摘  要 从网络结构、系统组成、链路分析、无线传播模型分析、越区切换设计等方面，阐述无线局域网在地铁应用的可行性，以及对地铁通信发展产生的作用。

关键词 地铁; 无线视频传输系统; 无线局域网; 无线基站; 网络; 越区切换

 

      无线局域网技术是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，其可移动性、使用方便等优点越来越受到人们的欢迎。在天津地铁 2、3 号线的建设中，采用无线局域网技术( 在地铁应用中被称为“车地无线视频传输系统”) 来完成车地间视频、数据、控制信号的传输。由于控制中心可调用观看某一列车的车内图像，同时司机室可观看停靠站台的视频图像，所以车地无线视频传输系统必须在一定的移动速度下( 天津地铁 2、3号线列车运行速度 80 km/h) 、用一定的带宽( 设计为 2路图像信号，要求不小于 12 Mbit/s) 来传输视频信息。下面就从网络结构、链路分析等方面，讨论无线局域网系统是否满足使用条件。

 

      车地无线双向数据传输网络采用无线基站( AP)架构组网方案，主要组成包括无线管理交换机、无线管理工作站、铺设在轨旁的 AP 以及车载交换机等部分，如图 1 所示。

      在控制中心，分别设置无线视频传输网的网络管理设备和服务器，完成管理和控制无线传输网的工作。无线基站与无线管理控制器之间通过有线网络进行互联，同时在保证802． 11 安全的前提下采用集中控制分布式转发，即针对车载网桥( 相对于轨旁网络是一个用户端) 的安全密钥协商与无线管理交换机进行，具体的业务流( 媒体流) 使用本地转发的模式。无线系统采用集中管理，更有利于实现在全线范围内无线双向传输网的部署和管理，可实时且无缝地完成车 地间的图像和数据传递，而采用分布式的业务转发则大大提高业务的处理能力。在工程实践中，集中式管理和分布式转发的处理方式更适用于大规模的无线系统。

      轨旁 AP 在直线隧道一般每间隔 200 m 布设 1 个，在弯道或地面则根据实际每间隔 50、100 m 布设 1 个。AP 采用定向天线，若某台 AP 出现故障，相邻 AP 就会感知到，并通过加大功率覆盖故障 AP 所在的区域，同样车载 AP 也采用定向天线。

      在车载局域网络中，车载无线 AP 将从车头和车尾接到的无线视频传输到系统的工业以太网交换机上，列车内的电视监控系统和旅客信息系统通过各自的车载交换机实现互联。车载无线网桥提供移动列车与轨旁 AP 的实时无缝连接，用以实现车载视频设备( 含监控设备) 与控制中心和车站的连接。

      在每列车的车头、车尾，各设置 1 套车载数据控制器和车载无线单元; 在 2 套车载数据控制器之间，利用工业以太网交换机，构建贯穿整节列车的百兆以太网来进行连接。

      在地铁列车车头、车尾，分别安装 1 台 8 端口工业以太网交换机 Omate6000 8E，与车辆提供的 M12 以太网接口构成列车内的小型局域网，为车载信息显示及车载图像监控提供传输通道。车载局域网采用链网结构，在车头、车尾设置 2 套独立的无线接收装置，保证在局域网发生断点故障时能顺利切换。

 

      电视监控系统和旅客信息系统要求无线传输网络提供不小于 12 Mbit/s 的有效带宽。

      1) 无线视频传输系统下传。1 路 6 Mbit / s 的 PIS视频流，由控制中心经车站至分布式数据接入交换单元，通过无线信号传至列车; 4 路 1 Mbit/s 的监控流，从车站站台摄像机经车站交换机至分布式数据接入交换单元，通过无线信号传至列车。

      2) 无线视频传输系统上传。2 路 1 Mbit / s 的监控流，从列车通过无线信号至分布式数据接入交换单元，再经车站上传至控制中心。

      综上分析，无线视频传输系统的上、下行带宽最小为 12 Mbit/s。

 

      就电波空间的传播损耗来说，2． 4 GHz 频段电磁波的近似路径传播损耗( P_l) 为

P_l= 46 + 10n·lg D

式中: D 为传播路径，m; n 为衰减因子。

      对不同的无线环境，衰减因子 n 的取值有所不同，在自由空间中，路径衰减与距离的平方成正比，即衰减因子为 2。在建筑物内，距离对路径损耗的影响将明显大于自由空间。一般来说，对于全开放环境下，n 的取值为 2．0 ～2．5; 对于隧道空间，n 的取值为 1． 8 ～2． 0。

      针对隧道空间，n 的取值采用 2． 0( 具体在实际工程中折合多少，还要根据实际测试情况再确定) ，这样150 m 的路径传播损耗 P_l= 96 dB。从无线网络规划的角度出发，一般情况下，无线链路预算时会预留 10 dB的富裕度。参数设置: 预留富裕度为 10 dB，连接器损耗为 0． 5 dB，功分器损耗为3 dB，馈线损耗( 轨旁10 m，车载 5 m) 为 2 dB，假定玻璃钢( 车载天线前的障碍物)的损耗为 6 dB，轨旁 AP 发射功率为 18 dB( m) ，轨旁天线增益为 15 dB( i) ，车载 AP 的发射功率为 18 dB( m) ，车载天线增益为 9 dB( i) 。

      150 m 处的信号强度为: 轨旁 AP 发射功率 + 轨旁天线增益 + 车载天线增益 － 连接器损耗 × 6 － 功分器损耗 － 馈线损耗 － 玻璃的损耗 － 预留富裕度 － P_l=18 + 15 + 9 － 0． 5 × 6 － 3 － 2 － 6 － 10 － 96 = － 78。AP的接收灵敏度: 36 Mbit/s，－79 dB( m) 。

      这样，在 150 m 处的空口速率为 36 Mbit/s。根据经验值，此时的带宽为 18 Mbit/s，满足业务系统要求的12 Mbit / s 且留有一定的富裕度。

 

      由于无线网络承载的是视频信号，视频显示不能出现明显的断点、失帧、抖动、马赛克等，故要求列车即使在高速运行下也要保持无线链路不能中断。当车载AP 从一个轨旁 AP 的覆盖范围移动到下一个轨旁 AP的覆盖范围时，将发生切换。小区之间的无线切换操作是自动的，并且对于列车操作来说是透明的。

      通常，越区切换时间在 500 ms 到 2 s 之间( 包括重新鉴权和其他以安全为目的额外开销) 。在切换期间，车载 AP 可能与轨旁 AP 失去连接( 即通信中断) ，这对于列 车 运 行 ( 特别是高速列车运行) 是 不 能 接 受的。为达到零切换时间，避免切换过程中任何可能的数据丢失，可以采用无线局域网基于预测的切换技 术 ( WHFT 算法) ，如图 3 所示。

      WHFT 算 法允许 车 载 AP 在与旧 AP( 如 AP_n)脱 离 前 与 新 AP( 如 AP_{n + 1}) 建 立连接，即在中断前连 接 ( connection-before-break) ，再加上相邻 AP 彼此重叠足够的区域，就能够实现零切换时间。也就是说，所有与切换有关的处理在列车运行的相邻 AP 重叠区域内都会完成，而重叠区域的大小应该按照列车全速运行来设计，最快切换时延可以小于 5 ms，从而做到零丢包切换。

 

      列车在区间运行时，司机室控制终端显示列车车厢内的图像，停靠车站站台时需自动切换到站台图像，切换过程为: 设在中心的车辆信号处理服务器根据数据库的动态车次列表及进出站信息，得到停靠在车站的车辆 IP 地址，再发送命令给车站，把调用所停靠车站相关站台的图像发到中心交换机，并发给无线局域网系统的中心交换机，由此设备将该信号通过有线方式传送给相应的 AP，再上传给与该 IP 地址相匹配的车辆司机室的控制终端。此时，车辆司机室可实现图像自动切换至站台图像的功能。

      车辆离开车站后，车辆信号处理服务器通过数据库的动态车次列表及进出站信息来得知该车情况，发出停止调用图像命令给车站，切断数字视频信号的传输。此时，车辆司机室控制终端可实现自动切回车载图像的功能。

      通过以上方式，司机室控制终端显示，在列车停靠站时能自动切换到站台的图像，在列车离站后又能自动切回到车厢内的图像。