天津地鐵1號(hào)線無(wú)線視頻傳輸系統(tǒng)研究

姜磊

（天津市地下鐵道運(yùn)營(yíng)有限公司，天津 300222）

1 研究背景

2006年6月，天津地鐵1號(hào)線正式開通試運(yùn)營(yíng)。2008年8月為配合北京奧運(yùn)會(huì)的安全召開地鐵公司在車廂內(nèi)加裝了相應(yīng)的電視監(jiān)視系統(tǒng)，但是根據(jù)實(shí)際需要，指揮行車的調(diào)度員無(wú)法在線實(shí)時(shí)觀看到列車內(nèi)的圖像信息，在車廂內(nèi)出現(xiàn)問題時(shí)無(wú)法第一時(shí)間掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，這就迫切要求天津地鐵1號(hào)線采取無(wú)線視頻傳輸技術(shù)將圖像傳送到控制中心，為指揮行車提供可靠的安全保障。

2 基于AP天線的WLAN性能方案

2.1 系統(tǒng)功能及軌旁AP布設(shè)策略

無(wú)線視頻傳輸系統(tǒng)即WLAN系統(tǒng)是實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)作為傳輸網(wǎng)絡(luò)的延伸，為天津地鐵1號(hào)線提供地面與列車之間的通信，無(wú)線視頻傳輸系統(tǒng)車地?zé)o線通信能夠保證列車在高速行駛的情況下，能夠以有效帶寬不低于10Mbps的速率在列車和運(yùn)營(yíng)控制中心服務(wù)器間雙向傳輸視頻影像，同時(shí)保證車載AP同軌旁AP切換時(shí)做到“0”丟包。

目前基于WLAN在隧道內(nèi)的覆蓋方式有兩種：一種是AP的信號(hào)通過漏纜進(jìn)行傳輸，還有一種是AP信號(hào)通過天線進(jìn)行無(wú)線傳播，本次研究的是采用信號(hào)通過天線進(jìn)行無(wú)線傳播的方式。在沿軌道設(shè)置無(wú)線接入點(diǎn)（AP）、設(shè)置控制中心的無(wú)線控制器，以及車載的無(wú)線單元和天線?？刂浦行臒o(wú)線控制器通過傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與軌道無(wú)線接入點(diǎn)相連，在列車上設(shè)置車載無(wú)線網(wǎng)橋，以達(dá)到在全線范圍內(nèi)實(shí)時(shí)無(wú)縫的列車與地面間的圖像和數(shù)據(jù)傳遞，并實(shí)現(xiàn)快速切換。

在區(qū)間和站臺(tái)根據(jù)無(wú)線信號(hào)覆蓋的要求設(shè)置分布式數(shù)據(jù)接入交換單元，實(shí)現(xiàn)與車載數(shù)據(jù)控制單元之間的無(wú)線數(shù)據(jù)通信。各軌旁AP通過光纖收發(fā)器，以100M光纖與車站交換機(jī)相連接，經(jīng)車站數(shù)據(jù)控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過通信傳輸系統(tǒng)提供的通道與控制中心連接。

2.2 無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

車地?zé)o線雙向數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)寬帶傳輸網(wǎng)重要組成部分，無(wú)線雙向數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用AP架構(gòu)組網(wǎng)方案，主要組成包括有無(wú)線管理交換機(jī)、無(wú)線管理工作站、鋪設(shè)在軌旁及車輛段的無(wú)線基站（AP）和天線、車載無(wú)線網(wǎng)橋及天線以及車載交換機(jī)等部分，方案符合WLAN 802.11a標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)線雙向數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線系統(tǒng)硬件包括有AP和無(wú)線管理交換機(jī)。無(wú)線管理交換機(jī)和AP之間不需直接互聯(lián)，可以透過IP網(wǎng)絡(luò)（可由交換機(jī)、路由器或其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成）互通。

軌旁AP在直線隧道一般每間隔200米布設(shè)一個(gè)，在彎道或地面根據(jù)實(shí)際情況采用每間隔50米、100米布設(shè)一個(gè)，AP采用定向天線，雙向無(wú)線雙向數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)為802.11a。

2.3 車載局域網(wǎng)

車載局域網(wǎng)絡(luò)由車載無(wú)線單元、車載交換機(jī)組成，車載視頻控制器、車載監(jiān)控設(shè)備等接入該網(wǎng)絡(luò)。車載無(wú)線單元提供移動(dòng)列車與軌旁AP的實(shí)時(shí)無(wú)縫連接，用以實(shí)現(xiàn)車載視頻設(shè)備與控制中心和車站的連接。車載交換機(jī)采用工業(yè)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)各節(jié)車廂互聯(lián)，每趟列車車頭車尾分別設(shè)置無(wú)線網(wǎng)橋，同軌旁AP實(shí)現(xiàn)互相冗余的車地?zé)o線通信。

在地鐵列車車頭、車尾分別安裝一臺(tái)10端口工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，與車輛提供的以太網(wǎng)接口構(gòu)成列車內(nèi)小型局域網(wǎng)，為車載信息顯示及車載圖像監(jiān)控提供傳輸通道。車載局域網(wǎng)采用鏈網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在車頭、車尾設(shè)置兩套獨(dú)立的無(wú)線接收裝置，保證在局域網(wǎng)發(fā)生斷點(diǎn)故障時(shí)順利切換。

3 技術(shù)難點(diǎn)分析

3.1 網(wǎng)絡(luò)鏈路分析

軌旁AP與車載AP之間無(wú)線使用802.11a用于覆蓋列車運(yùn)行沿線。12路1M監(jiān)控流，從列車通過無(wú)線信號(hào)至分布式數(shù)據(jù)接入交換單元再經(jīng)車站上傳至控制中心。同時(shí)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)必須提供滿足系統(tǒng)功能需求，并留有需求帶寬25%以上的冗余量，根據(jù)以上帶寬計(jì)算分析，總帶寬需求為 12Mbps＋3Mbps＝15Mbps，因此，車地?zé)o線雙向數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)必須提供15Mbps的有效帶寬。

3.2 越區(qū)切換要求

由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)承載的是視頻信號(hào)，視頻顯示不能出現(xiàn)明顯斷點(diǎn)、失幀、抖動(dòng)、馬賽克等，故要求列車即使在高速運(yùn)行下，也要保持無(wú)線鏈路不能中斷。當(dāng)車載AP從一個(gè)軌旁AP的覆蓋范圍移動(dòng)到下一個(gè)軌旁AP的覆蓋范圍時(shí)，將發(fā)生切換。小區(qū)之間的無(wú)線切換操作是自動(dòng)的，并且對(duì)于列車操作來說是透明的。

通常802.11a的越區(qū)切換時(shí)間在500ms到2s之間（包括重新鑒權(quán)和其他以安全為目的額外開銷），在切換期間，車載AP可能與軌旁AP失去連接（也就是說，通信中斷）。為達(dá)到零切換時(shí)間，采用WLAN基于預(yù)測(cè)的切換技術(shù)（簡(jiǎn)稱，WHFT）。WHFT算法與標(biāo)準(zhǔn)802.11a切換算法的不同在于：WHFT允許車載AP在與舊AP（如APn）脫離前與新AP（如APn+1）建立連接，即在中斷前連接。再加上相鄰AP彼此重疊足夠的區(qū)域，就能夠?qū)崿F(xiàn)零切換時(shí)間。所有與切換有關(guān)的處理，在列車運(yùn)行在相鄰AP重疊區(qū)域內(nèi)都會(huì)完成，而重疊區(qū)域的大小應(yīng)該按照列車全速運(yùn)行來設(shè)計(jì)，最快切換時(shí)延可以小于5ms，可以做到“0”丟包切換。

3.3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力分析

由于無(wú)線信號(hào)在傳播過程中會(huì)存在多個(gè)通過不同路徑到達(dá)接收點(diǎn)的信號(hào)分量，使得到達(dá)接收點(diǎn)的信號(hào)分量在相位和幅度上發(fā)生了變化。當(dāng)所有在接收點(diǎn)的信號(hào)分量疊加后，合成信號(hào)的幅度就會(huì)減小或增加，同時(shí)導(dǎo)致嚴(yán)重的符號(hào)間干擾，其結(jié)果是產(chǎn)生多徑衰落，造成通信的不穩(wěn)定。而地鐵沿線很容易產(chǎn)生多徑信道。IEEE 802.11a要求采用正交頻分復(fù)用（OFDM）的技術(shù)，將高速數(shù)據(jù)流分配到數(shù)十個(gè)相互正交的子載波上，而在每個(gè)子載波上是窄帶調(diào)制，使得信號(hào)傳輸對(duì)于多徑效應(yīng)具有選擇性衰落。其次，在高速移動(dòng)環(huán)境中，由于發(fā)送機(jī)與接收機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)的頻率偏移，出現(xiàn)誤碼。根據(jù)理論計(jì)算，2.4GHz的802.11a應(yīng)用頻段所引起的頻偏在±250Hz以內(nèi)，這就要求提供的系統(tǒng)頻率容量達(dá)到±1kHz即可正常使用。

結(jié)語(yǔ)

通過在地鐵隧道內(nèi)設(shè)置AP天線，在列車內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的交換設(shè)備，可以構(gòu)建成天津地鐵1號(hào)線無(wú)線視頻傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可用性。對(duì)于需要傳輸15M帶寬以及具有抗干擾能力的的需求，需要在軟件上采用正交頻分復(fù)用，確保系統(tǒng)的可靠性。

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