现代城市地铁无线通信系统的应用研究

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摘要：近年来，地铁通信工程在范围涵盖面、功能需求上取得了扩大和增加，涵盖了公共安全、地铁营运、社会公共事业等多行业多类别，对运营管理和旅客服务、生命财产安全等多个方面的工作取得了长远发展和进步。本文针对现代城市地铁无线通信系统的应用进行研究，以供同行参考。

关键词：现代城市；地铁通信；WLAN；PIS

中图分类号：F291.1 文献标识码：A 文章编号：

前言

随着我国经济的飞速发展，城市地铁交通的建设已经十分普及。现代城市地铁交通系统运营管理部门投入了大量的精力来提高对乘客的服务质量。PIS即乘客信息系统作为地铁通信的重要组成部分，依托现代科技在指定的时间向乘客显示信息。目前，无线局域网（WLAN）通信技术已经发展得比较成熟，在PIS系统中的应用逐渐得到了实践，这充分提高了地铁交通的通信水平。

一、乘客信息系统构成

(1)P IS由控制中心子系统、车站及车载子系统和网络子系统(含有线网络子系统和车地无线子系统)组成。

(2)控制中心子系统包括中心服务器、咨询应用服务器、高清视频服务器、标清视频服务器、直播编码器、音视频切换器、播放控制器、显示屏、各种工作站及播控软件等。其一般构成如图1。

图1控制中心系统组成

(3)车站及车载子系统分为控制部分和显示部分，控制部分包括服务器、播出控制器和操作员工作站；显示部分包括视频分配器、LCD显示屏、LED显示屏等。由于设在出入口的LED显示屏和设在站厅及上、下行站台的LCD显示屏显示不同的内容，相应的播放控制器分别采用LED控制器和LCD控制器，其中LED控制器通常是嵌入在LED显示屏，LCD播放控制器则设置在车站通信设备机房。车站及车载系统组成如图2。

图2车站系统组成

(4)网络子系统包括路由器、防火墙、入侵检测系统、交收设备、设于控制中心的无线局域网网络管理设备组成，轨道沿线各AP点通过光纤收发器接入至车站局域网交换机。

二、乘客信息系统功能

2.1 控制中心系统功能

控制中心的主要功能有：采集信息、处理系统内各类数据、管理和控制系统设备、编辑并生成播出版式、制定播放优先等级、播出信息的统计分析、提供系统安全机制、负责视频流的转换及各类信息的播放、监视列车客室视频监视图像、监视和控制网络及终端设备的工作状态、负责系统故障维修的集中管理。控制中心子系统通过接口采集外部信息流，如有线电视、网络视频数据等，经编辑、处理生成内部信息，按既定规则或版式向乘客传递信息。

2.2 车站系统功能

车站子系统分为控制部分和现场显示部分，控制部分设备负责接收和下载控制中心下传命令、各类信息内容、系统参数。当控制中心或网络子系统故障时，按照已下载的节目列表和节目内容在本站显示终端上自动播放；设在出入口的LED显示屏通常用来引导和疏散客流；设在站厅或站台的LCD显示屏，负责向乘客提供乘坐路线、换乘方式、到站时刻以及电视直播、生活资讯等各种信息。车站子系统播出的版面内容在正常运营期间会自动定时切换而不需人工干预，只有特殊或紧急情况下，车站操作员通过权限登录，将需要的信息、信息显示屏组和申请提交控制中心，由中心审核后将相关信息至指定显示屏组。

2.3 车载系统功能

车载子系统作为车站子系统的延伸，其主要功能与车站子系统基本相同。它还具有闭路电视监控系统的功能，通过车载摄像头实时地将车内的图像传递至列车运行所处隧道区间归属的车站交换机，并及时回传到控制中心及公安监控系统。

2.4 网络系统功能

(1)控制中心--车站有线网络功能

地铁利用光纤传输系统提供的通道，实现控制中心与各车站之间的数据信息、视频信息和控制信息传输。PIS及闭路电视监控系统等均依托传输系统提供的1000Mbit/s以太网通道来实现。

(2)车、地无线网络功能

PIS车、地无线网作为有线局域网的延伸，国内一般采用基于IEEE802.11g的无线通信系统。网络支持组播、单播功能。组播就是在发送端和接收端之间实现一点对多点的网络传输，单播就是发端和接端进行点对点网络传输。在PIS应用中，控制中心通常对运行在地铁同一线路中的所有列车播发同一信息(组播)，但也可根据实际情况为不使整个线路乘客同时得知此事而产生混乱和交通堵塞而专门播发特定信息(单播)。单播(单辆列车)带宽可以满足下行8Mbit/s(1路标清)、上行的车载视频监控共约6～8Mbit/s(6～8路MPEG-2/MPEG-4或H.263+彩色图像)，且应留有有效需求带宽25％的冗余量。沿轨道线安装的无线接入点与移动列车上的移动单元之间能够建立稳定、安全且能避免冲突的连接，确保列车在高速运行时，不会丢失连接和引起画面质量降低。无线客户端将车辆采集的监视图像数据通过车、地无线网络上传至车站，再通过主干网络上传至控制中心。无线网络覆盖全部轨道范围，当列车在停车场或车辆基地的停车列检库停靠时，维护人员通过无线网络对车载设备进行调试，并下发相关的预置信息。

(3)网络接入功能

设置在控制中心的核心网交换机，通过接入交换机经防火墙设备和路由器连接因特网，经视频数字编码器连接到有线电视网。

三、需重点关注的几个问题

3.1 服务质量(QoS)技术

PIS系统的图像、语音是否连贯，与数据承载网的QoS能力紧密相关。由于PIS系统有线网络千兆骨干网带宽承载PIS流媒体业务绰绰有余，整个PIS系统性能瓶颈主要集中在无线部分，因此W LAN的QoS决定了PIS的性能和表现。802.11g协议中，报文传递QoS的规定是在第一个报文发送完毕后，至少要等待DIFS的时间间隔，终端用户才开始竞争抢夺时间片进行发送，但对于高优先级的报文，其等待时间可小于DIFS。在实际应用中，常将车厢内的视频播放流设置为最高优先级，将视频监控流设置为普通优先级，通过修改视频报文为SIFS或者PIFS，当第一个报文发送完毕，这些高优先级用户的报文总会优先抢到发送权力，从而达到优先保障媒体视频的高质量。

3.2 带宽保证

正常情况下车、地间传递数据报文之前需要经过Probe-Request、Probe-Response等多次握手协商，这需要占用大量的WLAN空口实际带宽。我们通过技术改进，将多个短包传输报文拼装成一个长报文发送，这极大的减少了短包传递所需的协议交互报文数量，从而提高了WLAN空中接口的带宽利用效率。在实际地铁环境测试中，当列车行驶速度达到80km/h时，实际可用的数据报文带宽可达到18Mbit/s。

3.3 网络安全

802.11提供了MAC之层的访问控制功能和加密机制，这就使得无线网络具有和有线网络相同的安全性能。对于访问控制来说，可以在任何接入点中根据自己的要求进行编号，这个编号在需要访问的无线客户端设备中进行设置。另外，还在接入点中规定了访问控制列表来限制能够访问接入点的客户，只有具有列在访问控制列表中的MAC地址的客户端才可以访问接入点。对于数据加密，加密方式使用的是RSA数据加密中的40位RC4的PRNG公钥算法，所有在终端和接入点发送和接受的数据都使用密钥进行了加密。

3.4 信号干扰

802.11规定中把从2.4GHz到2.4835GHz之间83.5MHz的空间分隔成了13个频道，而每个频道要占用22MHz的频带，其中只有频道1、6、11是互不重叠的。在地铁应用中，为了能够做到车载客户端在这片区域内的无缝漫游，每个相邻的AP覆盖范围都需要有一定程度的重叠，重叠区域内的无线信号如果频道也重叠，势必会造成冲突，影响到网络传输速率，因此，相邻AP通常采用不重叠频道的方法来避免干扰。CBTC(基于无线通信的地铁列车运行自动控制系统)车、地无线传输是采用基于802.11b的标准，该技术采用的是直接序列扩频，而PIS标准采用的802.11g是正交频分复用。从原理上讲，工作于同一频段的不同调制方式的通信，不会产生干扰，但事实上，当载波对干扰幅度之比(C/I)在某些范围内时，两者有一定程度的互相干扰。在任何一方接收器遭受较大干扰时，前端过载问题将导致所有接收信号被阻塞，在实际使用中，我们通过调节发射功率及错开AP点的安装位置来避免出现这种情况。

四、结语

随着我国地铁运输行业的蓬勃发展，地铁PIS系统对车地之间数据传输质量要求的提升，无线通信在PIS中的应用越来越广泛，无线通信的技术在应用中也变得成熟可靠。我们必须迎着时代，不断吸收新技术，努力提升自身设计能力，满足时代需求，为我国地铁通信的发展做出贡献。