天津地鐵1號線無線視頻傳輸系統研究

姜磊

（天津市地下鐵道運營有限公司，天津 300222）

1 研究背景

2006年6月，天津地鐵1號線正式開通試運營。2008年8月為配合北京奧運會的安全召開地鐵公司在車廂內加裝了相應的電視監視系統，但是根據實際需要，指揮行車的調度員無法在線實時觀看到列車內的圖像信息，在車廂內出現問題時無法第一時間掌握現場情況，這就迫切要求天津地鐵1號線采取無線視頻傳輸技術將圖像傳送到控制中心，為指揮行車提供可靠的安全保障。

2 基于AP天線的WLAN性能方案

2.1 系統功能及軌旁AP布設策略

無線視頻傳輸系統即WLAN系統是實時傳輸系統作為傳輸網絡的延伸，為天津地鐵1號線提供地面與列車之間的通信，無線視頻傳輸系統車地無線通信能夠保證列車在高速行駛的情況下，能夠以有效帶寬不低于10Mbps的速率在列車和運營控制中心服務器間雙向傳輸視頻影像，同時保證車載AP同軌旁AP切換時做到“0”丟包。

目前基于WLAN在隧道內的覆蓋方式有兩種：一種是AP的信號通過漏纜進行傳輸，還有一種是AP信號通過天線進行無線傳播，本次研究的是采用信號通過天線進行無線傳播的方式。在沿軌道設置無線接入點（AP）、設置控制中心的無線控制器，以及車載的無線單元和天線。控制中心無線控制器通過傳輸網絡實現與軌道無線接入點相連，在列車上設置車載無線網橋，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，并實現快速切換。

在區間和站臺根據無線信號覆蓋的要求設置分布式數據接入交換單元，實現與車載數據控制單元之間的無線數據通信。各軌旁AP通過光纖收發器，以100M光纖與車站交換機相連接，經車站數據控制器對數據進行處理后，通過通信傳輸系統提供的通道與控制中心連接。

2.2 無線傳輸網絡結構

車地無線雙向數據傳輸網絡是整個寬帶傳輸網重要組成部分，無線雙向數據傳輸網絡采用AP架構組網方案，主要組成包括有無線管理交換機、無線管理工作站、鋪設在軌旁及車輛段的無線基站（AP）和天線、車載無線網橋及天線以及車載交換機等部分，方案符合WLAN 802.11a標準。無線雙向數據傳輸網絡中無線系統硬件包括有AP和無線管理交換機。無線管理交換機和AP之間不需直接互聯，可以透過IP網絡（可由交換機、路由器或其它網絡設備組成）互通。

軌旁AP在直線隧道一般每間隔200米布設一個，在彎道或地面根據實際情況采用每間隔50米、100米布設一個，AP采用定向天線，雙向無線雙向數據傳輸網絡的無線系統采用標準為802.11a。

2.3 車載局域網

車載局域網絡由車載無線單元、車載交換機組成，車載視頻控制器、車載監控設備等接入該網絡。車載無線單元提供移動列車與軌旁AP的實時無縫連接，用以實現車載視頻設備與控制中心和車站的連接。車載交換機采用工業交換機，實現各節車廂互聯，每趟列車車頭車尾分別設置無線網橋，同軌旁AP實現互相冗余的車地無線通信。

在地鐵列車車頭、車尾分別安裝一臺10端口工業以太網交換機，與車輛提供的以太網接口構成列車內小型局域網，為車載信息顯示及車載圖像監控提供傳輸通道。車載局域網采用鏈網結構，在車頭、車尾設置兩套獨立的無線接收裝置，保證在局域網發生斷點故障時順利切換。

3 技術難點分析

3.1 網絡鏈路分析

軌旁AP與車載AP之間無線使用802.11a用于覆蓋列車運行沿線。12路1M監控流，從列車通過無線信號至分布式數據接入交換單元再經車站上傳至控制中心。同時無線傳輸網絡必須提供滿足系統功能需求，并留有需求帶寬25%以上的冗余量，根據以上帶寬計算分析，總帶寬需求為 12Mbps＋3Mbps＝15Mbps，因此，車地無線雙向數據傳輸網必須提供15Mbps的有效帶寬。

3.2 越區切換要求

由于無線網絡承載的是視頻信號，視頻顯示不能出現明顯斷點、失幀、抖動、馬賽克等，故要求列車即使在高速運行下，也要保持無線鏈路不能中斷。當車載AP從一個軌旁AP的覆蓋范圍移動到下一個軌旁AP的覆蓋范圍時，將發生切換。小區之間的無線切換操作是自動的，并且對于列車操作來說是透明的。

通常802.11a的越區切換時間在500ms到2s之間（包括重新鑒權和其他以安全為目的額外開銷），在切換期間，車載AP可能與軌旁AP失去連接（也就是說，通信中斷）。為達到零切換時間，采用WLAN基于預測的切換技術（簡稱，WHFT）。WHFT算法與標準802.11a切換算法的不同在于：WHFT允許車載AP在與舊AP（如APn）脫離前與新AP（如APn+1）建立連接，即在中斷前連接。再加上相鄰AP彼此重疊足夠的區域，就能夠實現零切換時間。所有與切換有關的處理，在列車運行在相鄰AP重疊區域內都會完成，而重疊區域的大小應該按照列車全速運行來設計，最快切換時延可以小于5ms，可以做到“0”丟包切換。

3.3 無線網絡抗干擾能力分析

由于無線信號在傳播過程中會存在多個通過不同路徑到達接收點的信號分量，使得到達接收點的信號分量在相位和幅度上發生了變化。當所有在接收點的信號分量疊加后，合成信號的幅度就會減小或增加，同時導致嚴重的符號間干擾，其結果是產生多徑衰落，造成通信的不穩定。而地鐵沿線很容易產生多徑信道。IEEE 802.11a要求采用正交頻分復用（OFDM）的技術，將高速數據流分配到數十個相互正交的子載波上，而在每個子載波上是窄帶調制，使得信號傳輸對于多徑效應具有選擇性衰落。其次，在高速移動環境中，由于發送機與接收機之間的相對運動，會導致接收信號的頻率偏移，出現誤碼。根據理論計算，2.4GHz的802.11a應用頻段所引起的頻偏在±250Hz以內，這就要求提供的系統頻率容量達到±1kHz即可正常使用。

結語

通過在地鐵隧道內設置AP天線，在列車內設置相應的交換設備，可以構建成天津地鐵1號線無線視頻傳輸系統，實現系統的可用性。對于需要傳輸15M帶寬以及具有抗干擾能力的的需求，需要在軟件上采用正交頻分復用，確保系統的可靠性。

[1]宋文偉.關于鐵路運輸高速無線數據傳輸的研究[J].世界軌道交通，2008.

[2]馮軍，楊永杰.一種無線視頻傳輸系統的實現.[J].現代電子技術，2005.

[3]劉乃安.無線局域網-WLAN原理技術與應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004.