IEEE 802.11ax在城市軌道交通車地?zé)o線系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

姜 彬

（石家莊市軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)（PIS）車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)主要提供列車在區(qū)間隧道內(nèi)行駛時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸通道，使地鐵列車在高速運(yùn)行中保持與地面的不間斷通信，保證列車與地面之間信息的可靠傳輸。

近年來，視頻的高清化對城市軌道交通車地?zé)o線帶寬的需求在不斷增長，因此需要車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)提供足夠大的帶寬，以滿足視頻信息上傳或下載的要求。另外考慮到業(yè)務(wù)的發(fā)展，還需要預(yù)留列車客室內(nèi)公眾上網(wǎng)熱點(diǎn)覆蓋能力，以及不斷加入的新業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上傳或下發(fā)，這些方面都對車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)帶寬提出了新的挑戰(zhàn)。

1 PIS系統(tǒng)車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)帶寬需求分析

1.1 列車高清視頻播放信息

通過車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)，乘客信息系統(tǒng)將視頻、圖像、音頻等信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)搅熊囷@示屏上，在列車客室內(nèi)實(shí)時(shí)播放。每列車接收1路中心下發(fā)的直播信息，高清視頻下行傳輸速率約為4～8 Mbps，使用組播可降低帶寬需求，使傳輸時(shí)延小于300 ms。

1.2 緊急文本信息

緊急文本信息用于城市軌道交通路網(wǎng)異常情況下的乘客通知，可以在列車PIS系統(tǒng)的顯示終端上顯示，數(shù)據(jù)量較小，約為100 kbps，傳輸時(shí)延要求小于150 ms。

1.3 車載視頻監(jiān)控（CCTV）信息

車載視頻監(jiān)控信息將列車司機(jī)室和客室內(nèi)的視頻圖像實(shí)時(shí)地傳送至控制中心進(jìn)行集中監(jiān)控。車載攝像機(jī)主要分布在司機(jī)室和客室內(nèi)，司機(jī)室內(nèi)一般安裝1～2個(gè)攝像機(jī)，對司機(jī)室進(jìn)行監(jiān)控；在車廂內(nèi)，每節(jié)車廂分別安裝2～4個(gè)攝像機(jī)，對車箱內(nèi)公共區(qū)域進(jìn)行監(jiān)視。每路車載攝像機(jī)視頻流帶寬約為2～6 Mbps，同時(shí)上傳n路則需要（2～6 Mbps）×n路，因此上行傳輸帶寬為（2～6 Mbps）×n，n為每列車同時(shí)上傳車載攝像機(jī)視頻的路數(shù)，下行控制信號帶寬約為100 kbps，傳輸時(shí)延要求小于300 ms。另外，在車輛段或停車場內(nèi)通過車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)錄像回傳，減少人工拷貝的成本。

1.4 列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測信息

利用車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)，將列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到地面監(jiān)測中心。地面監(jiān)測中心通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理和分析，實(shí)現(xiàn)對列車運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和遠(yuǎn)程故障診斷。列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測信息數(shù)據(jù)量較小，速率約為100 kbps，傳輸時(shí)延要求小于150 ms。

1.5 列車火災(zāi)監(jiān)控信息

列車火災(zāi)監(jiān)控信息將列車火災(zāi)探測器、火災(zāi)報(bào)警控制器等設(shè)備監(jiān)測到的列車火災(zāi)報(bào)警信息，利用車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)及地面的有線傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送至車站值班室或控制中心。列車火災(zāi)監(jiān)控信息數(shù)據(jù)量較小，速率約為100 kbps，傳輸時(shí)延要求小于150 ms。

1.6 其他信息

預(yù)留公眾無線上網(wǎng)，以無線局域網(wǎng)為依托，開發(fā)智慧巡檢、智慧車輛段等智慧城軌項(xiàng)目，提升行車安全、運(yùn)營維修效率等。

2 車地?zé)o線通信技術(shù)及方案對比分析

當(dāng)前可供選擇的無線通信技術(shù)有WLAN（IEEE 802.11n、IEEE 802.11ac、IEEE 802.11ax）和LTE-M技術(shù)、5G技術(shù)等。

目前軌道交通領(lǐng)域還不能獨(dú)立建設(shè)5G車地?zé)o線專網(wǎng)，主要原因是缺少專用的5G頻率資源。采用WLAN技術(shù)方案可以使用免費(fèi)頻段，采用LTE-M技術(shù)方案也可以通過申請獲得城市軌道交通專用頻段，本文主要對這兩種技術(shù)進(jìn)行介紹。

2.1 WLAN的技術(shù)方案

2013年之前，地鐵車地?zé)o線主要采用IEEE 802.11n技術(shù)組建車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)，下發(fā)一路標(biāo)清視頻到列車和同時(shí)上傳2路車載攝像機(jī)標(biāo)清視頻至控制中心。

2013年，電子電氣工程師協(xié)會（IEEE）制定了IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)，它是IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)的延續(xù)，在IEEE 802.11n基礎(chǔ)上進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)與創(chuàng)新，以求達(dá)到1 Gbps吞吐量的目標(biāo)。近期部分城市軌道交通線路采用IEEE 802.11ac組建車地?zé)o線網(wǎng)承載PIS系統(tǒng)業(yè)務(wù)。

2017年6月發(fā)布了IEEE 802.11ax技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其主要特點(diǎn)是速度更快、時(shí)延更低、容量更大、更安全、更省電等。相比于IEEE 802.11ac，IEEE 802.11ax最大傳輸速率由前者的3.5 Gbps，提升到了9.6 Gbps。針對車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景，IEEE 802.11ax通過Mesh組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)車地?zé)o線鏈路預(yù)建立、后切換的軟切換方式；采用MLSP（移動(dòng)鏈路切換技術(shù)）使鏈路切換平均時(shí)間從50 ms以上降低到20 ms以下；采用基于前導(dǎo)碼的頻率偏移估計(jì)和補(bǔ)償技術(shù)，通過對頻率偏移的估計(jì)與補(bǔ)償保證切換的穩(wěn)定性，可以滿足時(shí)速160 km列車高速移動(dòng)狀態(tài)下車地?zé)o線通信的需求。IEEE 802.11n、IEEE 802.11ac、IEEE 802.11ax的技術(shù)性能指標(biāo)比較見表1。

表1 IEEE 802.11n、IEEE 802.11ac、IEEE 802.11ax的技術(shù)指標(biāo)比較

2.2 LTE-M技術(shù)方案

LTE-M技術(shù)在城市軌道交通領(lǐng)域主要應(yīng)用在1.8 GHz頻段，實(shí)現(xiàn)綜合承載PIS和信號系統(tǒng)車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)。

2015年2月，工業(yè)和信息化部為城市軌道交通、電力、機(jī)場、石油等行業(yè)專用通信網(wǎng)分配了20 MHz頻段，作為無線接入使用。由于城市軌道交通行業(yè)可申請到的頻率資源有限，目前少量城市可以申請到20 MHz，部分城市只能申請到15 MHz，甚至只有10 MHz。為充分利用申請到的專用頻段資源，城市軌道交通一般采用綜合承載方案，即利用15 MHz工作頻段組建A、B雙網(wǎng)，同時(shí)承載信號和乘客信息系統(tǒng)的車地?zé)o線業(yè)務(wù)。

綜合承載車地?zé)o線傳輸網(wǎng)采用雙網(wǎng)冗余組網(wǎng)方式，A網(wǎng)采用5 MHz，單獨(dú)承載信號CBTC系統(tǒng)信息；B網(wǎng)采用10 MHz，綜合承載列車PIS信息、列車CCTV信息、緊急文本信息、列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測信息、列車FAS信息和信號CBTC系統(tǒng)信息。

B網(wǎng)在每個(gè)LTE小區(qū)為車載視頻上傳提供4 Mbps帶寬，每小區(qū)覆蓋范圍約1200 m，每列車在正常情況下可同時(shí)上傳2路視頻監(jiān)控圖像，列車上傳的監(jiān)視圖像分辨率不低于720 P?？紤]到行車間隔和高架區(qū)間，正常情況下每小區(qū)2列車行駛，則每小區(qū)可上傳4路圖像。緊急情況下，LTE一個(gè)小區(qū)內(nèi)會存在4～6列車，通過降低碼流，最大可支持一個(gè)小區(qū)內(nèi)同時(shí)上傳8～10路圖像的能力。指揮中心視頻監(jiān)視終端具備單畫面、二畫面及四畫面監(jiān)視功能，進(jìn)行自動(dòng)循環(huán)監(jiān)視或人工選擇監(jiān)視。

采用專用頻段組建LTE-M車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)，具有抗干擾能力強(qiáng)、移動(dòng)性好、覆蓋距離長、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。但也存在著較明顯的問題，一是能夠提供的上行帶寬有限，難以滿足全車所有視頻監(jiān)控圖像同時(shí)上傳至控制中心及未來新業(yè)務(wù)的擴(kuò)展要求；二是頻率資源有限，有的城市只能申請到10 MHz工作帶寬，不能實(shí)現(xiàn)LTE-M綜合承載，只能將10 MHz頻率資源優(yōu)先全部用于信號系統(tǒng)，以保證行車安全。

2.3 LTE-M和IEEE 802.11ax WLAN的分析及比較

LTE-M由于可用頻率資源有限，能夠提供的車地?zé)o線傳輸帶寬較小，對于需要大帶寬、時(shí)延要求不高的乘客信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)并不是最佳的選擇方案，而IEEE 802.11ax技術(shù)具有快速、穩(wěn)定、低延時(shí)、組網(wǎng)方式靈活的優(yōu)勢，可以很好地滿足城市軌道交通無線專網(wǎng)的組網(wǎng)要求，性價(jià)比更高。

表2 LTE-M和IEEE 802.11ax WLAN的比較

3 IEEE 802.11ax技術(shù)優(yōu)勢

3.1 無線傳輸速率更高

IEEE 802.11ax采用QAM調(diào)制，最大可以達(dá)到1024 QAM。QAM數(shù)值越高，調(diào)制速率就越高，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也就越大。相比于IEEE 802.11ac，IEEE 802.11ax最大傳輸速率由前者的3.5 Gbps，提升到了9.6 Gbps，理論速度提升了近3倍[1]。

3.2 采用先進(jìn)的OFDMA技術(shù)

IEEE 802.11ax采用一種更高效的數(shù)據(jù)傳輸模式OFDMA，OFDMA通過將子載波分配給不同用戶并在OFDM系統(tǒng)中添加多址的方法來實(shí)現(xiàn)多用戶復(fù)用信道資源。IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)采用與LTE和5G相似的OFDMA技術(shù)，將最小的子信道稱為“資源單位（Resource Unit，RU）”，每個(gè)RU當(dāng)中至少包含26個(gè)子載波，將整個(gè)信道的資源分成一個(gè)個(gè)小的固定大小的時(shí)頻RU，用戶是根據(jù)時(shí)頻RU區(qū)分出來的。在該模式下，用戶的數(shù)據(jù)是承載在每一個(gè)RU上的，從總的時(shí)頻資源上來看，每一個(gè)時(shí)間片上，有可能有多個(gè)用戶同時(shí)發(fā)送。OFDMA相比OFDM可以提供更細(xì)的信道資源分配。特別是在部分節(jié)點(diǎn)信道狀態(tài)不太好的情況下，可以根據(jù)信道質(zhì)量分配發(fā)送功率，來更細(xì)化地分配信道時(shí)頻資源。IEEE 802.11ax可根據(jù)信道質(zhì)量選擇最優(yōu)RU來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。OFDMA可以提供更好的QoS，在OFDMA模式下，由于一個(gè)發(fā)送者只占據(jù)整個(gè)信道的部分資源，一次可以發(fā)送多個(gè)用戶的數(shù)據(jù)，所以能夠減少節(jié)點(diǎn)接入的時(shí)延。OFDMA可以提供更多的用戶并發(fā)及更高的用戶帶寬，通過將整個(gè)信道資源劃分成多個(gè)子載波，子載波又按不同RU類型被分成若干組，每個(gè)用戶可以占用一組或多組RU以滿足不同帶寬需求的業(yè)務(wù)。

OFDMA允許相同信道同時(shí)傳輸多個(gè)用戶的數(shù)據(jù)，并根據(jù)流量類型協(xié)調(diào)資源，從而提升資源利用率和轉(zhuǎn)發(fā)性能，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)終端同時(shí)并行傳輸，從而提升效率和降低時(shí)延。

3.3 采用先進(jìn)的多用戶MU-MIMO

MU-MIMO技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)用戶同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在IEEE 802.11ac Wave2中已經(jīng)有所應(yīng)用，不過只應(yīng)用在下行傳輸。IEEE 802.11ax除了延用IEEE 802.11ac下行MU-MIMO技術(shù)，還新增了上行MU-MIMO，支持8根天線，即可以最多同時(shí)傳輸8個(gè)用戶的上行數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高無線網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率。MU-MIMO提升的是整個(gè)系統(tǒng)容量，在高信噪比條件下傳輸大數(shù)據(jù)包時(shí)效率更高，適合視頻、圖像、辦公場景等大流量的應(yīng)用。

3.4 車載AP與軌旁AP采用Mesh組網(wǎng)方式

Mesh組網(wǎng)允許車載AP建立多條鏈路，根據(jù)軌旁AP的信號強(qiáng)度判斷鏈路的建立和切換，Mesh網(wǎng)絡(luò)切換為軟切換，先建立備用鏈路，再進(jìn)行鏈路的切換，Mesh組網(wǎng)相較于Client模式可實(shí)現(xiàn)更短的切換時(shí)延。Client網(wǎng)絡(luò)切換為硬切換，先斷開原有鏈路，再建立新的鏈路。

3.5 采用MLSP切換協(xié)議

采用MLSP（移動(dòng)鏈路切換技術(shù)）保障鏈路切換時(shí)延小于15 ms，在芯片組由于高功率導(dǎo)致飽和的情況下，MLSP仍能正常工作。在鏈路切換過程中，報(bào)文不丟失。

3.6 802.11ax技術(shù)適用高速移動(dòng)環(huán)境

802.11ax技術(shù)OFDM子載波間隔為78.125 kHz，比LTE子載波間隔15 kHz更大，對頻偏不敏感，支持基于前導(dǎo)碼的頻偏估計(jì)和補(bǔ)償算法，測試結(jié)果證明802.11ax WLAN可適用于高速移動(dòng)環(huán)境。

4 采用IEEE 802.11ax技術(shù)組建PIS車地?zé)o線網(wǎng)實(shí)施方案

IEEE 802.11ax WLAN車地?zé)o線主要由無線控制器AC和無線接入點(diǎn)（AP）、軌旁天線及車載單元和有線傳輸通道組成。城市軌道交通PIS車地?zé)o線組網(wǎng)示意圖見圖1。

無線控制器（AC）實(shí)現(xiàn)對整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證管理、加密管理、入侵檢測、用戶無縫漫游、RF管理等功能，能夠主動(dòng)監(jiān)控AP、網(wǎng)橋、管理服務(wù)器以及連接到AP的交換機(jī)的故障和性能；迅速、可靠地檢測、定位和禁用未經(jīng)授權(quán)的人員或者惡意的外界入侵者放置的惡意AP。

AP設(shè)在區(qū)間隧道、車輛段及停車場內(nèi)，完成無線接入功能。車頭車尾部署車地?zé)o線AP設(shè)備，車頭車尾AP設(shè)備以主備模式工作。軌旁AP推薦以150米（直線段）部署間隔進(jìn)行布放，與車載AP設(shè)備建立無線連接，鏈路切換動(dòng)作均由車載AP完成。

圖1 PIS車地?zé)o線組網(wǎng)示意圖

車載和軌旁天線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軌旁AP或車載AP的無線發(fā)射和接收功能。

5 結(jié)束語

IEEE 802.11ax技術(shù)采用1024QAM、OFDMA、MU-MIMO等先進(jìn)技術(shù)，利用IEEE 802.11ax技術(shù)組建城市軌道交通PIS車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)，可以提供更大的帶寬、更高的傳輸速率，可以承載更多的業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)大帶寬、低時(shí)延、安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸，并且可優(yōu)化終端的接入效率與抗干擾性能?？梢员Ｕ显趹?yīng)急事件處理中，指揮中心可借助高速車地通信網(wǎng)實(shí)時(shí)調(diào)度全車攝像頭監(jiān)控視頻，實(shí)現(xiàn)對列車車廂區(qū)域遠(yuǎn)程監(jiān)控，快速疏散人員，保障行車安全。

下一步還可以利用IEEE 802.11ax車地?zé)o線網(wǎng)提供的大帶寬進(jìn)一步拓展在城市軌道交通行業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域，為城市軌道交通構(gòu)建信息化、智能化的運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)，提供高性價(jià)比和技術(shù)成熟度的車地?zé)o線解決方案，為未來地鐵的智慧化轉(zhuǎn)型奠定基礎(chǔ)。