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摘要：

本文在分析比較幾個常用WLAN技術標準的不同特點的基礎上，通過分析地鐵乘客上網系統(以下簡稱MMIS)和列車自動控制系統(以下簡稱CBTC)的車地無線網絡組網結構、數據傳輸的帶寬需求以及車地均使用WLAN技術可能存在的問題，探討論證當MMIS的車地隧道采用802.11ac技術標準時，兩系統之間如何避免干擾。

關鍵詞：

地鐵乘客上網系統；列車自動控制系統；802.11ac；信道限定

一、基于802.11系列的WLAN技術概述

無線局域網（WLAN）是由IEEE802.11工作組規定的無線通信系統。IEEE的802.11工作組是無線局域網標準的開發組織之一,開發的主要標準是IEEE802.11。經過多年努力,IEEE802.11已經發展成一個系列標準,表1是常用的四個標準的主要技術參數。其中2.4GHz是一個開放的ISM(企業、科學和醫療)頻譜,只要其無線接入點(AP)的發射功率及帶外輻射滿足無線電管理機構的要求,則無需提出專門的申請即可使用此ISM頻段，而5.8GHz的頻譜需要向國家無線電管理委員會申請有償使用。1）802.11a工作在5.8GHz頻段，其速率高達54Mbps，分頻采用OFDM（正交頻分復用）技術，但最高速率的無障礙接入距離降到30~50米；2）802.11g也采用OFDM技術，與802.11a一樣可支持最高54Mbps的速率，同時它工作在2.4GHz頻段，因此可以做到802.11b兼容，而最高速率是802.11b的5倍；3）802.11n是2009年9月11日才由IEEE正式批準的無線標準，可以同時工作在2.4GHz、5.8GHz頻段，互不干擾；4）802.11ac是2010年開始使用的無線標準，兼容a/n，最高速率1.3Gbps。802.11n/802.11ac使用了多重輸入多重輸出（MIMO）天線陣列，借助多個發射和接收天線來提高數據傳輸率并大幅擴大覆蓋范圍，使WLAN速率及移動性得到極大提高。

二、MMIS系統與CBTC系統的比較分析

2.1MMIS車地無線組網與帶寬分析

2.1.1MMIS的無線網絡架構。地鐵網絡結構采用萬兆核心、千兆線路到站臺和車站隧道。車地無線雙向數據傳輸網絡采用無線基站（AP）架構組網方案，鋪設在軌旁的AP與車載AP橋接，車載AP下聯車載交換機，用于與列車覆蓋AP的數據傳輸。所有車廂、站臺進行無線覆蓋。根據信息系統的具體情況，在數據中心部署路由器、身份認證、全網安全管理、行為審計、流量檢控等系統，實現對網絡資源平臺的統一管理。如圖1所示。無線基站與無線管理控制器之間通過有線網絡進行互聯，同時在保證802.11安全的前提下采用集中控制分布式轉發，即針對車載網橋(相對于軌旁網絡是一個用戶端)的安全密鑰協商與無線管理交換機進行，具體的業務流（Internet訪問流量）使用本地轉發的模式。無線系統采用集中管理，更有利于實現在全線范圍內無線雙向傳輸網的部署和管理，而采用分布式的業務轉發則大大提高業務的處理能力。在工程實踐中，集中式管理和分布式轉發的處理方式更適用于大規模的無線系統。軌旁AP在直線隧道一般每間隔200m布設1個，在彎道或地面則根據實際每間隔50、100m布設1個。AP采用定向天線，同樣車載AP也采用定向天線。在車廂WLAN網絡覆蓋中，車載支持802.11AC的無線AP下聯交換機，用于鏈接和交換車廂AP傳輸數據，如圖2車廂WLAN組網示意圖所示。車載基于802.11AC的無線網橋提供移動列車與軌旁AP的實時無縫連接，用以實現列車乘客高效接入Internet網絡。

2.1.2MMIS的車地帶寬需求。地鐵建設WLAN網絡覆蓋，要吸引住乘客使用，單用戶的網絡帶寬需要保障，應比手機3G帶寬好或相當，滿足為乘客每人提供0.5-1Mbps的上網帶寬瀏覽多媒體內容的需求。目前，國內的地鐵車輛分為A、B、C三種車型。標準A型車車寬3米，車高3.8米，車體有效長度22.1米。標準B型車車寬2.8米，車高3.8米，車體有效長度19.8m。以一平方米可容納5人的空間計算，一節車廂可容納227或者331人。調查發現，在上海、廣州、深圳、南京，上下班高峰時期單節車廂可容納到700人。以深圳為例，車載比較密集，以每節車廂車載容量平均為300人，一輛列車8節車廂，可容納2400人。根據2014年的市場調研得出，現在互聯網企業投資建設的移動互聯網項目，會以終端滲透率：80%，WIFI功能占比：70%為模型設計。那么，以8節組列車為例，車廂容量分析模型為：每列車接入人數=滿載人數×終端滲透率×WIFI功能占比=2400*80%*70%=1344；根據表2的互聯網帶寬預測為模型1，以每用戶上互聯網的平均帶寬需求=（用戶的應用類型比例×應用的帶寬需求×忙時在線比例）/忙時系數為模型2，得出表3，即每用戶上互聯網的平均帶寬需求為460kbps。那么，以車廂每用戶接入帶寬約為：0.5Mbps，并發率：30%為模型參考值，列車車廂局域網帶寬=車廂每用戶接入帶寬×每列車接入人數×并發率=1344×0.5Mbps×30%=201.6Mbps。因此，當地鐵列車在高速運行過程中，車地橋接鏈路帶寬不低于201.6Mbps。基于802.11ac協議的WLAN，較之前WLAN最大的改進，就是千兆級別的WLAN帶寬。這主要是：1）在802.11n的單用戶多進多出（SU-MIMO）功能的基礎上，802.11ac網絡采用多用戶多進多出（MU-MIMO）是實現千兆級別的帶寬的關鍵。多用戶多進多出（MU-MIMO）允許一個AP同時發送唯一的數據到多個終端；2）802.11ac使用了正交頻分復用（OFDM）技術來調制數據比特在無線介質上傳輸；3）802.11ac在802.11n最多4路空間流的基礎上，增加到最多支持8路空間流，支持多個空間流是可選的；4）相對于802.11n支持20MHz和40MHz的頻寬，802.11ac被授予支持20MHz、40MHz和80MHz的頻寬。可選擇使用連續的160MHz頻帶，或者不連續的80+80MHz頻帶。因此，地鐵車地兩端覆蓋均支持802.11ac技術的終端設備，并且在多終端模式下，每個無線終端均可超過3路空間流。將160MHz頻帶或者不連續的80+80MHz頻帶的信道分成若干正交子信道，將高速數據信號通過采用天線矩陣技術（即M個天線）發送。采用編碼重用技術，將同樣碼集的每個碼重復使用M次，轉換成平行的低速子數據流，并調制到每個子信道上。采用空間復用技術以提高數據的傳輸速率，同時消除多徑干擾。

2.2CBTC無線組網與帶寬分析。基于通信的列車運行控制（CBTC）系統通過車載設備和軌旁設備不間斷的雙向通信，控制中心可以根據列車實時的速度和位置動態計算列車的最大制動距離，保證列車前后安全距離，兩個相鄰的移動閉塞分區能以很小的間隔同時前進，列車能以較高的速度和較小的間隔運行，從而提高運營效率。包含以下幾種主要功能：列車自動控制（ATC）:自動控制列車運行并保證列車運行安全和指揮調度列車的系統。列車自動防護（ATP）:列車自動控制系統的子系統，通過列車檢測、列車間隔控制和聯鎖等以“故障－安全”的方式實現對列車的沖撞、超速和其它危險狀況的防護。自動列車監控（ATS）:列車自動控制系統的子系統，可監控列車運行，并按時刻表對列車運行進行自動調整，為運行調整提供數據，使不正常運行所造成的乘客不便最小化。列車自動駕駛（ATO）:列車自動控制系統的子系統，實現列車的速度調整、程序停車、車門控制、運營等級調整等(選配非強制）。列車和地面之間的雙向數據傳輸是通過無線網絡進行，由于信號系統是涉及行車安全的系統，對安全性、可靠性和可用性要求都很高，一旦不能滿足要求，將會對運營造成嚴重的干擾。為保證信號系統無線通信的可靠性，通常采取雙網冗余的措施來提高系統車地成功通信的概率，且對信息傳輸的實時性、誤碼率、抗干擾方面等都有較高的要求。但其傳輸的信息量不是太大，對傳輸速率要求不是太高。基于WLAN的CBTC的組網架構模型如下：對于CBTC系統，由于信息編碼長度較短，數據包長度一般不會超過1000bits，信號系統廠商一般選擇40～100kbps的凈傳輸速率作為其系統必須保證的最低傳輸速率。列車控制信息和列車位置信息通常以200-500ms的周期發送，一個CBTC業務的吞吐量通常不超過1Mbps。

2.3MMIS與CBTC無線網絡比較與干擾分析

2.3.1MMIS與CBTC無線網絡比較。MMIS系統在軌道交通項目中的主要作用是為站臺、站廳以及行駛的列車內的乘客提供可隨時隨地接入互聯網的需求，為乘客帶來更多的方便，享受愉快旅途，體現以人為本的服務理念。即使車地無線網絡出現干擾甚至中斷,也不會對行車安全產生威脅。而信號系統作為軌道交通中的安全控制系統，任何干擾、中斷或者非法入侵都將直接影響到整個列車的行駛安全，因此信號系統對無線網絡的安全性和實時性要比MMIS系統高很多。表4給出MMIS和CBTC車地無線網絡系統在速率、安全性和實時性等方面的對比情況。

2.3.2車地組網干繞分析及解決方案。CBTC系統采用的組網技術是基于802.11b/g/n的2.4G頻段的技術，或者是基于802.11跳頻擴頻（FHSS）協議的無線局域網。跳頻擴頻技術（FHSS）工作在2.4GHzISM頻段。MMIS的車地系統設計采用802.11ac車地組網協議，相對于802.11b/g/n，802.11ac單獨運行在受其它設備干擾相對較少的5GHz頻段上。由于其他設備對無線資源更少的競爭，802.11ac的傳輸速度會大幅提升，同時遠離了信號系統的2.4GHz頻段，也很好地避免對現有地鐵應用系統造成干擾。

2.3.3車廂覆蓋組網干繞分析及解決方案。對MMIS系統需要考慮2.4GHz頻段車廂覆蓋的用戶終端接入，因為MMIS系統與CBTC系統一樣工作在2.4GHz頻段，需要協調頻點使用并解決與信號系統的無線信號干擾問題。如圖3所示,國內規定可以使用的2.4GHz頻段上只有3個不重疊的頻點。系統工作在這三個頻點上時，相互之間沒有干擾可以同時運行。為避免相鄰AP之間無線信號的同頻干擾，提高無線系統整體性能，構建CBTC系統使用3個不重疊的頻點中的1~2個頻點。例如：地鐵原系統的無線AP如使用頻點1或11,則MMIS系統的車廂覆蓋AP均工作在頻點6，同時CBTC系統在軌旁以及車載部分的AP均應采用小角度定向天線進行接收與發送。與全向天線不同，定向天線的發射角度較小，在隧道封閉環境中產生反射的情況大大減少，在一定程度上也能克服多徑干擾問題。同時，通過下面兩個策略再次保障信號系統的安全。1）設備的頻段校準。地鐵無線接入設備占用帶寬和頻譜受設計決定，不受制造和原材料個體差異影響。生產階段對射頻發射指標進行測試，包括發射功率、EVM、中心頻率精度三項指標進行全檢測試，并對生產的成品做抽檢校驗。2）設備信道鎖定。給地鐵的乘客上網設備提供固化信道的無線AP。例如CBTC使用的是1信道和13信道，只允許車廂覆蓋AP工作在2.4G僅有5-10信道，使1-4信道11-14信道無法選擇設置。同時實現Telnet配置進程vty、AC配置進程apmg都無法改變AP的所用信道。

三、結論

本文在分析比較幾個常用WLAN技術標準的不同特點的基礎上，通過分析地鐵乘客上網系統（MMIS）和列車自動控制系統（CBTC）的車地無線網絡組網結構、數據傳輸的帶寬需求以及車地均使用WLAN技術可能存在的問題，提出MMIS的車地隧道采用802.11ac技術標準，實現兩系統之間可避免干擾；以及提出當MMIS的車廂覆蓋系統采用802.11n技術標準時，MMIS系統需與CBTC系統頻點避讓，同時對MMIS系統的車廂覆蓋設備進行信道限定，可以實現CBTC系統不受干擾地穩定運行。

作者：劉焜 單位：武漢地鐵集團有限公司