IEEE 802.11n標準在地鐵乘客信息系統中的應用研究

吳 昊 婁永梅（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 研究背景、目的和意義

現代城市軌道交通已不僅僅是一項交通工具，而且已成為提供出行、廣告、通信、購物、娛樂等多種服務的新型城市活動空間。隨著技術的進步，各種服務功能將實現相互滲透、優勢互補，共同為社會提供多樣化的服務。

乘客信息系統（PIS）在地鐵空間里建立起一個動態的信息系統，讓乘客身處地下空間，仍然能夠時刻保持與外部世界的信息交流，充分體現以人為本、以為乘客服務的宗旨，提高了地鐵運營總體服務水平和服務質量。通過乘客信息系統提供的各類信息，使乘客安全、高效地在地鐵中行走，使地鐵車輛高效、安全地運營。同時，提高媒體宣傳的利用率，提升社會經濟收益水平。

當前IEEE802.11系列標準中工作在5 GH z頻段的IEEE802.11a和工作在2.4 G頻段的IEEE802.11g在城市軌道交通乘客信息系統中已有廣泛運用，但是隨著更多新業務需求的增加，基于IEEE802.11a和IEEE802.11g標準的車地無線雙向傳輸帶寬已無法滿足實際應用需求，為了實現高帶寬、高質量的W LAN服務，使無線局域網達到以太網的性能水平，802.11n應運而生，IEEE 802.11n使用2.4 GH z頻段和5 GH z頻段，IEEE 802.11n標準的核心是M IMO（m u ltip le-input m u ltip le-ou tpu t，多入多出）和OFDM技術,傳輸速度300 M b it/s，最高可達600 M bit/s，可向下兼容IEEE 802.11b、IEEE 802.11g。

通過對IEEE802.11n標準在地鐵的應用研究，提出研究方案，并通過模擬試驗提出實施建議，為地鐵今后PIS系統的應用以及無線的規劃和選擇提供借鑒。

吳昊，女，畢業于中南大學，工程師。主要研究方向為城市軌道交通通信信號，曾參與“北京地鐵9號線通信信號系統設計”、“北京地鐵14號線通信信號系統設計”、“北京地鐵1、2號線自動售檢票系統設計”、“德黑蘭地鐵二、三期工程通信系統設計”、“軌道交通安全防范物聯網應用示范工程設計項目“、“北京市政治中心區綜合管理物聯網應用示范工程設計項目”等項目工作。

2 國內外現狀

802.11n標準在韓國首爾地鐵首次應用外，其他應用案例大多集中在電信運營商，在我國城市軌道交通還沒用應用和開通業績。

3 主要研究內容

3.1 IEEE802.11n標準在城市軌道交通中的傳輸性能

IEEE802.11n標準可支持行駛速度80 km/h的列車的通信。網絡能以不小于30 M b it/s的平均速率在列車和地面雙向傳輸視頻影像和其他業務數據，并能保證很小且穩定的延遲。

3.2 在地鐵隧道和地面復雜干擾情況下的無線局域網組網技術

地鐵PIS系統全線沿軌旁設置無線接入點和天線；在控制中心設置本線無線網絡的無線控制器，管理和控制本線無線網絡；在列車上設置車載無線客戶端，以達到在全線范圍內實時無縫的列車與地面間的圖像和數據傳遞。

車地無線網作為有線局域網的延伸，提供了地面有線網絡與列車的通信。無線控制器與軌旁A P之間采用FIT AP架構，車載AP采用FAT AP架構。FIT AP架構由無線控制器、軌旁AP組成，其中無線控制器集中設置在運營控制中心，對全線軌旁AP進行集中統一控制，在無線控制器可以完成軌旁AP的版本更新，配置下發以及單一命令的下發。車載AP與軌旁AP間采用FA T AP模式，主要考慮降低車載A P掉線再上線的時間間隔。減免車載AP與無線控制器進行連接，建立隧道到重新下發配置的環節。

3.3 抗干擾分析及技術實現

1)環境模型

a．通用傳輸模型

地鐵隧道類型多種多樣，（橫截面）有矩形、圓形、弓形等，不同形狀、結構對無線信號傳輸有不同影響。對于部署無線傳輸系統，首先必須了解距離對無線信號傳輸所產生的衰減。

最好的方法是在真實環境逐段進行測試，這需要在一列車上安裝無線客戶端通過無線訪問地面AP，這是一項非常費時的任務，且測試環境搭建困難。為解決這一難題，可采用無線網絡規劃軟件事先對真實環境無線信號傳輸進行模擬。

b．三維光線跟蹤模型

為獲得隧道內更精確的無線傳播信息，可使用另外一個模型：三維光線跟蹤模型。該模型假定無線信號就象光線一樣在隧道內壁、物體表面通過反射及衍射在隧道內傳播，隧道內任一點的信號強度如下表一樣就是各個方向所有反射、衍射光線能量在該點的總和。

如圖1所示，接受點能量的大小取決于到達該點的光線路數、每路光線的強弱以及不同光線之間的相差。

如圖2顯示在400 m距離內，公式計算的場強低于趨勢曲線的場強，400 m以后兩者非常接近。

2）干擾源及措施

干擾源及措施分析，如表1所示。

地面和隧道內發射設備的合理配置布署及實施方案。

根據以往經驗及衰減計算A P布置間距遵循以下原則。

表1 干擾源及分析措施

* 700 m以下曲線半徑每150 m布置一個AP。

* 1 500 m以下曲線半徑每200 m布置一個AP。

* 1 500 m以上及支線區段每230 m布置一個AP。

* 原則上最大布置間距不超過250m。

隧道天線安裝為垂直隧道壁或線路安裝，如標明需要偏向線路時暫按20°安裝，單體調試時再進行調整。

隧道天線安裝時應注意，天線輻射面前方15 m應盡量保證沒有其他設備遮擋，如實在無法保證，單體調試時再進行天線角度調整。

4 技術關鍵

1）IEEE802.11n標準在地鐵隧道和地面的無線傳輸要求

移動的列車與地面之間具有實時雙向數據傳輸的能力，因此，無線網絡系統滿足以下要求：

* 車-地無線網絡能通過組播方式實現控制/臨時中心到列車的信息下發，并能實現廣播和尋址功能，將特定的信息發送給指定的一列或者幾列列車。通過6 M bit/s帶寬的傳輸通道將1路標清數字視頻信息傳送給車輛。

* 實現將車輛客室監視信息實時及準實時上傳至控制中心的功能。

* 無線傳輸網絡滿足系統功能需求的帶寬，并留有需求帶寬25%以上的余量，且傳輸層雙向平均有效帶寬為30 Mbit/s。

* 車-地無線網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定、安全且能避免沖突的連接。

* 在列車高速運行時，不丟失連接和引起畫面質量降低。在列車能與無線局域網接入點進行通信的地方都應進行全面的網絡覆蓋，包括正線、車輛段出入段線、停車列檢庫。

* 無線接入點和列車天線的設置保證列車始終存在可選的無線信號路徑。無線設備具備完善的切換機制無縫切換至最合適的接入點，切換時間小于50 m s。

* 無線網絡局域網的丟包率在1%以下。

5 技術創新點

對CBTC和PIS系統的相互干擾以及和其他無線系統的相互干擾問題提出解決方案，提高地鐵安全生產的可靠性。提高無線傳輸帶寬。

1）主要抗干擾措施

a．雙頻支持，避免與地鐵信號等其他無線系統互相干擾

無線AP的雙頻支持特性（2.4 GH z，5 GH z），可根據信號系統采用的頻率情況，選用完全互不干擾的頻率進行無線覆蓋，從而絕對保證信號系統的穩定、可靠。

b．異頻信道布設，避免產生同頻干擾

802.11n 2.4 GH z包含3個完全不重疊信道，分別為1、6、11。本系統中，PIS軌道沿線節點A P使用信道6（信號專業使用1、11），列車上的無線回程模塊僅需交替掃描信道6，既減少了掃描時間，提高切換速度，同時，相鄰節點采用非重疊的信道有效的保證性能不受干擾的影響。

2）M IMO天線的應用

M IMO的優點是能夠增加無線范圍并提高性能。連接到老的802.11g接入點的802.11n站點能夠以更高的速度連接到更遠的距離。無線電發送的信號被反射時，會產生多份信號。每份信號都是一個空間流。使用單輸入單輸出（SISO）的當前或老系統一次只能發送或接收一個空間流。M IM O允許多個天線同時發送和接收多個空間流。它允許天線同時傳送和接收。

如圖3可以看出，此時的信道容量隨著天線數量的增大而線性增大。也就是說可以利用M IMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。利用M IMO技術可以提高信道的容量，同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。前者是利用M IMO信道提供的空間復用增益，后者是利用M IMO信道提供的空間分集增益。

M IM O是指一個系統在發送和接收端采用多個天線進行無線信號的收發，以提高通訊的性能。它是當今無線最熱門的技術，無論是LTE、W IMAX，還是802.11n，都把M IMO列入射頻的關鍵技術 。

M IMO用In×Out來表示。對于當前的11n產品，AP側典型的是3×3，網卡側典型的是2×2。

3）無線終端設備的高速移動漫游切換技術

考慮到地鐵沿線的特殊條件和特征，采用W LAN IEEE802.11n技術，應用先進的AP快速切換技術，真正實現了業界“零時間AP切換”的效果。

4）無線局域網數據傳輸安全技術

數據安全傳輸加密技術主要包括以下方面的內容：

支持802.1x認證：無線接入設備只有通過了802.1x認證成功后，才能接入網絡。

M AC地址過濾：目前支持基于M AC地址的過濾，限制具有某種類型的M AC地址特征的終端才能進入網絡中。

SSID管理：是一種網絡標識的方案，將網絡進行一個邏輯化標識，對終端上發的報文都要求進行上帶SSID，如果沒有SSID標識則不能進入網絡。

WEP加密：WEP加密是一種靜態加密的機制，通信雙方具有一個共同的密鑰，終端發送的空口信息報文必須使用共同的密鑰進行加密。

支持A ES加密，A ES安全機制是一種動態密鑰管理機制，同時密鑰生成也基于不對稱密鑰機制來實現的，同時密鑰的管理也定期更新，具體的時間由系統可以設定，一般情況都設定為5 m in左右，這樣非法用戶要想在5 m in之內進行獲取足夠數量的報文進行匹配出密鑰出來，從無線空口的流理來看，基本上是不可能的。

數據傳輸安全管理主要包括以下方面的內容：

*采用定向小夾角天線減少電波覆蓋的范圍；

*把不同類型的數據經由不同的V LA N進行傳輸；

*在網絡層建立VPN隧道，進一步提高經由無線傳輸信息的保密性、完整性和有效性。

6 推廣應用前景分析

PIS系統是目前國際和國內城市軌道交通的熱點和亮點，而車地無線通信是PIS系統最需要關心的方面。該項目研究了802.11n標準在PIS系統中的無線傳輸性能，將在一段時期內為新線建設及舊線的改造起到規范及指導作用。

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