南京地鐵T線PIS車地無線通信抗干擾研究與應用

張一萌

（南京地鐵運營有限責任公司，江蘇 南京 211135）

PIS（Passenger Information System，旅客信息系統）是以編播室為發送端，車載與車站播放器為顯示終端（如圖1所示），向旅客提供公告及媒體服務的系統。列車正常運行中，提供包括新聞、廣告、短視頻、列車運行方向以及列車到站信息等信息服務；如遇火災、恐怖襲擊等緊急事件，則會提供緊急事件通告及疏散引導等重要提示。

圖1 PIS車載播放終端

1 系統原理

PIS系統中，音視頻流通過編播室與列車之間的DCS（Data Communication System，數據通信系統）網絡軌旁端傳送至PIS通信網關（CG，Communication Gateway），PIS服務器按照播放列表要求進行合成與文字混編，之后將編輯好的音視頻信號通過軌旁AP（Access Point，接入點），如圖2所示，以無線形式發送至車載STA（Station，無線電臺）進入車載PIS服務器，最終通過DCS車載端顯示于車載終端播放器。PIS系統網絡拓撲結構圖如圖3所示。

圖2 軌旁AP圖示

圖3 PIS系統網絡拓撲結構圖

圖3 中，兩臺CG為熱備模式，AP設計為環網。

車輛在正常行駛過程中，車載STA會根據軌旁沿線AP的信號質量好壞進行切換關聯選擇。由于列車在行駛過程中會不斷遠離所關聯的AP，當STA當前關聯AP的信號質量達到設定的閾值下限時，STA會根據AP列表中的信息切換至下一個信號質量滿足閾值的AP。STA通過不斷的漫游切換，使得車地間的無線通信時刻建立連接狀態，保證車地間音視頻數據的正常傳輸。

2 無線干擾

無線干擾是指在無線通信過程中因外部電磁能量直接或間接進入信道，導致信號質量下降，數據丟失從而阻斷通信的現象。無線干擾大致分為同頻干擾、鄰頻干擾及耦合干擾三大類。南京地鐵T線PIS系統在調試過程中發現，存在大量音視頻數據包丟失，車載音視頻中斷的現象發生。通過數據分析發現，存在以下三個問題：（1）根據南京地鐵T線設計標準要求，車地無線通信要求車載STA與AP建立關聯成功后最低帶寬值應不低于12Mb/s，而在車地無線通道建立正常的情況下，實際傳輸帶寬僅為4Mb/s～8Mb/s，帶寬嚴重不足，同時會導致丟包情況的發生；（2）車輛在站臺停穩狀態，穩定關聯某AP時，會偶發出現帶寬降低的現象；（3）車輛在行駛過程中，STA在漫游切換AP時，存在頻繁切換，AP不能穩定關聯。

通過對以上三個問題的分析，發現無線干擾是導致問題產生的主要原因，同時，系統配置上也存在一定的不合理性。

3 解決方案

根據上述分析，要解決PIS帶寬過低導致音視頻中斷的問題，主要需要解決無線干擾以及系統配置兩方面問題。造成PIS無線干擾的因素主要有以下四點：（1）AP的發射功率設置過高。（2）STA在漫游切換至下一個AP時，前次關聯的AP依然會有短時間的大數據流發送，導致對正在關聯的無線鏈路造成干擾。（3）由于PIS使用的無線網絡為2.4GHz共用頻段，與手機WiFi同頻，且AP的ESSID（服務區別號）是可掃描到的，站臺乘客存在嘗試關聯PIS網絡AP的行為，雖然PIS網絡為局域網，乘客連接上AP無法登陸互聯網，但是，在與AP關聯的過程中，存在數據交互，會對無線帶寬造成一定的影響。（4）列車在行駛過程中，STA經常會關聯上逆向側AP（如車輛行駛在上行線，卻關聯上下行線的AP），由于物理位置原因，會出現頻繁切換上下行AP的情況發生。

針對以上四點問題，分別給出相應的解決方案。

（1）T線PIS系統在調試初期，將全線AP的發射功率均設置為最高值19dBm。對于單AP系統而言，AP的發射功率越高，信號質量越好。但是，對于AP群來說，過高的發射功率會對周邊的AP產生同頻干擾，非但不能提高無線帶寬，反而會因相互干擾，使整體無線環境變得較差。為了降低同頻干擾造成的影響，嘗試將全線所有AP的發射功率進行下降調整。雖然發射功率下調，會隨之降低發射總能量，但同時也會降低AP相互之間造成的無線干擾。經過調整，將發射功率由原先的19dBm降至17dBm，帶寬達到13Mb/s，丟包率也明顯下降。由此可以看出，過高的發射功率造成的同頻干擾會對無線鏈路造成較大的影響。

（2）當列車切換關聯至下一個AP時，利用程序內嵌Shell腳本實現前一個關聯AP的無線網卡短暫關閉操作，流程圖如圖4所示。

圖4 關閉前一個AP無線網卡程序流程圖

列車關聯下一個AP后，將前一個關聯的AP無線網卡關閉10s，停止無線信號發射，避免對STA與正在關聯的AP之間的無線鏈路造成無線干擾，10s后再自動重新開啟，等待后續列車對其進行關聯建立無線鏈路。

（3）外在無線設備能夠關聯上軌旁AP的主要原因是由于可以掃描到其區域內的ESSID。為了避免類似乘客使用手機掃描到AP的ESSID，利用Linux命令“iwconfig ath0/1 essid“PIS_Wireless””統一將“PIS_Wireless”局域網絡范圍內的AP的ESSID進行隱藏操作，只允許列車STA可見并進行關聯，避免外在無線設備可以關聯上軌旁的AP造成干擾。

（4）通過分離上下行AP，分別建立單邊獨立的AP_list，當列車運行在上行時，只可關聯上行AP_list中的AP，反之亦然，避免列車會關聯至逆向側AP的情況發生。

4 實驗結果

圖5 為列車無線漫游切換圖，彩色線為沿線AP的信號質量，下端紅線為切換過程，每個“階梯”為關聯上一個AP，若一直為上“階梯”狀態，說明漫游切換正確，若出現下“階梯”，說明出現漫游切換出現了回切亂切的現象。從圖5可以看出，通過對問題的解決，切換良好。經過實驗，南京地鐵T線單列車全程PIS直播率達98%（2%由于終點站換端切換上下行AP_list所致），上述四種解決方案有效地解決了PIS無線干擾問題。通過對問題的解決，無線帶寬得到有效的提高，且丟包率顯著下降。STA無線漫游平順，徹底規避了切換AP錯誤的現象。

圖5 列車無線漫游切換圖