主頁（http://www.by236.com）：地鐵PIS系統車地無線通信應用分析

　　一、前言

　　地鐵PIS系統，即地鐵乘客資訊系統，在地鐵日常運營中主要為乘客提供列車時間、政府公告、出行參考、股票、廣告等實時多媒體信息;在火災及阻塞、恐怖襲擊等緊急情況下，提供動態緊急疏散指示。PIS系統主要由中心子系統、節目制作子系統、車站子系統、車載子系統、車地無線網絡子系統以及骨干傳輸網六個部分組成。其中，車地無線網絡為列車與車站間的通信提供無線傳輸鏈路，骨干傳輸網則作為地鐵車站與控制中心之間的有線傳輸通道。

　　二、車地無線網絡組網技術

　　早期，國內許多地鐵車地間的視頻傳輸是采用準實時方式，即在列車進站、折返或者回段時將視頻信號下發到列車服務器內，列車在正線上運行時播放給乘客觀看。這種方式工程實現簡單，但技術含量低，靈活性和實時性也比較差，也無法實現列車客室監控視頻實時上傳。深圳地鐵從一期工程開始就采用在地鐵沿線布設AP(軌旁接入設備)組建車地無線網絡，實現車地間的實時通信。

　　車地無線網絡建立了列車與鄰近車站間的通信鏈路可采用漏纜或AP等進行組網覆蓋，本文只講述基于AP方式下的車地無線網絡。通過在軌旁設置工業無線AP，每個AP點相距150-200m，根據隧道環境條件等因素而定。 AP通過射頻電纜連接定向天線，在隧道內提供比較均勻的無線信號覆蓋。定向天線一般架設在隧道壁3.5m左右高的位置。軌旁接入設備采用IP65等級箱體防護，為系統穩定運行提供可靠保證。

　　在每個AP點設置一臺工業以太網交換機與車站無線交換機組網，采用單根光纜將車站一側上下行區間內的AP無線交換機組成一個工業光環網，為該區間上下行隧道AP提供獨立、穩定、可靠、冗余的傳輸網絡，光環網其中一臺交換機設在車站機房內，通過這臺交換機采用100M Ethernet鏈路連接至該車站的骨干交換機，通過骨干傳輸網絡與控制中心(OCC)子系統通信。(AP組網方式有很多種，在此不一一闡述)

　　OCC的服務器群同樣接入骨干傳輸網絡，主要是視頻資源服務器、無線服務器、網管服務器和安全服務器等。其中，網管服務器為全網的AP/Client提供實時管理、控制與維護，安全服務器為無線網絡提供加密、授權、認證、非法(Rogue)AP識別及屏蔽。

　　列車部分則是在兩端司機室各安裝1套車載無線終端，通過無線鏈路與軌旁AP進行通信，接收視頻和文本信息，上傳列車CCTV圖像信息。

　　三、信號覆蓋與切換機制

　　信號覆蓋是工程重點難點。在現場踏勘的數據基礎上，根據沿線區間的彎度和坡度等數據，用來調整每個AP布設位置和間距。經過反復地測試調試，使得地鐵沿線獲得均勻良好的場強覆蓋。

　　地鐵隧道是一個近似圓形的洞，直徑4-6m，有彎道拐角，有上坡下坡。采用普通單點天線，難以獲得好的覆蓋效果，因此在AP布設時通過調整布設間距，安裝定向天線，限定覆蓋范圍。如圖2所示，定向天線的安裝朝向與列車的行進方向相對，每相鄰兩個無線AP均有信號冗余重疊覆蓋。

　　車地無線網絡采用802.11g協議，工作在2.4G頻段。802.11g提供3個非重疊信道，即信道1、信道6和信道11：

　　工程建設時，如果地鐵沒有其它系統工作在2.4G頻段，應把三個頻點按順序循環配置，即ABCABC的方式循環，每個頻點相隔25MHz，以避免相鄰兩個AP之間的無線信號發生同頻干擾，減少AP掃描次數，從而提高無線系統整體性能。如果地鐵信號系統采用移動閉塞CBTC(基于通信的列車控制)，而CBTC也工作在2.4G頻段，則把信道6配給PIS，將信道1和信道11讓給CBTC，以確保列車的運行安全(例如深圳地鐵5號線)。

　　列車高速行駛過程中快速切換是車地無線應用的技術難題，關鍵是普通的AP切換時間無法滿足高速地鐵列車的應用需求。

　　當列車行駛速度達到80km/h(約22m/s)，隧道AP的有效覆蓋范圍在200m左右，車載AP從進入覆蓋區到離開覆蓋區大約需要9s，部分區間AP間隔只有150m左右。普通AP切換時間約需要2s，大約有2/9的時間都用于切換，對于無線通信鏈路的穩定影響很大。為了縮短AP切換時間，車地無線網絡使用快速漫游切換技術，對AP的切換過程進行了許多優化，使列車在高速運行時AP切換的時間在50ms以內，有效地提高了車地無線通信鏈路的穩定性。

　　四、業務流量與帶寬分析

　　列車的車載控制器通過車載AP接收來自控制中心的視頻信息、播表信息等等，也通過車載AP上傳列車客室視頻信息。每列車接收1路數字視頻信息，如新運營信息、安防、緊急救災、公益廣告和新聞等，視頻編碼主要采用MPEG Ⅱ格式，每路占用帶寬約(4-6)Mbps。正常運營情況下，每列車同時上傳2路列車監視圖像至控制中心，視頻壓縮、傳輸和存儲編碼采用H.264格式，每路占用帶寬2Mbps。PIS文本信息和控制信息占用帶寬約1 Mbps，因此車地傳輸數據流量約(9-11) Mbps。

　　目前，國內多采用802.11g協議標準，在2.4GHz頻段使用正交頻分復用(OFDM)調制技術，最大傳輸速率54Mbps，傳輸層可用帶寬約25Mbps。但是，要達到這個理論值非常困難，因為列車在復雜的區間環境里面高速移動，有效可用帶寬會受信號強度、環境等因素的影響。因此，這也是工程實施的難點和重點所在，必須通過反復調試，保證有效可用帶寬不低于15Mbps，以滿足車地通信的傳輸需求。

　　五、技術展望(發展探討)

　　地鐵PIS和CBTC系統都采用2.4GHz頻段，由于這個頻段是免費開放頻段，將來運營商的WiFi很有可能將會覆蓋到地鐵車站里面，因此地鐵采用2.4GHz頻段的安全性便受到質疑。消除這個質疑的根本辦法，是為地鐵設置2.4GHz以外的免費專用頻段。

　　另一方面，802.11g在快速地鐵線路上應用也存在問題，快速地鐵線路列車最高時速可達到120km/h，在這個速度下802.11g難以提供穩定帶寬和保障通信質量。為解決這個問題，可采用功能強大的802.11n技術，其平臺速度與802.11g相比有非常大的優勢，業務承載能力大大提高，對高清音視頻等多媒體應用可提供更多的信道容量。此外，E 802.16系列WiMax城域網技術和4G網絡長期演進(LTE)技術，都能夠為高速移動下的用戶提供更高的傳輸速率。這些新技術，都應該是車地無線通信發展的關注點。與其說是產業發展推動車地無線通信技術發展，不如說是地鐵日益增長的業務需求帶來了它對新技術應用的迫切需求。

　　六、結束語

　　地鐵PIS系統車地無線網絡多是采用2.4GHz頻段，由于這個頻段是免費開放頻段，將來運營商的WiFi很有可能將會覆蓋到地鐵車站里面，因此有人對它的安全性提出了質疑。802.11g在快速地鐵線路上應用也存在問題，快速地鐵線路列車最高時速可達到120km/h，在這個速度下802.11g難以提供穩定帶寬和保障通信質量。

　　隨著無線產業的迅猛發展，越來越多的產品開始采用功能強大的802.11n技術，其平臺速度與802.11g相比有非常大的優勢，業務承載能力大大提高，對高清音視頻等多媒體應用可提供更多的信道容量。IEEE 802.16系列WiMax城域網技術、4G網絡長期演進(LTE)技術都能夠為高速移動下的用戶提供更高的傳輸速率，這些新技術都應該是車地無線通信發展的關注點。與其說是產業發展推動車地無線通信技術發展不如說是地鐵日益增長的業務需求帶來了它對新技術應用的迫切需求。