IEEE 802.11ax在城市軌道交通車地無線系統中的應用研究

姜 彬

（石家莊市軌道交通集團有限責任公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

城市軌道交通乘客信息系統（PIS）車地無線網絡主要提供列車在區間隧道內行駛時的實時數據業務傳輸通道，使地鐵列車在高速運行中保持與地面的不間斷通信，保證列車與地面之間信息的可靠傳輸。

近年來，視頻的高清化對城市軌道交通車地無線帶寬的需求在不斷增長，因此需要車地無線網絡提供足夠大的帶寬，以滿足視頻信息上傳或下載的要求。另外考慮到業務的發展，還需要預留列車客室內公眾上網熱點覆蓋能力，以及不斷加入的新業務數據上傳或下發，這些方面都對車地無線網絡帶寬提出了新的挑戰。

1 PIS系統車地無線網絡帶寬需求分析

1.1 列車高清視頻播放信息

通過車地無線網絡，乘客信息系統將視頻、圖像、音頻等信息實時傳輸到列車顯示屏上，在列車客室內實時播放。每列車接收1路中心下發的直播信息，高清視頻下行傳輸速率約為4～8 Mbps，使用組播可降低帶寬需求，使傳輸時延小于300 ms。

1.2 緊急文本信息

緊急文本信息用于城市軌道交通路網異常情況下的乘客通知，可以在列車PIS系統的顯示終端上顯示，數據量較小，約為100 kbps，傳輸時延要求小于150 ms。

1.3 車載視頻監控（CCTV）信息

車載視頻監控信息將列車司機室和客室內的視頻圖像實時地傳送至控制中心進行集中監控。車載攝像機主要分布在司機室和客室內，司機室內一般安裝1～2個攝像機，對司機室進行監控；在車廂內，每節車廂分別安裝2～4個攝像機，對車箱內公共區域進行監視。每路車載攝像機視頻流帶寬約為2～6 Mbps，同時上傳n路則需要（2～6 Mbps）×n路，因此上行傳輸帶寬為（2～6 Mbps）×n，n為每列車同時上傳車載攝像機視頻的路數，下行控制信號帶寬約為100 kbps，傳輸時延要求小于300 ms。另外，在車輛段或停車場內通過車地無線網絡實現錄像回傳，減少人工拷貝的成本。

1.4 列車運行狀態監測信息

利用車地無線網絡，將列車運行狀態監測信息數據實時傳送到地面監測中心。地面監測中心通過對數據進行集中處理和分析，實現對列車運行狀態的實時監測和遠程故障診斷。列車運行狀態監測信息數據量較小，速率約為100 kbps，傳輸時延要求小于150 ms。

1.5 列車火災監控信息

列車火災監控信息將列車火災探測器、火災報警控制器等設備監測到的列車火災報警信息，利用車地無線網絡及地面的有線傳輸網絡傳送至車站值班室或控制中心。列車火災監控信息數據量較小，速率約為100 kbps，傳輸時延要求小于150 ms。

1.6 其他信息

預留公眾無線上網，以無線局域網為依托，開發智慧巡檢、智慧車輛段等智慧城軌項目，提升行車安全、運營維修效率等。

2 車地無線通信技術及方案對比分析

當前可供選擇的無線通信技術有WLAN（IEEE 802.11n、IEEE 802.11ac、IEEE 802.11ax）和LTE-M技術、5G技術等。

目前軌道交通領域還不能獨立建設5G車地無線專網，主要原因是缺少專用的5G頻率資源。采用WLAN技術方案可以使用免費頻段，采用LTE-M技術方案也可以通過申請獲得城市軌道交通專用頻段，本文主要對這兩種技術進行介紹。

2.1 WLAN的技術方案

2013年之前，地鐵車地無線主要采用IEEE 802.11n技術組建車地無線網絡，下發一路標清視頻到列車和同時上傳2路車載攝像機標清視頻至控制中心。

2013年，電子電氣工程師協會（IEEE）制定了IEEE 802.11ac標準，它是IEEE 802.11n標準的延續，在IEEE 802.11n基礎上進行了技術改進與創新，以求達到1 Gbps吞吐量的目標。近期部分城市軌道交通線路采用IEEE 802.11ac組建車地無線網承載PIS系統業務。

2017年6月發布了IEEE 802.11ax技術標準，其主要特點是速度更快、時延更低、容量更大、更安全、更省電等。相比于IEEE 802.11ac，IEEE 802.11ax最大傳輸速率由前者的3.5 Gbps，提升到了9.6 Gbps。針對車地無線網絡的應用場景，IEEE 802.11ax通過Mesh組網，實現車地無線鏈路預建立、后切換的軟切換方式；采用MLSP（移動鏈路切換技術）使鏈路切換平均時間從50 ms以上降低到20 ms以下；采用基于前導碼的頻率偏移估計和補償技術，通過對頻率偏移的估計與補償保證切換的穩定性，可以滿足時速160 km列車高速移動狀態下車地無線通信的需求。IEEE 802.11n、IEEE 802.11ac、IEEE 802.11ax的技術性能指標比較見表1。

表1 IEEE 802.11n、IEEE 802.11ac、IEEE 802.11ax的技術指標比較

2.2 LTE-M技術方案

LTE-M技術在城市軌道交通領域主要應用在1.8 GHz頻段，實現綜合承載PIS和信號系統車地無線通信業務。

2015年2月，工業和信息化部為城市軌道交通、電力、機場、石油等行業專用通信網分配了20 MHz頻段，作為無線接入使用。由于城市軌道交通行業可申請到的頻率資源有限，目前少量城市可以申請到20 MHz，部分城市只能申請到15 MHz，甚至只有10 MHz。為充分利用申請到的專用頻段資源，城市軌道交通一般采用綜合承載方案，即利用15 MHz工作頻段組建A、B雙網，同時承載信號和乘客信息系統的車地無線業務。

綜合承載車地無線傳輸網采用雙網冗余組網方式，A網采用5 MHz，單獨承載信號CBTC系統信息；B網采用10 MHz，綜合承載列車PIS信息、列車CCTV信息、緊急文本信息、列車運行狀態監測信息、列車FAS信息和信號CBTC系統信息。

B網在每個LTE小區為車載視頻上傳提供4 Mbps帶寬，每小區覆蓋范圍約1200 m，每列車在正常情況下可同時上傳2路視頻監控圖像，列車上傳的監視圖像分辨率不低于720 P。考慮到行車間隔和高架區間，正常情況下每小區2列車行駛，則每小區可上傳4路圖像。緊急情況下，LTE一個小區內會存在4～6列車，通過降低碼流，最大可支持一個小區內同時上傳8～10路圖像的能力。指揮中心視頻監視終端具備單畫面、二畫面及四畫面監視功能，進行自動循環監視或人工選擇監視。

采用專用頻段組建LTE-M車地無線網絡，具有抗干擾能力強、移動性好、覆蓋距離長、維護成本低等優點。但也存在著較明顯的問題，一是能夠提供的上行帶寬有限，難以滿足全車所有視頻監控圖像同時上傳至控制中心及未來新業務的擴展要求；二是頻率資源有限，有的城市只能申請到10 MHz工作帶寬，不能實現LTE-M綜合承載，只能將10 MHz頻率資源優先全部用于信號系統，以保證行車安全。

2.3 LTE-M和IEEE 802.11ax WLAN的分析及比較

LTE-M由于可用頻率資源有限，能夠提供的車地無線傳輸帶寬較小，對于需要大帶寬、時延要求不高的乘客信息系統業務并不是最佳的選擇方案，而IEEE 802.11ax技術具有快速、穩定、低延時、組網方式靈活的優勢，可以很好地滿足城市軌道交通無線專網的組網要求，性價比更高。

表2 LTE-M和IEEE 802.11ax WLAN的比較

3 IEEE 802.11ax技術優勢

3.1 無線傳輸速率更高

IEEE 802.11ax采用QAM調制，最大可以達到1024 QAM。QAM數值越高，調制速率就越高，傳輸的數據量也就越大。相比于IEEE 802.11ac，IEEE 802.11ax最大傳輸速率由前者的3.5 Gbps，提升到了9.6 Gbps，理論速度提升了近3倍[1]。

3.2 采用先進的OFDMA技術

IEEE 802.11ax采用一種更高效的數據傳輸模式OFDMA，OFDMA通過將子載波分配給不同用戶并在OFDM系統中添加多址的方法來實現多用戶復用信道資源。IEEE 802.11ax標準采用與LTE和5G相似的OFDMA技術，將最小的子信道稱為“資源單位（Resource Unit，RU）”，每個RU當中至少包含26個子載波，將整個信道的資源分成一個個小的固定大小的時頻RU，用戶是根據時頻RU區分出來的。在該模式下，用戶的數據是承載在每一個RU上的，從總的時頻資源上來看，每一個時間片上，有可能有多個用戶同時發送。OFDMA相比OFDM可以提供更細的信道資源分配。特別是在部分節點信道狀態不太好的情況下，可以根據信道質量分配發送功率，來更細化地分配信道時頻資源。IEEE 802.11ax可根據信道質量選擇最優RU來進行數據傳輸。OFDMA可以提供更好的QoS，在OFDMA模式下，由于一個發送者只占據整個信道的部分資源，一次可以發送多個用戶的數據，所以能夠減少節點接入的時延。OFDMA可以提供更多的用戶并發及更高的用戶帶寬，通過將整個信道資源劃分成多個子載波，子載波又按不同RU類型被分成若干組，每個用戶可以占用一組或多組RU以滿足不同帶寬需求的業務。

OFDMA允許相同信道同時傳輸多個用戶的數據，并根據流量類型協調資源，從而提升資源利用率和轉發性能，實現了多個終端同時并行傳輸，從而提升效率和降低時延。

3.3 采用先進的多用戶MU-MIMO

MU-MIMO技術能夠實現多個用戶同時進行數據傳輸，在IEEE 802.11ac Wave2中已經有所應用，不過只應用在下行傳輸。IEEE 802.11ax除了延用IEEE 802.11ac下行MU-MIMO技術，還新增了上行MU-MIMO，支持8根天線，即可以最多同時傳輸8個用戶的上行數據，進一步提高無線網絡帶寬利用率。MU-MIMO提升的是整個系統容量，在高信噪比條件下傳輸大數據包時效率更高，適合視頻、圖像、辦公場景等大流量的應用。

3.4 車載AP與軌旁AP采用Mesh組網方式

Mesh組網允許車載AP建立多條鏈路，根據軌旁AP的信號強度判斷鏈路的建立和切換，Mesh網絡切換為軟切換，先建立備用鏈路，再進行鏈路的切換，Mesh組網相較于Client模式可實現更短的切換時延。Client網絡切換為硬切換，先斷開原有鏈路，再建立新的鏈路。

3.5 采用MLSP切換協議

采用MLSP（移動鏈路切換技術）保障鏈路切換時延小于15 ms，在芯片組由于高功率導致飽和的情況下，MLSP仍能正常工作。在鏈路切換過程中，報文不丟失。

3.6 802.11ax技術適用高速移動環境

802.11ax技術OFDM子載波間隔為78.125 kHz，比LTE子載波間隔15 kHz更大，對頻偏不敏感，支持基于前導碼的頻偏估計和補償算法，測試結果證明802.11ax WLAN可適用于高速移動環境。

4 采用IEEE 802.11ax技術組建PIS車地無線網實施方案

IEEE 802.11ax WLAN車地無線主要由無線控制器AC和無線接入點（AP）、軌旁天線及車載單元和有線傳輸通道組成。城市軌道交通PIS車地無線組網示意圖見圖1。

無線控制器（AC）實現對整個無線網絡的認證管理、加密管理、入侵檢測、用戶無縫漫游、RF管理等功能，能夠主動監控AP、網橋、管理服務器以及連接到AP的交換機的故障和性能；迅速、可靠地檢測、定位和禁用未經授權的人員或者惡意的外界入侵者放置的惡意AP。

AP設在區間隧道、車輛段及停車場內，完成無線接入功能。車頭車尾部署車地無線AP設備，車頭車尾AP設備以主備模式工作。軌旁AP推薦以150米（直線段）部署間隔進行布放，與車載AP設備建立無線連接，鏈路切換動作均由車載AP完成。

圖1 PIS車地無線組網示意圖

車載和軌旁天線系統實現軌旁AP或車載AP的無線發射和接收功能。

5 結束語

IEEE 802.11ax技術采用1024QAM、OFDMA、MU-MIMO等先進技術，利用IEEE 802.11ax技術組建城市軌道交通PIS車地無線網絡，可以提供更大的帶寬、更高的傳輸速率，可以承載更多的業務，實現大帶寬、低時延、安全可靠的數據傳輸，并且可優化終端的接入效率與抗干擾性能。可以保障在應急事件處理中，指揮中心可借助高速車地通信網實時調度全車攝像頭監控視頻，實現對列車車廂區域遠程監控，快速疏散人員，保障行車安全。

下一步還可以利用IEEE 802.11ax車地無線網提供的大帶寬進一步拓展在城市軌道交通行業的應用領域，為城市軌道交通構建信息化、智能化的運營服務系統，提供高性價比和技術成熟度的車地無線解決方案，為未來地鐵的智慧化轉型奠定基礎。