地鐵列車安防系統(tǒng)之車地無線傳輸系統(tǒng)分析

摘 要：地鐵列車安防系統(tǒng)對無線傳輸技術(shù)的實時性、容量、穩(wěn)定性、不間斷性等各方面都提出了極高的要求，針對地鐵行業(yè)的特殊應(yīng)用需求和特殊應(yīng)用場景，WLAN技術(shù)是目前最成熟、最符合地鐵列車安防系統(tǒng)應(yīng)用需求的一種無線傳輸技術(shù)。

關(guān)鍵詞：地鐵列車 安防系統(tǒng) 車地無線 傳輸 系統(tǒng) 分析

中圖分類號：U23 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）01（b）-0005-03

1 車地無線傳輸系統(tǒng)需求分析

1.1 概述

迄今為止，主要無線傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊技術(shù)主要包括3G、GRPS、EDGE、CDMA、WLAN和WiMax等等。地鐵列車安防系統(tǒng)對無線傳輸技術(shù)的實時性、容量、穩(wěn)定性、不間斷性等各方面都提出了極高的要求，針對地鐵行業(yè)的特殊應(yīng)用需求和特殊應(yīng)用場景，WLAN技術(shù)是目前最成熟、最符合地鐵列車安防系統(tǒng)應(yīng)用需求的一種無線傳輸技術(shù)。其特點主要有：高容量、良好的抗干擾能力、安全穩(wěn)定、適合隧道環(huán)境等。車地無線傳輸系統(tǒng)為覆蓋全線車站、區(qū)間和車輛段的高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，為車地之間提供視頻、數(shù)據(jù)、語音等信息的傳輸通道。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

車地無線傳輸系統(tǒng)平臺采用符合IEEE802.11協(xié)議的無線局域網(wǎng)技術(shù)，主要由無線局域網(wǎng)交換機、無線接入點（AP）和車載天線等設(shè)備構(gòu)成。

1.3 系統(tǒng)功能

（1）車站至列車信息下傳：具有廣播、組播和尋址功能，能夠?qū)⑻囟ǖ男畔l(fā)送至指定的一列或幾列列車，在車廂內(nèi)發(fā)布反恐信息、旅客乘車信息、高清晰數(shù)字視頻信息和緊急疏散信息等。（2）提供OCC中央控制大廳內(nèi)的行車調(diào)度員實時發(fā)送的預(yù)定義信息至任意列車駕駛室內(nèi)的觸摸顯示屏，為駕駛員提供視頻、文本指導(dǎo)信息。此專用傳輸通道帶寬應(yīng)不低于600 kbps。（3）列車至車站信息上傳：將列車視頻監(jiān)控信息上傳至控制中心，實現(xiàn)控制中心（OCC）、對列車旅客、司機位視頻信息的選擇、切換、監(jiān)視和控制，以及車輛段控制中心（DCC）對車載視頻信息的監(jiān)控功能。

1.4 車地傳輸信息類型及帶寬需求

（1）正常情況下，每列車同時上傳2路列車監(jiān)視圖像至控制中心和車輛段控制中心。緊急情況下，可將列車全部視頻監(jiān)控圖像上傳至車站和控制中心，共14路。視頻壓縮、傳輸和存儲編碼采用MPEG Ⅳ格式，每路占用帶寬不低于600 kb/s。（2）每列車可接收1路高清晰數(shù)字視頻信息（乘客行車、安防反恐、運營緊急救災(zāi)、地鐵公益廣告、天氣預(yù)報、新聞、交通信息、數(shù)字電視），視頻編碼采用MPEG Ⅱ格式，每路占用帶寬不低于2Mb/s。

1.5 主要技術(shù)要求

（1）無線傳輸系統(tǒng)應(yīng)確保沿軌道線安裝的無線接入點和在移動列車上的移動單元之間建立穩(wěn)定、安全且能避免沖突的連接。（2）在列車高速運行時，不應(yīng)丟失連接和引起畫面質(zhì)量降低。（3）通訊應(yīng)基于802.11系列標準和TCP/IP標準。（4）軌旁的接入點和列車天線的設(shè)置應(yīng)保證列車和固定網(wǎng)絡(luò)間始終存在可選的無線傳輸信號路徑。當前接入點信號減弱的時候，車載無線設(shè)備應(yīng)能無縫切換至最合適的接入點。（5）無線局域網(wǎng)應(yīng)充分考慮列車在高速情況下的切換問題，應(yīng)采取有效措施減少切換時間和降低因切換帶來的數(shù)據(jù)損失，以保證在車上的實時播放不中斷（切換時間應(yīng)不超過50 ms），且播放質(zhì)量不受影響。（6）在布置AP時，應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的可靠性，每個AP的覆蓋范圍應(yīng)有重疊區(qū)，在個別AP和其他設(shè)備出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)應(yīng)能正常工作。每個AP的輸出功率應(yīng)盡量小，滿足國家規(guī)范要求。（7）無線局域網(wǎng)的空中接口、頻點范圍和加密措施應(yīng)滿足國家有關(guān)標準和規(guī)定。

2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

無線傳輸系統(tǒng)總體設(shè)計思路是基于地鐵業(yè)務(wù)需求，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和技術(shù)發(fā)展趨勢及業(yè)界最佳實踐作綜合考慮。

（1）網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)層次化，支持業(yè)務(wù)需要的靈活性及可擴展性。

（2）功能模塊標準化，可以縮短實施時間，提高部署效率。

（3）冗余的架構(gòu)來保證網(wǎng)絡(luò)的可用性，可靠性和穩(wěn)定性。

地鐵無線傳輸系統(tǒng)的總體實施網(wǎng)絡(luò)拓撲如下圖1所示，由有線網(wǎng)絡(luò)、無線傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及車載局域網(wǎng)絡(luò)組成。

（如圖1）首先部署兩臺WLAN控制器，每臺控制器能夠支持對300臺AP全面系統(tǒng)深入的管理，另外一臺做為1+1的冗余備份，兩臺控制器通過網(wǎng)絡(luò)方式組成一個高性能，高冗余，高擴展的控制器群組，即能按需實現(xiàn)負載均衡，又能確保關(guān)鍵設(shè)備的備份冗余，而且能夠根據(jù)客戶業(yè)務(wù)提升，高效快捷的拓展整個控制平臺的容量。

采用輕型接入點協(xié)議（LWAPP）協(xié)議實現(xiàn)AP與控制器的通訊，此協(xié)議可以讓地鐵的WLAN配置和管理功能可以自動進行。

控制器無線傳輸系統(tǒng)服務(wù)模塊（WiSM）為全網(wǎng)的AP提供了安全性、移動性、冗余。它讓W(xué)LAN可以使用最安全的無線傳輸系統(tǒng)系統(tǒng)進行信息傳遞。

3 無線傳輸系統(tǒng)雙向傳輸系統(tǒng)方案

3.1 無線通訊模式的選型

3.1.1 無線通訊模式簡介

針對地鐵車地無線傳輸系統(tǒng)的需求，即特殊環(huán)境下系統(tǒng)的高可靠穩(wěn)定性、使用的靈活性、業(yè)務(wù)支持的不間斷性、安全性等特點。車載無線傳輸系統(tǒng)有兩種方式可以選擇。

（1）采用傳統(tǒng)的無線網(wǎng)卡+工控機的方式做為車載無線傳輸系統(tǒng)單元。

（2）采用工業(yè)化AP使用WGB（無線工作組網(wǎng)橋）的方式做為車載無線系統(tǒng)單元。

第一種實現(xiàn)方式我們稱作“無線網(wǎng)卡方式”，原理為單臺PC安裝雙網(wǎng)卡，一塊無線網(wǎng)卡用于無線通訊及漫游；另一塊有線網(wǎng)卡用于連接車載有線網(wǎng)絡(luò)。

另一種方式為WGB即工作組網(wǎng)橋模式。WGB是Workgroup Bridge的英文縮寫，當天線工作在WGB模式時，它可以關(guān)聯(lián)到其它的AP，并對WGB以太網(wǎng)接口上所連接的一組電腦提供無線網(wǎng)橋連接。它可以將不具備無線網(wǎng)卡的設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)進行上聯(lián)，并且在漫游過程中充當有線連接的一組電腦（最多255臺設(shè)備）的漫游代理，從而提供令人滿意的漫游切換性能。下圖2為WGB的工作模式示意圖。

車載無線傳輸設(shè)備，是負責實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)以及無線安全連接的關(guān)鍵設(shè)備，同時還肩負頻繁漫游切換的任務(wù)，從技術(shù)保證上需要選擇合適的產(chǎn)品和工作模式，才能確保系統(tǒng)整體的成功。

3.1.2 無線網(wǎng)卡和工作組網(wǎng)橋?qū)Ρ龋ū?）

3.2 無線傳輸系統(tǒng)帶寬

3.2.1 帶寬需求

對于視頻應(yīng)用數(shù)據(jù)來講，主要有兩種類型的數(shù)據(jù)流：交互式視頻和流媒體視頻。交互式視頻有著和VoIP應(yīng)用同樣級別的服務(wù)質(zhì)量要求，這是因為語音流包含在視頻流當中了。流媒體視頻應(yīng)用有著相對于交互視頻來講比較寬容的要求，因為通常來講應(yīng)用層大都包含大量的緩存。另外，由于流媒體視頻相對交互式視頻而言流量穩(wěn)定，不用像交互式視頻那樣在基本帶寬的基礎(chǔ)上增加25%的帶寬用于突發(fā)流量。（見表2）

由此可知，在列車高速運行的情況下，能夠保證平均帶寬大于19 Mbps，即可滿足實時視頻傳輸?shù)囊蟆?/p>

3.2.2 帶寬保障

無線傳輸系統(tǒng)的帶寬主要是由軌旁無線設(shè)備及車載無線設(shè)備性能決定。同時車載無線設(shè)備的工作模式也決定了無線傳輸?shù)膸挕?/p>

3.2.3 帶寬管理方案

軌旁AP與車站有線交換機之間的連接是采用光纖連接，其端口最大速率可達到100 Mbps。當網(wǎng)絡(luò)有異常情況發(fā)生，在有線網(wǎng)數(shù)據(jù)以接近于100 Mbps下發(fā)至AP的情況下，在短時間內(nèi)可以依靠AP自身的緩存進行處理，但是長時間如此勢必會對AP造成極大的沖擊，造成AP工作效率大大下降，影響無線鏈路的傳輸。所以在有線交換機端口采用Qos機制（CBWFQ）進行限速，使其適配AP的流量轉(zhuǎn)發(fā)能力。針對系統(tǒng)視頻傳輸?shù)囊蠛驮O(shè)備自身的特性，下行流量建議限制在30 Mbps以內(nèi)。

3.3 漫游切換機制

3.3.1 漫游技術(shù)的分析

地鐵環(huán)境中無線漫游切換技術(shù)是保證系統(tǒng)業(yè)務(wù)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵技術(shù)，漫游技術(shù)的選擇決定了地鐵系統(tǒng)業(yè)務(wù)實現(xiàn)的實時性和穩(wěn)定性。由于地鐵環(huán)境系統(tǒng)對于切換漫游的時延要求極高，所以漫游技術(shù)的選擇是一個影響整個地鐵系統(tǒng)運行的關(guān)鍵。

目前漫游技術(shù)通過如下幾種方式實現(xiàn)。

（1）采用MobileIP的技術(shù)實現(xiàn)跨2、3層的漫游。

（2）WLAN漫游切換技術(shù)。

Mobile IP技術(shù)通常使用在采用多種無線傳輸系統(tǒng)技術(shù)覆蓋、大范圍移動漫游情況下，尤其對切換時延要求不高的條件下。因為MobileIP技術(shù)增加了FA（外部代理）和HA（歸屬代理）的信息交換及地址獲取的過程，也就是說增加了切換的時延。地鐵的無線傳輸環(huán)境是采用一種單一的覆蓋環(huán)境，并不存在多種無線傳輸系統(tǒng)技術(shù)混合使用的場景，并且對時延的要求很高，我們應(yīng)該在保證無縫切換的同時，盡可能的采用一種可以減少切換時間的切換技術(shù)。

3.3.2 漫游切換機制

車載設(shè)備的漫游切換，是技術(shù)關(guān)鍵所在。無線局域網(wǎng)本身具備與生俱來的移動特性，上面承載的眾多應(yīng)用中，很多都是對時延敏感的，當客戶端漫游事件發(fā)生時，會導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生額外的處理開銷/延時。運用快速安全漫游技術(shù)，可以在不犧牲安全性的前提下，簡化漫游處理過程，從而滿足上層應(yīng)用對延時方面的嚴格要求。