地铁乘客信息系统车地无线通信方案分析

谢鹏

（中国铁建电气化局集团第二工程有限公司，太原030023）

1 引言

乘客信息系统，简称PIS，是地铁信息传播的重要平台。PIS依托多媒体网络和无线网络技术，向乘客提供列车运行信息及实时资讯在紧急情况下可以迅速进入防灾应急模式，为乘客提供有效的紧急避险信息。

2 系统带宽需求及现状调查

车地无线网络为PIS 提供车地无线传输通道，它将地面实时数据传输至列车终端内，同时将车载监控图像上传地面指挥中心。它能实现指挥中心—车站—列车相互间实时、无缝地传递车地数据，是PIS 的重要组成部分。地铁列车按照6 节车厢计算，每节车厢设置2 台720P 高清摄像机，车头车尾各设置1 台720P 高清摄像机，则列车同时上传14 路图像需要的带宽为：（6×2+2）×2Mbps=28Mbps；每列车可接收2 路高清视频信号，根据计算得知每路高清视频信号占用带宽8Mbps，则列车同时接收2 路高清视频信号需要的带宽为：2×8Mbps=16Mbps；因此，PIS 车地无线网络所需总带宽为44Mbps，按照25%的冗余量计算得44+44×25%=55Mbps，因此，系统传输带宽应不小于55Mb ps。

随着可靠双向无线通信技术突破，在我国新建成的地铁中已开始大量采用车地双向实时通信技术，不仅提高了列车的安全性，也可能引发我国地铁列车运营管理模式从地铁车辆运行管理向乘客运营交通服务管理的新型转换。目前，国内主流的车地无线网络通信系统解决方案是局域网(WLAN)联网技术和无线LTE 联网技术[1]。

3 WLAN技术下的PI S 车地无线通信

3.1 系统简介

WLAN 是兼先进性、使用性和可扩展性于一体的成熟技术。基于WLAN 技术下的车地PIS 无线通信系统，不需要使用线缆介质，在电磁波的作用下实现对各项数据的发送和接收。

3.2 系统构成

系统主要由车载电台、车载交换机、车站服务器、控制中心设备、区间AP 天线等组成。在无线链路的支持下，视频、数据信息能够与有线网络进行实时通信。核心技术模块采用基于E-IEEE 802.11g 视频标准，支持无线组播、单播等视频功能。

WLAN 目前采用的是基于2.4GHz 的开放频带，其数据带宽与设备的移动速度呈现反比例特征，在10km/h 速度下最高数据带宽只有约20Mbps，最远的有效传输距离约为400m，由于地下环境条件限制，为了确保无线信号的强度，保证通信质量的可靠性，一般在地下线路约250m 处设置1 套AP 天线。

3.3 系统优劣分析

系统的优劣分析从以下4 方面进行：

1）系统构成简洁，安装方便、应用灵活。每个车站无线交换机可以连接多个AP 点，能够根据实际需要进行扩展，实现AP 信号的全方位覆盖。每个AP 点采用单独的单模光缆和电源线与室内设备连接，也可根据无线AP 点的数量配置多台交换机。

2）轨旁AP 设备模块化程度高，安装简单，设备维修的工作量较小；设备厂家一般有现货库存，工程投资较少，长期运营维护费用低；AP 设备安装高度只需超过车载电台即可，施工方便、危险性小。

3）在2.4GHz 开放工作频段上干扰源多，如无绳电话、蓝牙设备等都会对WLAN 信号产生干扰，在该频段内只有1、6、11 这3 个信道之间互不干扰，在AP 信号的应用中非常容易与地铁其他无线网络系统产生冲突；在列车高速行驶时，会对隧道内电磁波信号产生较大干扰。

4）WLAN 无线传输方式为自然空气传播，衰耗较大，且AP 天线功率较小，区间隧道内需设置多个AP 天线来满足场强覆盖的需要。由于施工测量误差的影响，导致每个相邻的AP 的覆盖范围都有重叠，列车在运行中系统需来回切换，甚至发生车载设备抢夺AP 天线信号的情况，大大影响了车地无线通信的质量，容易发生数据丢包，造成车载终端视频马赛克或者卡顿情况的发生。

4 LTE技术的PI S 车地无线通信

4.1 系统简介

LTE 是长期应用演进而来的技术，是近年来启动的新一代技术联合研发应用项目，其主要在于借助正交频分复用技术（OFDM）和多信道输入输出技术（MIMO）的相互结合作用来有效减小多径衰弱，提高无线频谱综合利用率，从而提升无线网络数据传输处理能力和提高数据传输处理速度。

4.2 系统构成

系统主要由控制中心LTE 设备、车站LTE 基站和配套BBU、车载设备和天线、隧道远端RRU 和漏泄同轴电缆组成。

系统具有简单的整体网络构架和软件系统构架，以网络信道共用为技术基础，以实现分组域实时进行业务管理为主要发展目标。LTE 主要在1.8GHz 附近的20MHz 的波谱频段内运行使用，能有效率地避免各种来自不同传输设备射频信号的相互干扰，在20MHz 波段频谱频带宽度下，能够同时提供一个下行100Mbps，上行50Mbps 的信号传输率和峰值信号速率。

4.3 系统优劣分析

系统的优劣分析从以下4 方面进行：

1）系统扁平化网络构架设计，设备节点少，传输时延低。在控制中心设置LTE 设备，车站设置LTE 和RRU 连接设备，区间设置BBU 连接设备，即可完成整体设备的组网连接。漏泄同轴电缆本身的传输性能和衰减性能较好，1km 的隧道内只需敷设漏缆就能满足信号覆盖需求，适用于大多数的隧道区间断面和长度。

2）漏泄同轴电缆本身价格昂贵，工程投资较大；信号辐射原理导致线缆结构比较特殊，容易在施工中发生扭绞、弯折等现象；其安装位置一般在隧道外侧（弱电侧），高于车顶天线现场安装和后期运营维护难度大。

3）OFDM 分别采用快速傅立叶逆变换和快速傅立叶变换即可实现信号调制和解调，便于各种数字信号和微处理器设计实现。OFDM 是一项重要网络技术，采用了多种无线传输处理模式，包括发射分集、空间复用、波速计算赋形和空间多址等，使得了空间成为一种可以广泛用于有效提高系统性能的网络资源，在不断增加网络带宽和提高天线发送功率的情况下，成倍提高了频谱的利用率，并有效扩大了无线系统的网络覆盖范围。

4）漏缆适合在狭长小区地下隧道内铺设使用，沿线无线场强度和覆盖均匀，延隧道呈现良好方向性分布，多RRU 共用的小区天线设计，减少由于无线切换速率带来的时延、抖动、丢包，保证高速无线切换应用情况下的数据带宽稳定和高速切换速率数据实时传输。

5 结语

本文从系统简介、系统构成及系统优劣3 方面入手，结合现实中地铁应用实例，将目前2 种主流车地无线通信技术的主要优缺点进行了简要分析和讨论，希望能为以后地铁通信系统的发展提供参考。