IEEE 802.11n标准在地铁乘客信息系统中的应用
摘 要：当前IEEE802.11系列标准中工作在5 GHz频段的IEEE802.11a和工作在2.4G频段的IEEE802.11g在城市轨道交通乘客信息系统中已有广泛运用，但是随着更多新业务需求的增加，基于IEEE802.11a和IEEE802.11g标准的车地无线双向传输带宽已无法满足实际应用需求，为了实现高带宽、高质量的WLAN服务，使无线局域网达到以太网的性能水平，802.11n应运而生，IEEE 802.11n使用2.4 GHz频段和5 GHz频段，IEEE 802.11n标准的核心是多入多出（multiple-input multiple-output，MIMO）和OFDM技术,传输速度300Mbit/s，最高可达600 Mbit/s，可向下兼容IEEE 802.11b、IEEE 802.11g。
关键词 ：MIMO ；轨道交通 ；无线
1 研究背景、目的和意义
现代城市轨道交通已不仅仅是一项交通工具，而且已成为提供出行、广告、通信、购物、娱乐等多种服务的新型城市活动空间。随着技术的进步，各种服务功能将实现相互渗透、优势互补，共同为社会提供多样化的服务。
乘客信息系统（PIS）在地铁空间里建立起一个动态的信息系统，让乘客身处地下空间，仍然能够时刻保持与外部世界的信息交流，充分体现以人为本、以为乘客服务的宗旨，提高了地铁运营总体服务水平和服务质量。通过乘客信息系统提供的各类信息，使乘客安全、高效地在地铁中行走，使地铁车辆高效、安全地运营。同时，提高媒体宣传的利用率，提升社会经济收益水平。
当前 IEEE802.11 系列标准中工作在 5 GHz 频段的 IEEE802.11a 和工作在 2.4 G 频段的 IEEE802.11g 在城市轨道交通乘客信息系统中已有广泛运用，但是随着更多新业务需求的增加，基于 IEEE802.11a 和 IEEE802.11g 标准的车地无线双向传输带宽已无法满足实际应用需求，为了实现高带宽、高质量的 WLAN 服务，使无线局域网达到以太网的性能水平，802.11n 应运而生，IEEE 802.11n 使用 2.4 GHz 频段和 5 GHz 频段，IEEE 802.11n 标准的核心是 MIMO（multiple-input multiple-output，多入多出）和 OFDM 技术 , 传输速度 300 Mbit/s，最高可达 600 Mbit/s，可向下兼容 IEEE 802.11b、IEEE 802.11g。
通过对 IEEE802.11n 标准在地铁的应用研究，提出研究方案，并通过模拟试验提出实施建议，为地铁今后 PIS 系统的应用以及无线的规划和选择提供借鉴。
2 国内外现状
802.11n 标准在韩国首尔地铁首次应用外，其他应用案例大多集中在电信运营商，在我国城市轨道交通还没用应用和开通业绩。
3 主要研究内容
3.1 IEEE802.11n标准在城市轨道交通中的传输性能
IEEE802.11n 标准可支持行驶速度 80 km/h 的列车的通信。网络能以不小于 30 Mbit/s 的平均速率在列车和地面双向传输视频影像和其他业务数据，并能保证很小且稳定的延迟。
3.2 在地铁隧道和地面复杂干扰情况下的无线局域网组网技术
地铁 PIS 系统全线沿轨旁设置无线接入点和天线 ；在控制中心设置本线无线网络的无线控制器，管理和控制本线无线网络 ；在列车上设置车载无线客户端，以达到在全线范围内实时无缝的列车与地面间的图像和数据传递。
车地无线网作为有线局域网的延伸，提供了地面有线网络与列车的通信。无线控制器与轨旁 AP之间采用 FIT AP 架构，车载 AP 采用 FAT AP 架构。FIT AP 架构由无线控制器、轨旁 AP 组成，其中无线控制器集中设置在运营控制中心，对全线轨旁 AP 进行集中统一控制，在无线控制器可以完成轨旁 AP 的版本更新，配置下发以及单一命令的下发。车载 AP 与轨旁 AP 间采用 FAT AP 模式，主要考虑降低车载 AP 掉线再上线的时间间隔。减免车载 AP 与无线控制器进行连接，建立隧道到重新下发配置的环节。
3.3 抗干扰分析及技术实现
1) 环境模型
a．通用传输模型
地铁隧道类型多种多样，（横截面）有矩形、圆形、弓形等，不同形状、结构对无线信号传输有不同影响。对于部署无线传输系统，首先必须了解距离对无线信号传输所产生的衰减。
最好的方法是在真实环境逐段进行测试，这需要在一列车上安装无线客户端通过无线访问地面AP，这是一项非常费时的任务，且测试环境搭建困难。为解决这一难题，可采用无线网络规划软件事先对真实环境无线信号传输进行模拟。
b．三维光线跟踪模型
为获得隧道内更精确的无线传播信息，可使用另外一个模型 ：三维光线跟踪模型。该模型假定无线信号就象光线一样在隧道内壁、物体表面通过反射及衍射在隧道内传播，隧道内任一点的信号强度如下表一样就是各个方向所有反射、衍射光线能量在该点的总和。
如图 1 所示，接受点能量的大小取决于到达该点的光线路数、每路光线的强弱以及不同光线之间的相差。
如图 2 显示在 400 m 距离内，公式计算的场强低于趋势曲线的场强，400 m 以后两者非常接近。
2）干扰源及措施
干扰源及措施分析，如表 1 所示。
地面和隧道内发射设备的合理配置布署及实施方案。
根据以往经验及衰减计算 AP 布置间距遵循以下原则。
* 700 m 以下曲线半径每 150 m 布置一个 AP。
* 1 500 m 以下曲线半径每 200 m 布置一个 AP。
* 1 500 m以上及支线区段每230 m 布置一个 AP。
* 原则上最大布置间距不超过 250m。
隧道天线安装为垂直隧道壁或线路安装，如标明需要偏向线路时暂按 20°安装，单体调试时再进行调整。
隧道天线安装时应注意，天线辐射面前方 15 m应尽量保证没有其他设备遮挡，如实在无法保证，单体调试时再进行天线角度调整。
4 技术关键
1）IEEE802.11n 标准在地铁隧道和地面的无线传输要求
移动的列车与地面之间具有实时双向数据传输的能力，因此，无线网络系统满足以下要求 ：
* 车 - 地无线网络能通过组播方式实现控制 /临时中心到列车的信息下发，并能实现广播和寻址功能，将特定的信息发送给指定的一列或者几列列车。通过 6 Mbit/s 带宽的传输通道将 1 路标清数字视频信息传送给车辆。
* 实现将车辆客室监视信息实时及准实时上传至控制中心的功能。
* 无线传输网络满足系统功能需求的带宽，并留有需求带宽 25％以上的余量，且传输层双向平均有效带宽为 30 Mbit/s。
* 车 - 地无线网确保沿轨道线安装的无线接入点和在移动列车上的移动单元之间建立稳定、安全且能避免冲突的连接。
* 在列车高速运行时，不丢失连接和引起画面质量降低。在列车能与无线局域网接入点进行通信的地方都应进行全面的网络覆盖，包括正线、车辆段出入段线、停车列检库。
* 无线接入点和列车天线的设置保证列车始终存在可选的无线信号路径。无线设备具备完善的切换机制无缝切换至最合适的接入点，切换时间小于50 ms。
* 无线网络局域网的丢包率在 1% 以下。
5 技术创新点
对 CBTC 和 PIS 系统的相互干扰以及和其他无线系统的相互干扰问题提出解决方案，提高地铁安全生产的可靠性。提高无线传输带宽。
1）主要抗干扰措施
a．双频支持，避免与地铁信号等其他无线系统互相干扰
无线 AP 的双频支持特性（2.4 GHz，5 GHz），可根据信号系统采用的频率情况，选用完全互不干扰的频率进行无线覆盖，从而绝对保证信号系统的稳定、可靠。
b．异频信道布设，避免产生同频干扰
802.11n 2.4 GHz 包含 3 个完全不重叠信道，分别为 1、6、11。本系统中，PIS 轨道沿线节点AP 使用信道 6（信号专业使用 1、11），列车上的无线回程模块仅需交替扫描信道 6，既减少了扫描时间，提高切换速度，同时，相邻节点采用非重叠的信道有效的保证性能不受干扰的影响。
2）MIMO 天线的应用
MIMO 的优点是能够增加无线范围并提高性能。连接到老的 802.11g 接入点的 802.11n 站点能够以更高的速度连接到更远的距离。无线电发送的信号被反射时，会产生多份信号。每份信号都是一个空间流。使用单输入单输出（SISO）的当前或老系统一次只能发送或接收一个空间流。MIMO 允许多个天线同时发送和接收多个空间流。它允许天线同时传送和接收。
如图 3 可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用 MIMO 信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。利用MIMO 技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用 MIMO 信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO 信道提供的空间分集增益。
MIMO 是指一个系统在发送和接收端采用多个天线进行无线信号的收发，以提高通讯的性能。它是当今无线最热门的技术，无论是 LTE、WIMAX，还是 802.11n，都把 MIMO 列入射频的关键技术 。
MIMO 用 In×Out 来表示。对于当前的 11n 产品，AP 侧典型的是 3×3，网卡侧典型的是 2×2。
3）无线终端设备的高速移动漫游切换技术
考虑到地铁沿线的特殊条件和特征，采用WLAN IEEE802.11n 技术，应用先进的 AP 快速切换技术，真正实现了业界“零时间 AP 切换”的效果。
4）无线局域网数据传输安全技术
数据安全传输加密技术主要包括以下方面的内容 ：
支持 802.1x 认证 ：无线接入设备只有通过了802.1x 认证成功后，才能接入网络。
MAC 地址过滤 ：目前支持基于 MAC 地址的过滤，限制具有某种类型的 MAC 地址特征的终端才能进入网络中。
SSID 管理 ：是一种网络标识的方案，将网络进行一个逻辑化标识，对终端上发的报文都要求进行上带 SSID，如果没有 SSID 标识则不能进入网络。
WEP 加密 ：WEP 加密是一种静态加密的机制，通信双方具有一个共同的密钥，终端发送的空口信息报文必须使用共同的密钥进行加密。
支持 AES 加密，AES 安全机制是一种动态密钥管理机制，同时密钥生成也基于不对称密钥机制来实现的，同时密钥的管理也定期更新，具体的时间由系统可以设定，一般情况都设定为 5 min 左右，这样非法用户要想在 5 min 之内进行获取足够数量的报文进行匹配出密钥出来，从无线空口的流理来看，基本上是不可能的。
数据传输安全管理主要包括以下方面的内容 ：
* 采用定向小夹角天线减少电波覆盖的范围 ；
* 把不同类型的数据经由不同的 VLAN 进行传输 ；
* 在网络层建立 VPN 隧道，进一步提高经由无线传输信息的保密性、完整性和有效性。
6 推广应用前景分析
PIS 系统是目前国际和国内城市轨道交通的热点和亮点，而车地无线通信是 PIS 系统最需要关心的方面。该项目研究了 802.11n 标准在 PIS 系统中的无线传输性能，将在一段时期内为新线建设及旧线的改造起到规范及指导作用。
参考文献
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京公网安备 11010202007575号