智慧城軌Wi-Fi 6無線網絡設計方案

彭傳賢

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063）

1 智慧城軌無線業務需求

根據軌道交通行業業務需求現狀和無線通信技術發展趨勢，與軌道交通生產安全相關的列車運行控制業務（CBTC）和集群調度業務由LTE-M 系統承載。智慧城軌無線業務的需求還有很多：涉及智慧乘客服務的PIS 業務、智能列車運行的列車大數據業務、智能運維安全的視頻監視業務和檢修業務[1]等。這些智慧城軌無線業務數據量大，傳輸數據速率高，因LTE-M 系統帶寬受限，需其他無線技術手段來解決。5G 技術和WLAN 技術是一種選擇。智慧城軌無線業務需求的數據速率在150Mbps 以上，5G 技術和WLAN 技術均可滿足無線業務需求。但因5G 技術在城軌行業上還處于試驗和探索階段，針對城軌行業5G 公網專用的切片技術、商業合作模式、相關技術標準均還不完善。因此，針對智慧城軌無線業務傳輸需求，采用Wi-Fi6 技術是目前可行方案。

2 Wi-Fi 6 設計方案

2.1 Wi-Fi 6 技術優勢

Wi-Fi聯盟于2018年10月正式確立802.11ax標準，并將其命名為Wi-Fi 6。與以前的Wi-Fi 標準相比，Wi-Fi 6 采用多用戶多入多出技術（MU-MIMO）和正交頻分多址（OFDMA）[2]，提升QAM 調制階數，使網絡速度和容量最大化，最大理論速率達600～9607Mbps。同時，使用BSS 著色技術，減少網絡同頻干擾，可以提高采用服務多設備能力；采用TWT[3]技術，協調終端與路由的通信時間，有效拓展Wi-Fi 的應用場景。最后Wi-Fi 6 支持192 位WPA 3 安全協議[4-5]，有效提升安全性。綜合來說，Wi-Fi 6 擁有更高的網絡傳輸速度，更好的多設備連接性能，尤其是多設備連接性能可明顯提升網絡的使用體驗。同時Wi-Fi 支持2.4GHz 和5GHz 2 個頻段，向下兼容a/b/g/n/ac，最高帶寬為2.4Gbps。

2.2 無線組網方案

Wi-Fi 6 無線網絡組網采用Mesh 方式，Mesh 網絡即無線網格網絡，是多跳（multi-hop）網絡。在典型組網中，在每列列車的車頭和車尾各部署一個車載專用的AP，與軌旁地面的AP 間通過無線Mesh 方式對接，實現車地網絡間的快速漫游切換。

采用Mesh 組網的優點如下。

2.2.1 多鏈路并存，相互間冗余備份

同一臺車載AP 同時與多個軌旁AP 分別建立Mesh 鏈路，各鏈路間可相互做冗余備份，以提供高可靠性。

2.2.2 使用最優動態鏈路回傳數據

車輛移動時，車載AP 不斷地評估各條鏈路的質量，動態刪除質量變差的鏈路，并跟前進方向上信號滿足條件的軌旁AP 建立新的鏈路；同時通過切換算法使數據回傳鏈路使用質量最優的鏈路，即通過最優鏈路的變更實現回傳通道的切換。

2.2.3 先建鏈后切換

車載AP 在發生切換時不需臨時建鏈，只需將數據回傳通道切到已建好的鏈路上即可，即軟切換，避免因先拆鏈后建鏈實現切換而帶來巨大時間損耗。

2.2.4 切換過程“雙收單發”

實際切換發生時，數據傳輸通道從老鏈路切換到新鏈路上，但在一段時間內切換的老鏈路仍保持激活狀態，車載AP 仍能接收老鏈路上發來的數據；車載AP 此時處于雙收單發狀態，仍能接收到老鏈路上的殘余數據，不會丟失，理論上實現了切換過程中的“0丟包”。

2.3 信道規劃方案

Wi-Fi 6 網絡支持2.4GHz 和5GHz 雙頻段通信，在軌道交通車地通信領域，為獲取更高的無線帶寬，建議選擇5GHz 頻段作為工作頻段。智慧城軌因無線業務數據量大，Wi-Fi 6 采用5GHz 頻段具有以下特點。

2.3.1 擁有更多頻譜資源

我國2.4GHz 頻段僅可劃分3 個不重疊20MHz 信道，而5GHz 頻段有13 個不重疊20MHz 信道。

2.3.2 可提供更大的頻寬

2.4 GHz 頻段有且僅能支持1 個40MHz 信道，而5GHz 頻段則 可 支持3 個80MHz 信道。

2.3.3 具備更干凈的電磁環境

當前2.4GHz 信道的使用率極高，2.4GHz 相比于5GHz 干擾嚴重。

2.4 AP 覆蓋方案

2.4.1 AP 覆蓋距離

軌道交通環境中Wi-Fi 6 軌旁和車載AP 均采用MIMO 為4×4 設備，因列車為運動狀態，一般按2×2的MIMO 建鏈。據智慧城軌無線業務需求，列車運行過程車地間的單鏈路帶寬應滿足均值200Mbps。考慮在運行中移動時，AP 性能相比靜態時帶寬損失約40%，即靜態時數據速率需達200Mbps/0.6=333Mbps。在Mesh 算法中，空口通信的有效數據占比約60%，因此需保障物理層數據速率達333Mbps/0.6=555Mbps。同時，信噪比是度量通信系統通信質量可靠性的一個主要技術指標，信噪比越大，說明信號中攜帶噪聲信號越小，從而對信號傳輸的影響越小。表1 為不同MCS 在一定頻寬下對應的信噪比。據圖1 可知，如AP 頻寬80MHz，建鏈滿足MCS7 時，信噪比應不低于31dB。SNR=10lg（PS/PN），底噪通常為-90dBm，即有效信號功率高于-59dBm。由此可知，Wi-Fi 6 無線網絡規劃時，需保證邊緣場強高于-59dBm。

表1 信號強度裕量表

圖1 WLAN 的SNR 表

按照邊緣場強-59dBm 規劃時，還需考慮一定無線信號強度的裕量，其中：

信號強度裕量=（軌旁AP 發射功率+軌旁天線增益-空間衰減-線纜衰減-玻璃衰減+車載天線增益）-邊緣場強（1）

因此，在AP 布置間距在150m、180m、200m、300m信號強度裕量見表1。

因此，為保證Wi-Fi 6 無線通信信號的穩定，考慮預留6～10dB 信號強度裕量，推薦選擇AP 的間距為150～200m。因軌道交通線路存在一定的曲線，針對不同場景下，不同曲線半徑AP 間距的推薦距離見表2。

表2 不同曲線半徑下AP 間距表

2.4.2 AP 天線布置

在軌道交通中，AP 設備和AP 天線一般布置在線路的外側，AP 天線采用定向天線。針對軌道交通線路不同的場景，在軌旁布置天線時，應注意天線安裝的方向角。

（1）直線場景：天線方向角需要平行于軌道線路（見圖2）。

圖2 直線段AP 天線安裝示意圖

（2）彎道場景：天線覆蓋方向需要偏向軌道1～2°左右，同時天線不能靠隧道壁太近（見圖3）。

圖3 曲線段AP 天線隧道安裝示意圖

偏離角度可通過彎折L 型安裝件實現，高架段則可通過旋轉天線抱箍實現（見圖4）。

圖4 曲線段AP 天線高架段安裝示意圖

（3）折返線場景：建議天線部署在并行區域的兩端，覆蓋到折返線內（見圖5）。

圖5 折返線AP 天線安裝示意圖

2.5 可靠性設計

為提高Wi-Fi 6 無線網絡的可靠性，系統采用Mesh 快速切換技術。列車車頭與車尾AP 的Mesh 鏈路采用主備模式，如以車頭Mesh 鏈路為主，所有智慧城軌無線業務都優先通過車頭AP 回傳。當主鏈路異常時，所有業務快速切換至車尾Mesh 鏈路（需車載工業交換機配合支持），具體實現過程如圖6 所示。

圖6 Mesh 機制示意圖

2.5.1 軌旁AP 每隔一段距離部署一個AP，每個AP 外接2 根定向天線，使用不同頻點的5G 頻段指向相反方向。

2.5.2 列車車頭和車尾各部署一個AP（車頭車尾分別使用不同的5G 頻點，與軌旁AP 使用的頻點對應），2 個AP 天線方向分別與軌旁AP 的2 根天線實現對接。

3 QoS 業務保障

Wi-Fi 6 通過一定的QoS 措施，保障無線業務的服務質量，主要包括：

其一，采用快速漫游切換技術與切換過程中的“雙收單發”，滿足智慧城軌無線業務傳輸的低時延與低丟包率要求。

其二，智慧乘客服務車載PIS 業務是一種組播業務。所有的車載多媒體設備需要被加入一個組播組，因AP 鏈接活躍鏈路需隨著列車運行不停地切換，切換中只有軌旁AP 和車載AP 能感知到活躍鏈路切換，而其他地面設備無法感知鏈路切換，致使組播流無法正確轉發。此時，車載AP 和軌旁AP 通過IGMP Snooping 功能，建立與更新二層組播轉發表，實現業務組播流轉發，以保障PIS 業務正常使用。

其三，在智慧城軌多種業務共存情況下，可根據無線業務的重要性，在網絡中設置不同的優先級，保障重要業務傳輸，如設置智能列車運行業務的優先級高于其他業務。

4 結語

Wi-Fi6 承載智慧城軌車地業務傳輸具有良好的適應性，采用Mesh 方式組網保障了業務傳輸的可靠性，根據不同地理環境合理布置AP 間距和天線確保了業務帶寬。隨著技術發展演進，應探索和研究下一代Wi-Fi7 技術在智慧城軌領域的應用。