行业要闻

 

【摘   要】研究目的:城市轨道交通系统的运营管理愈来愈注重对乘客的各种信息服务,所以,与地铁乘客信息相关的乘客信息系统摆在了地铁工程建设的重要位置。通过研究和探讨,并结合当前地铁的应用特点,提出可选择适合地铁乘客信息系统中的车地无线技术。

      研究结论:通过对WLAN、WMi AX、Mesh 3种传输技术的研究分析和比选,采用WLAN无线局域网技术,即可实现地铁列车与地之间的双向高速通信,也可满足列车在高速运行状态下的数据传输要求,是目前技术条件下兼具先进性、实用性及可靠性的一种地铁车地无线实时多媒体信息传输方式。

【关键词】地铁;乘客信息系统;无线局域网;技术探讨

 

      作为高速移动体的地铁列车,目前的乘客信息服务(如广播、列车运行信息显示牌等)系统已经难以满足乘客对获得综合、实时信息(如运营服务信息、公共资讯信息、新闻娱乐信息、地铁事故以及应急疏散的声音、图像引导等)的需求。同时,将地铁的宽带多媒体传输技术应用于分布式数字播控网络,不仅可进一步提高地铁的安全监控水平,也可提高对乘客的服务质量,为提供优质信息服务搭建一个崭新的平台。

1、乘客信息系统概述

      乘客信息系统(PIS)是依托多媒体网络技术,以计算机技术为核心,以地铁车站和车载显示终端为媒介向乘客提供信息服务的系统。

      乘客信息系统在正常情况下,提供乘车须知、服务时间、列车到发时间、列车时刻表、运营公告、政府公告、出行参考、股票信息、媒体新闻、赛事直播、广告等实时动态的多媒体信息;在火灾、阻塞及恐怖袭击等非正常情况下,提供动态紧急疏散提示。

      地铁乘客信息系统主要由控制中心子系统、车站子系统、车载子系统及网络子系统构成。其网络子系统主要包括有线网络子系统和无线网络子系统。有线网络子系统是为PIS提供网络通道,该通道用来传输从中心到各车站,各车站至隧道区间接入点(AP)的各种数据信息、视频信息和控制信息。无线网络子系统为PIS提供车地传输通道,该通道用来传输从地面至列车的各种数据信息、视频信息和控制信息。下面本文对地铁中用到的几种无线技术进行分析与探讨。

2、既有无线技术的特点

      目前,可用于地铁宽带多媒体传输技术的主要有WLAN、WMi AX、Mesh技术。

2. 1 WLAN技术

      无线局域网(WLAN)的主要标准是IEEE 802. 11,它包括IEEE802. 11b、IEEE802. 11a和IEEE802. 11g3种。

      802.11b通常也被称为Wi-Fi(Wireless Fidelity),工作在2. 4GHz频段,可支持最高11Mb/s的共享接入速率;802.11a工作在5.8GHz频段,其速率高达54Mb/s,分频采用OFDM(正交频分复用)技术,但最高速率的无障碍接入距离降到30 ~50 m; 802. 11g也采用OFDM技术,与802. 11a一样可支持最高54 Mb/s的速率,同时它工作在2. 4 GHz频段,因此,可以做到与802.11b兼容,而最高速率是802. 11b的5倍。802.11b、802. 11a、802. 11g的比较如表1所示。

2. 2 W Mi AX技术

      微波接入全球互通(WMi AX)是一种新兴的无线宽带接入技术,该技术以IEEE802. 16的系列宽频无线标准为基础。IEEE802. 16标准是为在各种传播环境(包括视距、近视距和非视距)中获得最优性能而设计的,是在IEEE802. 11之后开发出来的具有大带宽、广覆盖、可移动、非视距传输等优势无线传输技术,即使在链路状况最差的情况下,也能提供可靠的服务。WMi AX技术采用OFDM调制方式,可在2~40 km的通信距离范围内支持高频谱效率,在一个射频内速率可高达75Mb/s,可采用先进的网络拓扑(网状网)和天线技术(波束成形、STC、天线分集)进一步加强覆盖。这些先进技术也可用来提高频谱效率、容量、复用及每射频信道的平均与峰值吞吐量,具有支持较长距离传输和处理多径或反射的能力。WMi AX技术提供在移动速度为250 km/s的情况下支持16 Mb/s的无线固定带宽(上下行各8Mb/s),越区切换采用软切换方式,时延小于50 ms,空间波传输距离在7. 5 km。

2. 3 M esh技术

      Mesh技术也称对等网络技术,其关键技术是正交分割多址接入(QDMA)技术。QDMA采用直接序列扩频(DSSS)技术,是工作在2. 4 GHz ISM II频段的专网技术。QDMA无线技术可支持高扩展性的广域移动宽带网络,采用多信道MAC结构,在4个独立的、无干扰的20MHz带宽的信道中收发信息。其中一个信道被指定为控制信道,承载着用于调整用户信息流量的信令信息、网络管理信息及定位信息等,另外3个信道用于承载用户的数据。无线收发设备可为每个数据包选择最好的数据传输信道,由于每个无线收发设备可以动态选择使用多个数据信道,所以当不同的设备相互靠近时,可以同时进行通信,这一特点优化了网络中的数据传输密度和频谱利用率。多信道工作使每个无线设备能够减轻和预先处理由本系统和其它工作在2. 4 GHz频段的设备所引起的干扰。

      QDMA在无线系统中集成了定位技术。通过获取与相邻设备间的传输时间和三角测量信息,可以演算出位置信息,而无需借助于GPS设备。在建筑物内部、峡谷及隧道等GPS无法工作的地方,均可获得精确的定位信息。QDMA移动宽带无线技术具有广域移动通信所必需的更强的纠错能力,不仅使得网络的最大突发数据率达到6Mb/s,而且提高了移动用户的有效通信范围,在使用全向天线时可达到1英里(1.6 km)的传输距离,支持低时延及用户移动速度超过402 km/h的端对端的IP连接。

3、地铁应用特点分析

3. 1 车载子系统功能

      车载子系统通过采用先进的无线视频传输技术,实现列车与地面之间的双向高速实时通信。列车两端司机室设置功能相同的车载设备,以双机热备方式运行,当一台出现故障时,另一台能够及时接管系统,系统仍能正常运行,且不会导致丢帧、马赛克等播出质量的下降。

      当车载设备遇到电源中断而系统停止运行时,能够实现在供电恢复后,车载系统自动重启。车载子系统的重启操作均可记录日志。

      控制中心发送的实时信息(包括视频、文字、图形)通过车载无线单元设备接收下载后,经视频播放控制器处理并沿着车载数据传输线路传至列车车厢LCD显示屏显示播放。

      一旦无线传输单元出现故障,能够播放列车预制信息,如DVD、VCD等。

      车载子系统具有同一传送内容的断点续传功能,能实现运行列车通过车地无线传输网及时有序接收信息内容,而不破坏内容的完整性和数据质量。

3.1.1 PIS信息的接收、下载、播放

      车载子系统能实现实时播放功能。车载设备通过接收无线传输的信息经处理后实时地在列车乘客室LCD显示屏进行播放。

      车载子系统可实现准实时播放功能。列车在车站停靠时,与地面进行高速数据交换,实现车载LCD播放数据的预存储和准实时播放的功能。

      系统可实现录播的功能。系统在当天运营结束后,将第2天需要播放的内容传送到车上进行预存储,并能够在运行过程中利用富余无线带宽传送预制内容,列车根据控制中心下发的节目表和节目内容自行组织播放。

      系统还可实现上述3种方式(实时、准实时、录播)的自动转换和交叉应用的功能。例如以实时方式为主,在线路设备被盗或干扰严重的情况下,自动识别并切换到准实时方式;或者以录播方式为主,采用实时或准实时方式实现插播;或者视频采用录播方式,文本、图片采用实时方式等。

3.1.2 车载视频监视及监视信息的记录、上传

      车载视频监视系统能够实现控制中心对列车的视频监视功能。通过摄像机采集运营中列车车厢内乘客乘车情况的视频信息,在车厢内经硬件编码压缩后,发给司机室网络交换机,一是根据需要经车地无线系统实时地传送到控制中心显示,二是将视频数据记录在硬盘录像机上,同时进行解码处理后,在司机室显示监视图像。

      同时上传控制中心的监视信息,每列车不少于2路,同时支持轮巡、中心指定等方式选择上传的监视图像。

3. 2 无线带宽需求计算

      根据车载乘客信息系统的功能,要求移动的列车与地面之间具有实时数据传输的能力,在列车高速运行下,应保证图像清晰,不出现马赛克和中断等现象,无线通信系统应能支持快速移动通信及漫游切换。

      按照一个区间1辆列车接收1路中心下发的信息,保证D1(720* 576)的图像质量,每列车上传2路图像信息,采用MPEG -2编码方式,需要带宽约12Mb/s;按MPEG-4编码方式,需要的带宽约2Mb/s。在列车高速运行的情况下,要求保证图象显示质量、不出现马赛克和中断现象,车地无线系统应具备支持快速移动通信的功能。目前全国大部分地铁的行车速度设计为80 km/h。当视频直播选用4~8Mb/s码流的视频,地铁车地无线传输的数据带宽应按以下条件进行计算。

      (1) 视频信息(重传技术增加10% ):需要带宽4~8Mb/s×110% =4. 4~8. 8Mb/s(传输方向:地面向列车传输);

      (2) 4路监控信息:需要带宽0. 6Mb/s×4 =2. 4Mb/s(传输方向:列车向运营控制中心传输);

      (3) 站台视频下载:需要带宽1Mb/s(传输方向:站台向列车传输);

      (4) PIS文本信息:需要带宽50 kb/s(传输方向:地面向列车传输);

      (5)控制信息:需要带宽50 kb/s(传输方向:车地双向传输)。

      因此,车地传输数据流量总计为7. 9~12. 3Mb/s,由此可知,在列车高速运行的情况下,保证无线网络的平均带宽大于15 Mb/s,即可满足地铁车地无线传输带宽要求,实现实时视频的传输。

4、无线技术的选择

      由前面对既有无线技术的特点分析可知,WLAN技术虽然在带宽上满足要求,但在移动体快速移动的情况下,系统需要很大的控制信息开销,需要克服由于移动带来的频移、衰落等。在空间波传输恶劣的情况下,有效带宽较低,同时系统容易受外来侵入,其安全性较低,空间波传输距离短,需要增加设备投入。

      WMi AX技术克服了WLAN技术的弱点,在高速移动的情况下保证有效带宽在16 Mb/s,系统的时延较小,空间波传输距离较远,可以降低设备的投资,由于采用空间加密技术(伪随机编码技术),系统的安全性较高。

      Mesh技术同样克服了WLAN技术的弱点,但在高速移动的情况下,只满足有效带宽2Mb/s,带宽较低,同时由于技术上部分采用专有化技术,没有形成通用的标准。表2是WLAN、WMi AX、Mesh 3种技术的情况比较。

      综上所述可以看出,目前WLAN技术已经相当成熟,设备终端丰富、接口简单、设备成本低廉、在地铁有成功应用案例;而WMi AX在技术和产品中有许多缺陷没有解决,比如其核心网络的标准至今仍在制定和完善中,空中接口标准也存在信令开销大的问题,由于目前尚未通过中国通信标准委员会审定,政府也还没有对其进行频率分配,技术开展比较缓慢;Mesh技术则是一种非常适合于覆盖大面积开放区域的无线区域网络解决方案。所以,目前可用于地铁的宽带多媒体传输技术还是主要推荐WLAN技术。

      从目前WLAN技术的使用情况来看,主要设备已从802. 11b、802. 11a发展到802. 11g。并且国外最近的一些类似的无线局域网项目和国内的地铁在这方面的试验都是采用802. 11标准。

      但是,目前国内城市5. 8GHz频段的使用,需要电信运营许可证,而2. 4GHz的频段作为ISM频点,如果使用要遵守中华人民共和国国家无线电管理委员会颁发的标准,同时产品拥有无线电管理委员会的核准证即可使用。因此,采用2. 4GHz频段的无线局域网是最为可行的。

      无线局域网技术的通信为瞬时单工方式,为了保证方案选择的灵活性,需要按照较高的规格选择配置无线局域网设备。由第3. 2节对无线带宽需求的计算可知,无线网络的平均带宽至少需要15 Mb/s,目前802. 11g的带宽理论上可达54Mb/s,所以可在地铁推荐使用802. 11g标准来构成车地无线传输系统。一旦802. 11g与其它无线技术的频段产生冲突,工作在5. 8 GHz频段的802. 11a标准可作为备选技术。

5、结论

      通过对WLAN、WMi AX、Mesh 3种技术的研究分析和比较可知,采用WLAN无线局域网技术,可以实现地铁列车与地之间的双向高速通信,也可满足列车在80 km/h运行状态下的数据传输要求。采用基于WLAN传输技术是目前技术条件下,兼具先进性、实用性及可靠性的成熟的地铁车地无线实时多媒体信息传输方式。

      当然,地铁PIS车地无线传输系统究竟采用何种技术,还应综合考虑地铁环境下其它资源的再利用等因素,同时由于目前地铁工程中信号系统的CBTC系统(基于通信的列车自动控制系统)大多采用WLAN技术,因此,在选用无线技术时还应避免与地铁信号系统采用相同的频段,以及避免和其它系统相互干扰。

 

[1] GB 50157—2003,地铁设计规范[S].

[2] YD /T 5120—2005,无线通信系统室内覆盖工程设计规范[S].

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