地鐵乘客信息系統車地無線通信網絡方案分析

郭健

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.22.092

摘 要：該文介紹了地鐵乘客信息系統車地無線通信網絡的建設現狀及主要方案，提出了車地無線通信網絡的需求分析，根據地鐵工程建設的特點，對WLAN方案、WiMAX方案及LTE方案三種無線通信網絡方案的優缺點進行了對比分析，并最終提出了地鐵乘客信息系統車地無線通信網絡的組網方案建議。

關鍵詞：地鐵 乘客信息系統 車地無線通信網絡 WLAN LTE

中圖分類號：TN873 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）08（a）-0092-03

The Analysis of Vehicle-to-ground Wireless Communication Network for Metro Passenger Information System

Guo Jian

（The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin，300251，China）

Abstract：Introduce present situation and main plans of Vehicle-to-ground wireless communication network in Passenger information system of metro， propose the demand analysis of Vehicle-to-ground wireless communication network， analysis three difference of the plans which is WLAN plan， WiMAX plan and LTE plan according to the characteristic of metro project， and bring proposals for the networking of Vehicle-to-ground wireless communication network.

Key Words：Metro；Passenger information system；Vehicle-to-ground wireless communication network；WLAN；LTE

地鐵乘客信息系統（PIS系統）是利用多媒體網絡技術，以計算機系統為核心，以車站及車載顯示終端為媒介，向乘客提供信息服務顯示的系統。乘客信息系統不但向乘客播放地鐵列車到達時間預告、換乘信息及時間等和乘車相關的信息，還可以播放重要的新聞及天氣預報、廣告等視頻資訊信息，并在災害情況下作為緊急疏散的輔助手段，是地鐵用來實現以人為本，提高地鐵服務質量，加快各種重要信息傳遞的重要系統，是提高地鐵運營管理水平，擴大地鐵對旅客服務范圍的有效工具。

1 地鐵乘客信息系統車地無線通信技術的建設現狀

目前國內建設的地鐵項目中，乘客信息系統均設置車地無線通信網絡。在早期的項目建設中，車地無線通信網絡主要采用WLAN（802.11無線局域網）技術。隨著無線技術的發展，近期建設的地鐵項目越來越多采用LTE技術組建車地無線通信網絡。

2 地鐵乘客信息系統車地無線通信技術的需求分析

隨著國內地鐵快速的建設發展，乘客信息系統在地鐵的日常運營中扮演著越來越重要的角色。乘客信息系統不僅在車站及車廂內發布廣告、緊急通知等信息，還須將車廂內的視頻監視圖像信息及車輛段狀態信息上傳至地鐵控制中心。因此，乘客信息系統車地無線通信網絡的穩定性及實時性是十分必要的。

地鐵乘客信息系統車地無線通信網絡承載的主要業務有車載PIS數據下發（下行）、車載視頻監控圖像回傳（上行）以及車輛狀態信息上傳（上行）。

（1）車載PIS數據下發（下行）：乘客信息系統需將控制中心下發的播放節目通過車地無線通信網絡傳輸到列車，并在車廂的乘客信息顯示屏上實時顯示。從控制中心乘客信息系統設備通過車地無線通信網絡傳給車載PIS系統的實時視頻信息應為1路高清信號，帶寬需求為8 Mb/s。

（2）車載視頻監控圖像回傳（上行）：車載視頻監控圖像回傳是車地無線通信網絡最大的上行傳輸業務需求，用于實現控制中心對移動的列車車廂內狀況的實時安全監控。列車視頻監控系統上傳到控制中心車輛地面服務器的實時視頻按同時傳2路考慮，每路視頻占用2 Mb/s的帶寬，總計4 Mb/s的上行帶寬需求。

（3）車輛狀態信息上傳（上行）：各在線運營列車向控制中心車輛地面服務器實時上傳車輛狀態信息，車輛狀態信息上行帶寬需求為1路200 kb/s。

由表1可以看出，乘客信息系統車地無線通信網絡帶寬需求為上行4.2 Mb/s，下行為8 Mb/s。

3 地鐵乘客信息系統車地無線通信主要技術對比

在無線通信技術中，可滿足乘客信息系統車地無線通信網絡帶寬需求的主要技術有WLAN技術、LTE技術及WIMAX技術。車地無線通信網絡主要技術對比見表2。

3.1 WLAN技術

WLAN方式是基于802.11標準，工作頻段在2.4 G/5.8 GHz的無線寬帶技術。802.11系列標準發展至今，經過不斷完善，技術已經成熟。802.11g能夠兼容802.11a/b產品，最大傳輸速度54 Mbps，且安全性較高。802.11n是2009年批準的標準，傳輸速度理論值為600 M，且傳送距離更遠。802.11ac是Wi-Fi聯盟在802.11a/b/g/n之后制定的一個無線傳輸標準協議，以實現高帶寬、高質量的WLAN 服務，使無線局域網達到以太網的性能水平。

802.11ac采用MIMO（多入多出）與OFDM（正交頻分復用）等技術，其物理帶寬867 Mbps，實測靜止帶寬500 Mbps以上。

WLAN技術主要為靜止或慢速移動狀態下通信應用開發，對高速移動通信支持較差，漫游功能尚不完善。針對標準無線局域網設備存在的這些問題，為滿足地鐵列車高速移動情況下的實時通信需求，工程實施中可采用基于802.11標準的設備進行二次開發應用。

3.2 LTE技術

LTE是英文Long Term Evolution的縮寫。LTE也被通俗地稱為3.9 G，具有100 Mbps的數據下載能力，被視作從3 G向4 G演進的主流技術。

在傳輸速率方面，LTE技術采用了MIMO，自適應調制編碼（Auto Modulationand Coding，AMC）及混合自動重傳（Hybrid ARQ，HARQ）等技術，在20 MHz頻譜帶寬能夠提供下行100 Mbps、上行50 Mbps的峰值速率。通過MBMS（多媒體廣播和組播業務）技術在小區邊界可提供20 Mb/s的數據速率。

在頻譜效率方面，LTE頻譜效率可以達到1.5，這意味著系統使用10 MHz頻寬時，用戶數據傳輸速率可以達到15 Mb/s。

在網絡時延方面，因為LTE技術把所有的業務都放在IP基礎上，系統在無鏈接的IP協議上提供移動業務支持，所以能夠實現系統內部單向傳輸時延低于5 ms，控制平面從睡眠狀態到激活狀態遷移時間低于50 ms，從駐留狀態到激活狀態的遷移時間小于100 ms。

目前LTE技術已在電信運營商大規模商用。在鄭州地鐵，LTE技術作為乘客信息系統車地無線通信網絡已開通運營。

3.3 WiMAX技術

WiMAX以IEEE802.16標準為基礎，為固定用戶及移動用戶提供高帶寬的網絡接入。WiMAX技術可實現最大峰值傳輸速度70 Mbps，覆蓋范圍達50 km，抗干擾能力強。

802.16m已通過了IEEE認證，采用802.16標準的設備具有傳輸速率快、覆蓋范圍廣、抗干擾能力強、安全性高等特點，可滿足高速移動用戶的網絡接入需求。但在國內尚無應用實例，僅在廣州地鐵進行過實驗，且相關成熟產品較少。

4 車地無線通信網絡技術的選擇

從以上主要技術分析對比來看，WiMAX技術未通過中國通信標準委員會審定，也無頻率分配，技術發展緩慢，在國內尚無應用實例，且相關成熟產品較少，不建議地鐵采用此方案組建車地無線通信網絡。

WLAN技術應用于靜止或慢速移動狀態用戶的網絡接入，對高速移動用戶支持較差。但通過對系統的二次開發，可實現視頻信息的流暢傳輸，可滿足地鐵對車地無線通信網絡的要求。WLAN技術在全國已開通的地鐵線路中有大量應用案例。在頻率使用方面，2.4 G頻段為開放頻段，易與其他系統及民用設備產生干擾；5.8 G為專用頻段，在使用之前需向當地無線電管理部門提出頻率申請。

LTE技術適用于高速移動用戶的網絡接入，技術成熟，在鄭州地鐵的PIS系統中已有開通運營案例，且在全國正在建設的地鐵線路中有多條線路正在建設采用LTE技術的乘客信息系統車地無線通信網絡。地鐵車地無線通信網絡LTE設備采用1 785～1 805 MHz頻段，在使用之前需向當地無線電管理部門提出頻率申請。

綜上所述，由于LTE技術更加適應高速移動用戶的網絡接入，能更好地應用于地鐵的運營環境，且具有系統安全性高、覆蓋范圍廣、網絡延時小、帶寬高等優點，因此建議地鐵車地無線通信網絡采用LTE技術組網，LTE車地無線網絡構成圖見圖1。

5 結語

由于乘客信息系統車地無線通信網絡在地鐵的運營中發揮著越來越重要的作用，因此對車地無線通信網絡無線技術的選擇是十分必要的。該文對現有主流無線通信技術在地鐵乘客信息系統車地無線通信網絡中的應用進行了對比分析，為今后地鐵乘客信息系統的設計提供參考。

參考文獻

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