摘  要 介绍 IEEE 802．11 无线局域网( WLAN) 的基本原理及特点，分析城市轨道交通行业乘客信息显示系统发展的趋势，阐述乘客信息显示系统的移动宽带传输子系统的设计理念( 包括覆盖设计、无线接入点切换、网络带宽、覆盖冗余实施措施、应用的标准和措施、设备防护、系统网管、数据安全入侵检测、覆盖范围限定、干扰及防干扰等方面) 、系统结构、链路结构; 结合这些分析成果，阐述 WLAN 技术在城市轨道交通乘客信息显示系统中应用的适用性。

关键词 地铁; 乘客信息显示系统; 无线局域网; 移动宽带传输网; IEEE 802．11g 标准

 

      地铁乘客信息显示系统 ( passenger information display system，PIDS) 是为乘客提供各种出行信息 ( 如乘客行车、地铁公益广告、安防反恐、运营紧急救灾、天气预报、新闻、交通信息等) 及实现列车视频监控的重要设施，是提高地铁运营管理及经营开发水平、扩大对乘客服务范围的有效工具。

      在当今城市轨道交通行业中，高速运行的地铁列车与地面控制中心实时地进行大流量数据通信尤显重要，已成为乘客信息显示系统发展的必然趋势。随着无线局域网( WLAN) 技术的应用日渐广泛，用户对数据传输速率的要求越来越高。IEEE 802． 11 WLAN 作为一种能支持较高数据传输速率的技术，在 2． 4 GHz频段使用正交频分复用( OFDM) 调制技术，使数据传输速率提高到20 Mbit/s 以上，因此被应用到城市轨道交通领域的 PIDS 系统。PIDS 系统通过在轨旁设置移动宽带传输网设备和天线，在分控中心设置移动宽带传输网的网络管理设备和服务器( 网络交换机与传输网络合用) ，管理和控制本线移动宽带传输网的工作;在区间设置无线网络的小型交换机( 简称“无线 AP”)及天线，以便在全线范围内实时、无缝地完成车地间的图像和数据传递。

 

      根据移动宽带传输网的无线 AP 及其天线的性能及现场的情况，合理地选择 AP 的位置，以保证移动宽带传输网的信号场强能够在全线无缝覆盖。根据理论的计算和工程经验，对于高架和地面段，大约间隔 300 m 铺设1 组 AP 设备; 对于直隧道段，大约间隔 300 m 铺设1 组 AP 设备; 对于弯曲的隧道段，大约间隔 50 ～ 150 m铺设 1 组 AP 设备; 平均铺设间隔约为 200 m。

      移动宽带传输网系统设计时充分考虑到了列车在高速情况下的切换问题( 车速为90 km/h) ，并采取有效措施减少切换时间，降低因切换带来的数据损失，以保证在车上的实时播放不中断( 切换时间少于 30 ms) ，且播放质量不受影响。另外，为保证系统的切换能平稳进行，设置在控制中心的无线管理交换机能同时管理一条线的所有 AP，使列车在一条线上运行时不会出现跨无线管理交换机的切换。

      提供移动宽带传输网的有效平均带宽达到14 Mbit/s，而且无线带宽具备 QoS 分级控制。在上述的网络带宽环境下，可以确保所传图像顺畅清晰，不出现画面中断或者跳播的现象。图像压缩编码不管是 MPEG-2 或MPEG-4，还是 H. 264 格式( 带宽为 2 ～ 10 Mbit / s) ，移动宽带传输网均可以实现透明传输，同时提供带宽足够满足视频直播( 下载) 和视频监控( 上传) 两种业务的并发传输。

      在布置 AP 时，充分考虑到了系统的可靠性，每个AP 的覆盖范围都保证有重叠区，使得个别 AP 和其他设备出现故障时，信号覆盖仍旧能够保证，系统仍旧能够正常工作。每个 AP 的输出功率满足国家规范的要求，每个AP 的输出功率不大于 100 mW，不使用高增益天线。

      移动宽带传输网遵循802. 11G标准，频段为2. 4 GHz，共有 13 个频点。移动宽带传输网可满足最基本的空中访问接口 SSID( 服务配置标识) ，实现最基本的加密措施 WEP( 有线等效保密) ，都属于 802. 11B标准的一部分，并包含于 802. 11G 标准。其他的处理及加密措施也遵循相关的国家标准和规定。

      隧道区间的 AP 机箱集成了 1 套无线 AP 设备、光纤收发器、光熔接盒以及电源模块，可同时达到 IP65的防护等级，完全适合在隧道区间的环境下使用。隧道的 AP 机箱靠在隧道壁安装，AP 天线则在满足隧道限界的条件下尽可能地靠近安装，以获得更好的信号覆盖效果。

      系统的无线设备均提供网管接口，分线控制中心的无线管理工作站通过专门的网管软件，能够随时监控到本系统每一个设备的工作状况。

      移动宽带传输网属于无线通信，由于其信号的空中传播特性，使得数据的截获以及网络的入侵均变得比有线网络容易得多，因此对移动宽带传输网的安全提出了更高的要求。

      为了能够检测到入侵操作，需要安装无线网络检测软件，以实现如下功能: 主动地监控接入点，检查连接到接入点的交换机的故障和性能; 迅速、方便地检测、定位和禁用由未经授权的不知情员工或者由外界入侵者( 恶意的) 放置的恶意接入点; 检测和定位射频电流( RF) 的干扰，主动地监控使用情况和故障，优化网络的性能。

      为了减少多径效应，提高无线接入的效率，需要安装定向天线，以限定覆盖范围。

      地铁隧道中存在多个系统，如信号系统、无线集群系统等。移动宽带传输网与这些系统之间存在相互干扰，另外也存在内部干扰，为此需要采取措施加以解决。

      1) 多路径干扰是发射信号被障碍物反射所致，解决的措施是: 设备采用 OFDM( 正交频分复用) 调制方式，应用直角频率多路传输分割复用技术，将无线通信传输信号分割成多个副载波进行传输。由于每个副载波只携带了很小一部分数据负载，所以 OFDM 技术就能利用更长的符号周期，使通信传输信号更不容易受到多径传输的干扰或其他外界的特殊干扰。

      试验证明，采用差异双天线时，如果一个天线处于信号无效点，则另一个天线不会处于信号无效点( 注: TX 的意思是transmit，传 送;RX 的 意 思 是receive，接收) ，如图1 所示。

      在多路径环境中，信号无效点( null point) 在该范围内到处存在。将天线做少许移动，天线就会移出信号无效点，且接收到正确的信号，因此第二个天线总能接收到信号。

      2) 加大 AP 的铺设密度，使得 AP 之间存在重叠范围。

      3) 将相邻的 AP 设置到独立的 3 个工作频段中，可大大减少相邻 AP 之间的干扰。

      4) 同频道干扰是其他同频 AP 或其他系统干扰造成的。如果是其他同频 AP 干扰造成的，则将其设置到独立的 3 个工作频段之一中去; 如果是其他系统干扰造成的，则尽可能降低其发射功率。

      5) 多普勒频移效应是车载设备高速运动所致。提供的无线设备采用 OFDM 调制方式，本身就适合在多普勒频移环境下传输数据。

      6) 无线网络的抗干扰能力是通过多级接收滤波器来实现的。

 

      移动宽带传输子系统结构如图 2 所示，各个设备之间的连接及实现方式如下:

      1) 无线管理交换机通过光纤以 1 000 Mbit / s 的带宽连接到分线交换机，无线服务器通过网线以1 000 Mbit / s 的带宽连接到分线交换机，无线管理工作站通过网线以 100 Mbit/s 的带宽连接到分线交换机。

      2) 车站交换机、车辆段交换机通过光缆，以1 000 Mbit / s 的带宽连接到分线交换机。

      3) 铺设在区间和车辆段中的无线 AP 设备与车站及车辆段交换机，以 100 Mbit/s 的带宽连接。为了实现远距离传输，中间经过 1 对光纤收发器( 光端机) 实现光电转换。

      4) 上行区间和下行区间单独铺设无线 AP，即上行区间中的无线 AP 和下行区间中的无线 AP 构成不同的无线网。