WiMAX 技術在地鐵應急通信組網中的應用

張 馳

（蘭州交通大學信息與電氣工程學院，碩士研究生，甘肅 蘭州 730070；）

無線寬帶接入作為互聯網服務提供商ISP使用的重要無線通信技術，在應急通信系統中逐漸得到了運用。在地下鐵道等公共交通場所，當出現大型災害或者突發狀況造成有線通信組網癱瘓時，需要能夠在第一時間，利用最少的設備和最快捷的方式進行臨時無線組網。根據目前的技術標準和將來的發展〔1〕，主流的寬帶無線接入技術可以分為：無線個人局域網技術，如藍牙技術和IEEE 802.15；無線局域網技術，如IEEE 802111b/a和ETSI HIPERLAN/2；固定寬帶無線接入技術，如IEEE 802.16無線城域網技術〔2〕。WiMAX 為 World Interoperability for Microwave Access的縮寫，是無線接入網技術。WiMAX技術被國際電信聯盟（ITU）正式批準將成為繼WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA之后全球第四大3G標準。在其他技術的運用中WLAN技術雖然其工作頻段處于免許可頻段，具有成本低的優勢，但是WLAN由于對障礙物穿透能力和無線傳輸距離的限制，無法滿足應急通信系統的通信需求，所以無法在實際應用中被采納。而WiMAX作為一種低成本的寬帶無線接入技術，可以較好地滿足寬帶基礎設施還不夠完善時對于臨時通信的組網需求。為此，探討WiMAX技術在地鐵應急組網中的應用方法。

1 WiMAX技術簡介

1.1 WiMAX中所采用的關鍵技術WiMAX標準是IEEE802.16。它是一項無線城域網（WMAN）技術，是針對微波和毫米波頻段提出的一種新的空中接口標準。其關鍵技術主要有：

1）正交頻分多址OFDMA。該技術對信道進行子載波化，在信道條件較好的子信道進行數據傳輸。該技術正在逐步取代單載波擴頻技術CDMA，成為新一代寬帶無線通信系統的主流調制技術〔3〕。

2）多入多出MIMO技術。MIMO系統是在發信機/接收機采用多天線發送/接收的系統。MIMO系統的最大功能就是可以在不消耗額外碼/時/頻資源的前提下大大提高系統的容量。利用了多天線的空間分集特性。WiMAX系統中的自適應天線模式，其流程如圖1所示。

圖1 自適應天線模式

假設系統的初始天線為多天線模式，則每N幀將接收機測量到的平均信噪比，與單天線模式下的SNRmin進行比較。單天線模式的SNRmin為m dB（m的取值應由具體業務需求所決定）〔4〕。所以，如果平均信噪比＞m dB，天線模式將轉換為單天線模式。此時仍能保證通信質量，滿足業務需求。反之，當要保持在多天線模式下，必須要求平均信噪比＜m dB。

3）Mesh組網。在 IEEE802.16（WiMAX）標準中，規定了基于單跳IEEE802.16點到多點體制，即高速率大范圍的多跳無線Mesh網絡機制。無線Mesh網絡由單個中心節點控制，被定義為Mesh基站（BS），作為WiMAX Mesh與外網的接口。Mesh網中的眾多網關節點則需要一個連接到主干網的接口，將上述2種網絡結合起來，通過固定寬帶無線接入系統，實現網關節點到骨干網的接入，形成一個層次化的寬帶無線接入網絡。

1.2 WiMAX與現有3G的比較SCDMA，TD-SCDMA，WCDMA的載波間隔分別為0.5 MHz，1.6 MHz，5 MHz，而802.16e（WiMAX）的載波間隔則可選〔5〕。可以選擇5/10/20 MHz。在每載波用戶數方面，SCDMA的30個碼道，提供32 K的音速率，最大話音用戶最大約為30個，TD-SCDMA最多約為24個音頻用戶。WCDMA（中國新聯通）按照Mode5和Mode7編碼方式能達到98個，但是在高速運動時的數據率偏低，不能很好地滿足地鐵輕軌最高時速120 km對數據率的需求。SCDMA（“大靈通”，同步碼分多址）、TD-SCDMA（中國移動）由于受到碼道數和音頻傳輸速率的限制，SCDMA采用64-QAM的正交調幅調制方式，每用戶使用4個載波時，最大帶寬可達 3 Mb/s；TD-SCDMA 可達 2 Mb/s，均低于802.16e的最大帶寬 25 Mb/s〔6〕。在高速運動時的數據率，當車速為60～80 km/h時，SCDMA的數據率＞1 Mb/s，車速120 km/h時，TD-SCDMA的速率為0.144 Mb/s，而WiMAX在車速120 km/h時，可達2～4 Mb/s。

通過上述對比可知，WiMAX對于載波帶寬要求更小，在調制方式上擁有更多的選擇，且視距更加符合實際地情和周邊復雜環境的要求，并可以根據不同的情況來滿足對帶寬以及覆蓋半徑的要求。

2 應急指揮系統對通信組網的要求

無線通信為地鐵內部固定工作人員與流動工作人員之間提供高效短信息和話音通訊。系統為運營控制指揮中心的行車調度員、環境控制調度員、治安值班員、維修調度員等與列車司機、運營人員、維護人員和現場工作人員等無線用戶分別實施無線通信。并為車輛段值班員與段內的無線用戶以及相應的無線用戶之間實施無線通信。同時還具有相應的呼叫、廣播、錄音、存儲、顯示、檢測和優先權等功能。系統可以傳遞數據信息，根據列車的需要實時地傳遞列車狀態信息。

由于地鐵高架段換乘站往往建設在大城市的繁華路段，所以車站（包括高架站）出入口附近的建筑物以及樹木可能影響其吞吐量。具體表現：

1）在大都市密集城區有2.4 GHz干擾源。由于2.4 GHz為開放頻段，接入門檻低，現有的無線接入點AP都采用802.11 b/g，而2.4 GHz頻段非重疊的信道只有3個，這使得在密集城區環境中，不僅頻率不夠用的情況明顯，而且干擾情況尤為突出。

2）大都市密集城區遮擋較多。2.4 GHz頻段繞射能力較差，容易受遮擋影響。而大都市密集城區通常有較多的建筑物等遮擋，這對現行的Mesh組網帶來很大限制，影響了Mesh網絡吞吐量的性能。覆蓋方向如有較多樹林遮擋，節點在無線方式下吞吐量性能就會變得很差。

WiMAX的Mesh組網當發生災難或者常規通信網絡癱瘓時，用手持、車載、機載CPE組建Mesh網絡，可以快速實現局部區域內的臨時移動通信，可以很好地滿足上述要求。如圖2所示。

圖2 火災工況時的臨時組網

近來國外地鐵系統常常出現各種突發事故。在緊急突發情況下，需要快速建立起一套滿足以上功能的自組網絡。

3 解決方案

對于大型換乘站、車輛段、以及停車場的應急通信方式，使用WiMAX實現地鐵應急指揮系統，必須建立各個站點及車輛段、停車場的WiMAX無線網絡。為此要確定使用的頻段、選擇好基站的位置、確定基站設備的扇面角度和數目。

3.1 確定使用的頻段系統蜂窩規劃建議采用4扇區蜂窩，每扇區1個信道，蜂窩重新使用率1：1，也可以根據需求選擇1扇區、3扇區、6扇區蜂窩。根據城市軌道交通對通信使用頻點的規劃與要求，所需要的基站數目也各有不同。在這里，規定WiMAX網絡的使用頻段大致在20～60 M的帶寬。考慮到周邊城市環境中無線頻段的使用可能會帶來干擾，事先必須使用頻譜儀進行掃頻，去除干擾頻率，以確定和保證相對干凈的頻段。

3.2 考慮基站的選點一般來講，地鐵運營環境基本以非視距、高屏蔽環境為主，而現有的WiMAX技術在非視距環境下最好的覆蓋半徑為2 km。因此，大型換乘站、車輛段、以及停車場的應急通信方式必須根據接入點的分布，結合實際地形，選擇基站的位置。具體來說，在隧道內高架上運營線路及沿線車站站臺區采用漏泄同軸電纜輻射方式進行場強覆蓋；在地鐵沿線車站站廳區采用吸頂天線進行場強覆蓋；在地鐵沿線地面車站及車輛段等須采用室外全向或定向天線進行場強覆蓋。基站設置應符合地鐵各處的設計規范。

3.3 基站設備的配置IEEE802.16設備的空中接口是標準化的，設備之間具有互操作性；3.5GHz固定寬帶無線接入系統是空中接口不開放的系統，設備成本高。因此，隨著設備成本的降低，IEEE802.16-2004系統有可能取代3.5GHz固定寬帶無線接入系統。由于接入點的分布不一定是均勻的，考慮到1套基站設備通常只能覆蓋1個扇面，必須根據接入點的多少和所要求的數據帶寬的大小，確定基站設備的扇面角度和數目，有些基站點甚至可能僅僅只作點對點的回傳。

4 結束語

在IEEE802.16/WiMAX網絡中引入Mesh組網模式后，網絡吞吐量和覆蓋范圍不再是一對矛盾而可以同時得以優化。中興、深圳科健等很多公司和企業都在致力于IEEE802.16/WiMAX Mesh技術的研究。通過WiMAX/802.16e可以來改善非視距通信的性能，使系統可以提供更強的遠距離穿透阻擋物能力，極為適應地鐵系統大型停車場、車輛段的建筑物結構。此外，當發生災難，常規通信網絡癱瘓時，用手持、車載CPE組建Mesh網絡，實現局部區域內的應急移動通信，可以達到自動組建網絡、超快速部署的需求，而且是以多媒體通信手段支持組播/廣播方式。當然，如何改善和增大IEEE802.16/WiMAX Mesh的用戶數，很好地保證網絡的服務質量以及降低干擾的問題，有待進一步研究。

〔1〕李偉章，徐功銘.城市軌道交通通信〔M〕.北京：中國鐵道出版社，2008.

〔2〕李劼，張勇.WiMAX技術、運用及網絡規劃〔M〕.北京：電子工業出版社，2009.

〔3〕李贊，蔡覺平.構建寬帶無線城域網的移動WiMAX技術〔M〕.北京：電子工業出版社，2009.

〔4〕郭業才.通信信道盲均衡算法與仿真〔M〕.北京：氣象出版社，2009.

〔5〕蘇華鴻，孫孺石.蜂窩移動通信射頻工程〔M〕.北京：人民郵電出版社，2007.

〔6〕馬瑛，劉芳.WiMAX技術標準及組網技術〔J〕.山東通信技術，2006 ，26（3）：17-18.