zāi)應(yīng)急模式，為乘客提供有效的緊急避險(xiǎn)信息。

2 系統(tǒng)帶寬需求及現(xiàn)狀調(diào)查

車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)為PIS 提供車地?zé)o線傳輸通道，它將地面實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至列車終端內(nèi)，同時(shí)將車載監(jiān)控圖像上傳地面指揮中心。它能實(shí)現(xiàn)指揮中心—車站—列車相互間實(shí)時(shí)、無縫地傳遞車地?cái)?shù)據(jù)，是PIS 的重要組成部分。地鐵列車按照6 節(jié)車廂計(jì)算，每節(jié)車廂設(shè)置2 臺(tái)720P 高清攝像機(jī)，車頭車尾各設(shè)置1 臺(tái)720P 高清攝像機(jī)，則列車同時(shí)上傳14 路圖像需要的帶寬為：（6×2+2）×2Mbps=28Mbps；每列車可接收2 路高清視頻信號(hào)，根據(jù)計(jì)算得知每路高清視頻信號(hào)占用帶寬8Mbps，則列車同時(shí)接收2 路高清視頻信號(hào)需要的帶寬為：2×8Mbps=16Mbps；因此，PIS 車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)所需總帶寬為44Mbps，按照25%的冗余量計(jì)算得44+44×25%=55Mbps，因此，系統(tǒng)傳輸帶寬應(yīng)不小于55Mb ps。

隨著可靠雙向無線通信技術(shù)突破，在我國新建成的地鐵中已開始大量采用車地雙向?qū)崟r(shí)通信技術(shù)，不僅提高了列車的安全性，也可能引發(fā)我國地鐵列車運(yùn)營(yíng)管理模式從地鐵車輛運(yùn)行管理向乘客運(yùn)營(yíng)交通服務(wù)管理的新型轉(zhuǎn)換。目前，國內(nèi)主流的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)解決方案是局域網(wǎng)(WLAN)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線LTE 聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1]。

3 WLAN技術(shù)下的PI S 車地?zé)o線通信

3.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

WLAN 是兼先進(jìn)性、使用性和可擴(kuò)展性于一體的成熟技術(shù)?；赪LAN 技術(shù)下的車地PIS 無線通信系統(tǒng)，不需要使用線纜介質(zhì)，在電磁波的作用下實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

3.2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)主要由車載電臺(tái)、車載交換機(jī)、車站服務(wù)器、控制中心設(shè)備、區(qū)間AP 天線等組成。在無線鏈路的支持下，視頻、數(shù)據(jù)信息能夠與有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。核心技術(shù)模塊采用基于E-IEEE 802.11g 視頻標(biāo)準(zhǔn)，支持無線組播、單播等視頻功能。

WLAN 目前采用的是基于2.4GHz 的開放頻帶，其數(shù)據(jù)帶寬與設(shè)備的移動(dòng)速度呈現(xiàn)反比例特征，在10km/h 速度下最高數(shù)據(jù)帶寬只有約20Mbps，最遠(yuǎn)的有效傳輸距離約為400m，由于地下環(huán)境條件限制，為了確保無線信號(hào)的強(qiáng)度，保證通信質(zhì)量的可靠性，一般在地下線路約250m 處設(shè)置1 套AP 天線。

3.3 系統(tǒng)優(yōu)劣分析

系統(tǒng)的優(yōu)劣分析從以下4 方面進(jìn)行：

1）系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)潔，安裝方便、應(yīng)用靈活。每個(gè)車站無線交換機(jī)可以連接多個(gè)AP 點(diǎn)，能夠根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)AP 信號(hào)的全方位覆蓋。每個(gè)AP 點(diǎn)采用單獨(dú)的單模光纜和電源線與室內(nèi)設(shè)備連接，也可根據(jù)無線AP 點(diǎn)的數(shù)量配置多臺(tái)交換機(jī)。

2）軌旁AP 設(shè)備模塊化程度高，安裝簡(jiǎn)單，設(shè)備維修的工作量較小；設(shè)備廠家一般有現(xiàn)貨庫存，工程投資較少，長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用低；AP 設(shè)備安裝高度只需超過車載電臺(tái)即可，施工方便、危險(xiǎn)性小。

3）在2.4GHz 開放工作頻段上干擾源多，如無繩電話、藍(lán)牙設(shè)備等都會(huì)對(duì)WLAN 信號(hào)產(chǎn)生干擾，在該頻段內(nèi)只有1、6、11 這3 個(gè)信道之間互不干擾，在AP 信號(hào)的應(yīng)用中非常容易與地鐵其他無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)產(chǎn)生沖突；在列車高速行駛時(shí)，會(huì)對(duì)隧道內(nèi)電磁波信號(hào)產(chǎn)生較大干擾。

4）WLAN 無線傳輸方式為自然空氣傳播，衰耗較大，且AP 天線功率較小，區(qū)間隧道內(nèi)需設(shè)置多個(gè)AP 天線來滿足場(chǎng)強(qiáng)覆蓋的需要。由于施工測(cè)量誤差的影響，導(dǎo)致每個(gè)相鄰的AP 的覆蓋范圍都有重疊，列車在運(yùn)行中系統(tǒng)需來回切換，甚至發(fā)生車載設(shè)備搶奪AP 天線信號(hào)的情況，大大影響了車地?zé)o線通信的質(zhì)量，容易發(fā)生數(shù)據(jù)丟包，造成車載終端視頻馬賽克或者卡頓情況的發(fā)生。

4 LTE技術(shù)的PI S 車地?zé)o線通信

4.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

LTE 是長(zhǎng)期應(yīng)用演進(jìn)而來的技術(shù)，是近年來啟動(dòng)的新一代技術(shù)聯(lián)合研發(fā)應(yīng)用項(xiàng)目，其主要在于借助正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）和多信道輸入輸出技術(shù)（MIMO）的相互結(jié)合作用來有效減小多徑衰弱，提高無線頻譜綜合利用率，從而提升無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸處理能力和提高數(shù)據(jù)傳輸處理速度。

4.2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)主要由控制中心LTE 設(shè)備、車站LTE 基站和配套BBU、車載設(shè)備和天線、隧道遠(yuǎn)端RRU 和漏泄同軸電纜組成。

系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單的整體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架和軟件系統(tǒng)構(gòu)架，以網(wǎng)絡(luò)信道共用為技術(shù)基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)分組域?qū)崟r(shí)進(jìn)行業(yè)務(wù)管理為主要發(fā)展目標(biāo)。LTE 主要在1.8GHz 附近的20MHz 的波譜頻段內(nèi)運(yùn)行使用，能有效率地避免各種來自不同傳輸設(shè)備射頻信號(hào)的相互干擾，在20MHz 波段頻譜頻帶寬度下，能夠同時(shí)提供一個(gè)下行100Mbps，上行50Mbps 的信號(hào)傳輸率和峰值信號(hào)速率。

4.3 系統(tǒng)優(yōu)劣分析

系統(tǒng)的優(yōu)劣分析從以下4 方面進(jìn)行：

1）系統(tǒng)扁平化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架設(shè)計(jì)，設(shè)備節(jié)點(diǎn)少，傳輸時(shí)延低。在控制中心設(shè)置LTE 設(shè)備，車站設(shè)置LTE 和RRU 連接設(shè)備，區(qū)間設(shè)置BBU 連接設(shè)備，即可完成整體設(shè)備的組網(wǎng)連接。漏泄同軸電纜本身的傳輸性能和衰減性能較好，1km 的隧道內(nèi)只需敷設(shè)漏纜就能滿足信號(hào)覆蓋需求，適用于大多數(shù)的隧道區(qū)間斷面和長(zhǎng)度。

2）漏泄同軸電纜本身價(jià)格昂貴，工程投資較大；信號(hào)輻射原理導(dǎo)致線纜結(jié)構(gòu)比較特殊，容易在施工中發(fā)生扭絞、彎折等現(xiàn)象；其安裝位置一般在隧道外側(cè)（弱電側(cè)），高于車頂天線現(xiàn)場(chǎng)安裝和后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)難度大。

3）OFDM 分別采用快速傅立葉逆變換和快速傅立葉變換即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制和解調(diào)，便于各種數(shù)字信號(hào)和微處理器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。OFDM 是一項(xiàng)重要網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用了多種無線傳輸處理模式，包括發(fā)射分集、空間復(fù)用、波速計(jì)算賦形和空間多址等，使得了空間成為一種可以廣泛用于有效提高系統(tǒng)性能的網(wǎng)絡(luò)資源，在不斷增加網(wǎng)絡(luò)帶寬和提高天線發(fā)送功率的情況下，成倍提高了頻譜的利用率，并有效擴(kuò)大了無線系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。

4）漏纜適合在狹長(zhǎng)小區(qū)地下隧道內(nèi)鋪設(shè)使用，沿線無線場(chǎng)強(qiáng)度和覆蓋均勻，延隧道呈現(xiàn)良好方向性分布，多RRU 共用的小區(qū)天線設(shè)計(jì)，減少由于無線切換速率帶來的時(shí)延、抖動(dòng)、丟包，保證高速無線切換應(yīng)用情況下的數(shù)據(jù)帶寬穩(wěn)定和高速切換速率數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。

5 結(jié)語

本文從系統(tǒng)簡(jiǎn)介、系統(tǒng)構(gòu)成及系統(tǒng)優(yōu)劣3 方面入手，結(jié)合現(xiàn)實(shí)中地鐵應(yīng)用實(shí)例，將目前2 種主流車地?zé)o線通信技術(shù)的主要優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析和討論，希望能為以后地鐵通信系統(tǒng)的發(fā)展提供參考。