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轨道交通无线组网技术研究

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摘要:

本文在分析比较几个常用WLAN技术标准的不同特点的基础上,通过分析地铁乘客上网系统(以下简称MMIS)和列车自动控制系统(以下简称CBTC)的车地无线网络组网结构、数据传输的带宽需求以及车地均使用WLAN技术可能存在的问题,探讨论证当MMIS的车地隧道采用802.11ac技术标准时,两系统之间如何避免干扰。

关键词:

地铁乘客上网系统;列车自动控制系统;802.11ac;信道限定

一、基于802.11系列的WLAN技术概述

无线局域网(WLAN)是由IEEE802.11工作组规定的无线通信系统。IEEE的802.11工作组是无线局域网标准的开发组织之一,开发的主要标准是IEEE802.11。经过多年努力,IEEE802.11已经发展成一个系列标准,表1是常用的四个标准的主要技术参数。其中2.4GHz是一个开放的ISM(企业、科学和医疗)频谱,只要其无线接入点(AP)的发射功率及带外辐射满足无线电管理机构的要求,则无需提出专门的申请即可使用此ISM频段,而5.8GHz的频谱需要向国家无线电管理委员会申请有偿使用。1)802.11a工作在5.8GHz频段,其速率高达54Mbps,分频采用OFDM(正交频分复用)技术,但最高速率的无障碍接入距离降到30~50米;2)802.11g也采用OFDM技术,与802.11a一样可支持最高54Mbps的速率,同时它工作在2.4GHz频段,因此可以做到802.11b兼容,而最高速率是802.11b的5倍;3)802.11n是2009年9月11日才由IEEE正式批准的无线标准,可以同时工作在2.4GHz、5.8GHz频段,互不干扰;4)802.11ac是2010年开始使用的无线标准,兼容a/n,最高速率1.3Gbps。802.11n/802.11ac使用了多重输入多重输出(MIMO)天线阵列,借助多个发射和接收天线来提高数据传输率并大幅扩大覆盖范围,使WLAN速率及移动性得到极大提高。

二、MMIS系统与CBTC系统的比较分析

2.1MMIS车地无线组网与带宽分析

2.1.1MMIS的无线网络架构。地铁网络结构采用万兆核心、千兆线路到站台和车站隧道。车地无线双向数据传输网络采用无线基站(AP)架构组网方案,铺设在轨旁的AP与车载AP桥接,车载AP下联车载交换机,用于与列车覆盖AP的数据传输。所有车厢、站台进行无线覆盖。根据信息系统的具体情况,在数据中心部署路由器、身份认证、全网安全管理、行为审计、流量检控等系统,实现对网络资源平台的统一管理。如图1所示。无线基站与无线管理控制器之间通过有线网络进行互联,同时在保证802.11安全的前提下采用集中控制分布式转发,即针对车载网桥(相对于轨旁网络是一个用户端)的安全密钥协商与无线管理交换机进行,具体的业务流(Internet访问流量)使用本地转发的模式。无线系统采用集中管理,更有利于实现在全线范围内无线双向传输网的部署和管理,而采用分布式的业务转发则大大提高业务的处理能力。在工程实践中,集中式管理和分布式转发的处理方式更适用于大规模的无线系统。轨旁AP在直线隧道一般每间隔200m布设1个,在弯道或地面则根据实际每间隔50、100m布设1个。AP采用定向天线,同样车载AP也采用定向天线。在车厢WLAN网络覆盖中,车载支持802.11AC的无线AP下联交换机,用于链接和交换车厢AP传输数据,如图2车厢WLAN组网示意图所示。车载基于802.11AC的无线网桥提供移动列车与轨旁AP的实时无缝连接,用以实现列车乘客高效接入Internet网络。

2.1.2MMIS的车地带宽需求。地铁建设WLAN网络覆盖,要吸引住乘客使用,单用户的网络带宽需要保障,应比手机3G带宽好或相当,满足为乘客每人提供0.5-1Mbps的上网带宽浏览多媒体内容的需求。目前,国内的地铁车辆分为A、B、C三种车型。标准A型车车宽3米,车高3.8米,车体有效长度22.1米。标准B型车车宽2.8米,车高3.8米,车体有效长度19.8m。以一平方米可容纳5人的空间计算,一节车厢可容纳227或者331人。调查发现,在上海、广州、深圳、南京,上下班高峰时期单节车厢可容纳到700人。以深圳为例,车载比较密集,以每节车厢车载容量平均为300人,一辆列车8节车厢,可容纳2400人。根据2014年的市场调研得出,现在互联网企业投资建设的移动互联网项目,会以终端渗透率:80%,WIFI功能占比:70%为模型设计。那么,以8节组列车为例,车厢容量分析模型为:每列车接入人数=满载人数×终端渗透率×WIFI功能占比=2400*80%*70%=1344;根据表2的互联网带宽预测为模型1,以每用户上互联网的平均带宽需求=(用户的应用类型比例×应用的带宽需求×忙时在线比例)/忙时系数为模型2,得出表3,即每用户上互联网的平均带宽需求为460kbps。那么,以车厢每用户接入带宽约为:0.5Mbps,并发率:30%为模型参考值,列车车厢局域网带宽=车厢每用户接入带宽×每列车接入人数×并发率=1344×0.5Mbps×30%=201.6Mbps。因此,当地铁列车在高速运行过程中,车地桥接链路带宽不低于201.6Mbps。基于802.11ac协议的WLAN,较之前WLAN最大的改进,就是千兆级别的WLAN带宽。这主要是:1)在802.11n的单用户多进多出(SU-MIMO)功能的基础上,802.11ac网络采用多用户多进多出(MU-MIMO)是实现千兆级别的带宽的关键。多用户多进多出(MU-MIMO)允许一个AP同时发送唯一的数据到多个终端;2)802.11ac使用了正交频分复用(OFDM)技术来调制数据比特在无线介质上传输;3)802.11ac在802.11n最多4路空间流的基础上,增加到最多支持8路空间流,支持多个空间流是可选的;4)相对于802.11n支持20MHz和40MHz的频宽,802.11ac被授予支持20MHz、40MHz和80MHz的频宽。可选择使用连续的160MHz频带,或者不连续的80+80MHz频带。因此,地铁车地两端覆盖均支持802.11ac技术的终端设备,并且在多终端模式下,每个无线终端均可超过3路空间流。将160MHz频带或者不连续的80+80MHz频带的信道分成若干正交子信道,将高速数据信号通过采用天线矩阵技术(即M个天线)发送。采用编码重用技术,将同样码集的每个码重复使用M次,转换成平行的低速子数据流,并调制到每个子信道上。采用空间复用技术以提高数据的传输速率,同时消除多径干扰。

2.2CBTC无线组网与带宽分析。基于通信的列车运行控制(CBTC)系统通过车载设备和轨旁设备不间断的双向通信,控制中心可以根据列车实时的速度和位置动态计算列车的最大制动距离,保证列车前后安全距离,两个相邻的移动闭塞分区能以很小的间隔同时前进,列车能以较高的速度和较小的间隔运行,从而提高运营效率。包含以下几种主要功能:列车自动控制(ATC):自动控制列车运行并保证列车运行安全和指挥调度列车的系统。列车自动防护(ATP):列车自动控制系统的子系统,通过列车检测、列车间隔控制和联锁等以“故障-安全”的方式实现对列车的冲撞、超速和其它危险状况的防护。自动列车监控(ATS):列车自动控制系统的子系统,可监控列车运行,并按时刻表对列车运行进行自动调整,为运行调整提供数据,使不正常运行所造成的乘客不便最小化。列车自动驾驶(ATO):列车自动控制系统的子系统,实现列车的速度调整、程序停车、车门控制、运营等级调整等(选配非强制)。列车和地面之间的双向数据传输是通过无线网络进行,由于信号系统是涉及行车安全的系统,对安全性、可靠性和可用性要求都很高,一旦不能满足要求,将会对运营造成严重的干扰。为保证信号系统无线通信的可靠性,通常采取双网冗余的措施来提高系统车地成功通信的概率,且对信息传输的实时性、误码率、抗干扰方面等都有较高的要求。但其传输的信息量不是太大,对传输速率要求不是太高。基于WLAN的CBTC的组网架构模型如下:对于CBTC系统,由于信息编码长度较短,数据包长度一般不会超过1000bits,信号系统厂商一般选择40~100kbps的净传输速率作为其系统必须保证的最低传输速率。列车控制信息和列车位置信息通常以200-500ms的周期发送,一个CBTC业务的吞吐量通常不超过1Mbps。

2.3MMIS与CBTC无线网络比较与干扰分析

2.3.1MMIS与CBTC无线网络比较。MMIS系统在轨道交通项目中的主要作用是为站台、站厅以及行驶的列车内的乘客提供可随时随地接入互联网的需求,为乘客带来更多的方便,享受愉快旅途,体现以人为本的服务理念。即使车地无线网络出现干扰甚至中断,也不会对行车安全产生威胁。而信号系统作为轨道交通中的安全控制系统,任何干扰、中断或者非法入侵都将直接影响到整个列车的行驶安全,因此信号系统对无线网络的安全性和实时性要比MMIS系统高很多。表4给出MMIS和CBTC车地无线网络系统在速率、安全性和实时性等方面的对比情况。

2.3.2车地组网干绕分析及解决方案。CBTC系统采用的组网技术是基于802.11b/g/n的2.4G频段的技术,或者是基于802.11跳频扩频(FHSS)协议的无线局域网。跳频扩频技术(FHSS)工作在2.4GHzISM频段。MMIS的车地系统设计采用802.11ac车地组网协议,相对于802.11b/g/n,802.11ac单独运行在受其它设备干扰相对较少的5GHz频段上。由于其他设备对无线资源更少的竞争,802.11ac的传输速度会大幅提升,同时远离了信号系统的2.4GHz频段,也很好地避免对现有地铁应用系统造成干扰。

2.3.3车厢覆盖组网干绕分析及解决方案。对MMIS系统需要考虑2.4GHz频段车厢覆盖的用户终端接入,因为MMIS系统与CBTC系统一样工作在2.4GHz频段,需要协调频点使用并解决与信号系统的无线信号干扰问题。如图3所示,国内规定可以使用的2.4GHz频段上只有3个不重叠的频点。系统工作在这三个频点上时,相互之间没有干扰可以同时运行。为避免相邻AP之间无线信号的同频干扰,提高无线系统整体性能,构建CBTC系统使用3个不重叠的频点中的1~2个频点。例如:地铁原系统的无线AP如使用频点1或11,则MMIS系统的车厢覆盖AP均工作在频点6,同时CBTC系统在轨旁以及车载部分的AP均应采用小角度定向天线进行接收与发送。与全向天线不同,定向天线的发射角度较小,在隧道封闭环境中产生反射的情况大大减少,在一定程度上也能克服多径干扰问题。同时,通过下面两个策略再次保障信号系统的安全。1)设备的频段校准。地铁无线接入设备占用带宽和频谱受设计决定,不受制造和原材料个体差异影响。生产阶段对射频发射指标进行测试,包括发射功率、EVM、中心频率精度三项指标进行全检测试,并对生产的成品做抽检校验。2)设备信道锁定。给地铁的乘客上网设备提供固化信道的无线AP。例如CBTC使用的是1信道和13信道,只允许车厢覆盖AP工作在2.4G仅有5-10信道,使1-4信道11-14信道无法选择设置。同时实现Telnet配置进程vty、AC配置进程apmg都无法改变AP的所用信道。

三、结论

本文在分析比较几个常用WLAN技术标准的不同特点的基础上,通过分析地铁乘客上网系统(MMIS)和列车自动控制系统(CBTC)的车地无线网络组网结构、数据传输的带宽需求以及车地均使用WLAN技术可能存在的问题,提出MMIS的车地隧道采用802.11ac技术标准,实现两系统之间可避免干扰;以及提出当MMIS的车厢覆盖系统采用802.11n技术标准时,MMIS系统需与CBTC系统频点避让,同时对MMIS系统的车厢覆盖设备进行信道限定,可以实现CBTC系统不受干扰地稳定运行。

作者:刘焜 单位:武汉地铁集团有限公司

轨道交通无线组网技术研究责任编辑:杨雪    阅读:人次