摘  要:研究目的:基于无线局域网技术( WLAN) 在城市轨道交通系统中的迅速发展，本文首先简单介绍并比较几个常用 WLAN 技术标准的不同特点，通过分析乘客信息系统( PIS) 和信号基于通信的列车自动控制系统( CBTC) 的车地无线网络组网结构及传输数据的特点，得出两个系统的网络带宽需求，并通过比较研究 PIS 和CBTC 系统车地无线网络特点，探讨 PIS 与 CBTC 在地铁隧道环境下使用 WLAN 技术可能存在的相关问题。

      研究结论:根据对 PIS 车地无线网络系统的带宽分析，PIS 只能采用 802． 11a 或 802． 11g 技术。当 PIS 系统采用 802． 11a 技术标准时，两系统之间可避免干扰，并且接口简单，工程实施性较容易; 采用 802． 11g 技术标准时，PIS 系统需与 CBTC 系统避让频点，增加了两系统在无线网络上的工程接口。同时，两系统的车地无线网络还应考虑其他无线网络的干扰。

关键词:乘客信息; CBTC; 无线局域网

 

      目前越来越多的城市轨道交通乘客信息系统( 简称 PIS 系统) 采用基于 WLAN 技术组建车地无线传输网络，车地无线传输网络作为覆盖全线车站、区间和车辆段的高速数据传输网络，为地铁列车和地面之间提供视频、数据、语音等信息的传输通道。而在国内目前在建轨道交通项目中，除了 PIS 系统需要采用 WLAN技术外，信号系统中基于通信的列车自动控制系统( 简称 CBTC 系统) 也大都采用 WLAN 技术，因此就需要避免两系统的无线网络在各种隧道环境中产生相互干扰以及其他系统对它们的影响。

 

      IEEE 的 802． 11 工作组是无线局域网标准的开发组织之一，开发的主要是 IEEE 802． 11 标准。经过多年努力，IEEE 802． 11 已经发展成为了一个系列标准，表1 是常用的四个标准的主要技术参数。其中 2． 4GHz 是一个开放的 ISM( 企业、科学和医疗) 频谱，只要其无线接入点( AP) 的发射功率及带外辐射满足无线电管理机构的要求，则无需提出专门的申请即可使用此 ISM 频段; 而 5． 8 GHz 的频谱需要向国家无线电管理委员会申请有偿使用。

 

      802． 11a 使用了 5． 8 GHz 的频谱，与 802． 11b 及802． 11g 不可兼容，使用的 5． 8 GHz 频谱干扰较少，可提供更多的非重叠频道，传输速度较高。

      802． 11b 及 802． 11g 都使用 2． 4 GHz 的频谱，可以互相兼容使用，较早时期，由于低成本的缘故，802． 11b标准最为普及。目前由于对速率的需求，基于802． 11g 标准的无线局域网最    多。

      802． 11n 是在 802． 11a / b / g 后新出现的一个无线传输标准协议，2009 年才获得 IEEE 的正式批准。802． 11n 可以同时工作在 2． 4 GHz 和 5． 8 GHz 频段而互不干扰。它 可 以 将 WLAN 的 传 输 速 率 由 目 前802． 11a / g 提 供 的 54Mbps 提 供 到 300 Mbps 甚 至600 Mbps。MIMO( 多入多出) 与 OFDM ( 正交频分复用) 技术相结合而应用的 MIMO OFDM 技术，不仅提高了无线传输质量，也使传输速率得到极大提升; 在覆盖范围方面，802． 11n 采用智能天线技术，通过多组独立天线组成的天线阵列，可以动态调整波束，保证让WLAN 用户接收到稳定的信号，并减少其它信号的干扰。因此 其 覆 盖 范 围 得 以 扩 大; 在 兼 容 性 方 面，802． 11n采用了软件无线电技术( SDR) ，由于 SDR 是一个完全可编程的硬件平台，使得不同系统的基站和终端都可以通过这一平台的不同软件实现互通和兼容，这使得 WLAN 的兼容性得到极大改善。这意味着WLAN 将不但能实现 802． 11n 向前后兼容，而且可以实现 WLAN 与无线广域网络的结合，比如 3G 网络。

 

      PIS 系统是依托多媒体网络技术，以计算机系统为核心，以车站和车载显示终端为媒介向乘客提供信息服务的系统。它不但可以地向乘客播放轨道交通列车到达预告、换乘信息及时间等与乘车有关的信息，还可以播放重要新闻、天气预报、广告等资讯信息。利用车地无线网络，PIS 系统还可实现对列车的实时视频监视，将列车驾驶室及车厢客室内的监控画面实时传送到控制中心，便于控制中心有关人员及时了解司机驾驶和客室内的乘客流量状况，提高运营管理水平及安全管理能力。

      轨道交通 PIS 系统车地无线网络组网结构如图 1所示。

      采用 WLAN 方式时，在隧道沿线布置无线 AP 设备，在车站设置交换机设备，在控制中心设置无线控制设备，列车上安装车载天线和无线接入设备。

      根据 PIS 车载子系统的功能，要求移动的列车与地面之间具有实时数据传输的能力，在列车高速运行时，应保证图像质量，不会出现马赛克、中断等现象，无线网络系统应能支持快速移动通信及漫游切换。其中，无线网络传输的数据主要分为车载视频播放信息和车载视频监控信息。

      每列列车接收来自控制中心下发的 1 路 MPEG －2 编码的标清数字视频信息，每路信息占用的带宽一般为 4 ～8 MHz，加上预留 10% 的视频重传技术，因此一般在 4 ～ 8 MHz × 110% = 4． 4 ～ 8． 8 MHz。除此之外，还包括 PIS 系统的文本信息和控制信息，一般在100 KHz 左右。因此车载视频播放信息所需带宽总共大约在 4． 5 ～8． 9 MHz。

      在区间运营中的每列列车要求上传 2 路 MPEG －4 编码的视频图像信息，每路占用的带宽约为 2 MHz，因此总带宽约为 2 ×2 MHz =4 MHz。

      由上述分析可得，PIS 系统在车地无线网络中所需要的总带宽至少应该在 13 MHz 以上。

      目前国内新建轨道交通项目中的 CBTC 系统采用的 WLAN 技术一般基于 802． 11b 或 802． 11g 标准，由于信号专业的特殊性，目前能够提供基于通信的移动闭塞的信号厂家采用的无线局域网标准不同，产品差别也较大。图 2 组网方式是其中采用以无线 AP 方式接入的组网结构，目前在地铁隧道中较多使用。

      CBTC 无线网络传输的主要数字信息有: 列车目的地码、车次号、本列车的定位信息、本列车的速度信息等。由于信息编码长度较短，数据包长度一般不会超过1 000 bits，信号系统供货商一般选择40 ～100 kbps的净传输速率作为其系统必须保证的最低传输速率。

      PIS 系统在轨道交通项目中的主要作用是提高乘客服务质量，提升服务满意度，体现以人为本，即使车地无线网络出现干扰甚至中断，也不会对行车安全产生威胁。而信号系统作为轨道交通中的安全控制系统，任何干扰、中断或者非法入侵都将直接影响到整个列车的行驶安全，因此信号系统对无线网络的安全性和实时性要比 PIS 系统高很多。表 2 给出 PIS 和CBTC 车地无线网络系统在速率、安全性和实时性等方面的对比情况。

      由于在轨道交通中信号系统的特殊性和重要性，PIS 系统一般采取两种方式规避与信号系统的冲突，一种是 PIS 采用工作在 5． 8 GHz 频段的 802． 11a 技术，另一种则是 PIS 采用 802． 11b/g 技术，并与信号系统的频点错开使用。目前这两种方式在轨道交通已建和在建的项目中均有使用。

      方式一: 采用 5． 8 GHz 频段的 802． 11a 技术，远离了信号系统的 2． 4 GHz 频段，单独设置一套 PIS 系统自己的车地无线网络，不会对信号系统产生干扰，同时也减少了与信号系统的接口问题，便于工程的实施。

      采用这种方式的优点是两系统之间的接口简单，工程实施性相对容易。缺点是5． 8 GHz 的频段需要向无线电管理委员会申请许可，每年需要交纳一定的频率使用费。

      方式二: 对 PIS 系统的车地无线网络带宽需求分析可知，802． 11b 无法满足 PIS 系统至少应该在13 MHz 以上的带宽需求，因此在轨道交通项目中通常采用 802． 11g 技术，与信号 CBTC 系统一样工作在2． 4 GHz 频段。

      采用这种方式的优点是不需要申请许可，技术相对成熟，缺点是增加了两系统之间工程接口的难度，需要协调频点使用并解决与信号系统的无线信号干扰问题。

      如图 3 所示，国内规定可以使用的 2． 4 GHz 频段上只有 3 个不重叠的频点。系统工作在这三个频点上时，相互之间没有干扰可以同时运行。

      为避免相邻 AP 之间无线信号的同频干扰，提高无线系统整体性能，构建 CBTC 无线系统时应采用按相邻 AP 设置不同信道的原则，即 CBTC 系统必须使用3 个不重叠的频点中的 2 个频点，此时，PIS 系统可采用的频点有以下两种情况:

      第一，PIS 占用 1 个频点的情况。

      此种模式下，CBTC 系统的无线 AP 如使用频点 1和 11( 其中一个频点工作，一个频点备份) ，则 PIS 系统的无线 AP 均工作在频点 6，同时在轨旁以及车载部分的 AP 均应采用小角度定向天线进行接收与发送。与全向天线不同，定向天线的发射角度较小，在隧道封闭环境中产生反射的情况大大较少，在一定程度上也能克服多径干扰问题。