IEEE 802.11ax在城市轨道交通车地无线系统中的应用研究

姜 彬

（石家庄市轨道交通集团有限责任公司，河北 石家庄 050000）

0 引言

城市轨道交通乘客信息系统（PIS）车地无线网络主要提供列车在区间隧道内行驶时的实时数据业务传输通道，使地铁列车在高速运行中保持与地面的不间断通信，保证列车与地面之间信息的可靠传输。

近年来，视频的高清化对城市轨道交通车地无线带宽的需求在不断增长，因此需要车地无线网络提供足够大的带宽，以满足视频信息上传或下载的要求。另外考虑到业务的发展，还需要预留列车客室内公众上网热点覆盖能力，以及不断加入的新业务数据上传或下发，这些方面都对车地无线网络带宽提出了新的挑战。

1 PIS系统车地无线网络带宽需求分析

1.1 列车高清视频播放信息

通过车地无线网络，乘客信息系统将视频、图像、音频等信息实时传输到列车显示屏上，在列车客室内实时播放。每列车接收1路中心下发的直播信息，高清视频下行传输速率约为4～8 Mbps，使用组播可降低带宽需求，使传输时延小于300 ms。

1.2 紧急文本信息

紧急文本信息用于城市轨道交通路网异常情况下的乘客通知，可以在列车PIS系统的显示终端上显示，数据量较小，约为100 kbps，传输时延要求小于150 ms。

1.3 车载视频监控（CCTV）信息

车载视频监控信息将列车司机室和客室内的视频图像实时地传送至控制中心进行集中监控。车载摄像机主要分布在司机室和客室内，司机室内一般安装1～2个摄像机，对司机室进行监控；在车厢内，每节车厢分别安装2～4个摄像机，对车箱内公共区域进行监视。每路车载摄像机视频流带宽约为2～6 Mbps，同时上传n路则需要（2～6 Mbps）×n路，因此上行传输带宽为（2～6 Mbps）×n，n为每列车同时上传车载摄像机视频的路数，下行控制信号带宽约为100 kbps，传输时延要求小于300 ms。另外，在车辆段或停车场内通过车地无线网络实现录像回传，减少人工拷贝的成本。

1.4 列车运行状态监测信息

利用车地无线网络，将列车运行状态监测信息数据实时传送到地面监测中心。地面监测中心通过对数据进行集中处理和分析，实现对列车运行状态的实时监测和远程故障诊断。列车运行状态监测信息数据量较小，速率约为100 kbps，传输时延要求小于150 ms。

1.5 列车火灾监控信息

列车火灾监控信息将列车火灾探测器、火灾报警控制器等设备监测到的列车火灾报警信息，利用车地无线网络及地面的有线传输网络传送至车站值班室或控制中心。列车火灾监控信息数据量较小，速率约为100 kbps，传输时延要求小于150 ms。

1.6 其他信息

预留公众无线上网，以无线局域网为依托，开发智慧巡检、智慧车辆段等智慧城轨项目，提升行车安全、运营维修效率等。

2 车地无线通信技术及方案对比分析

当前可供选择的无线通信技术有WLAN（IEEE 802.11n、IEEE 802.11ac、IEEE 802.11ax）和LTE-M技术、5G技术等。

目前轨道交通领域还不能独立建设5G车地无线专网，主要原因是缺少专用的5G频率资源。采用WLAN技术方案可以使用免费频段，采用LTE-M技术方案也可以通过申请获得城市轨道交通专用频段，本文主要对这两种技术进行介绍。

2.1 WLAN的技术方案

2013年之前，地铁车地无线主要采用IEEE 802.11n技术组建车地无线网络，下发一路标清视频到列车和同时上传2路车载摄像机标清视频至控制中心。

2013年，电子电气工程师协会（IEEE）制定了IEEE 802.11ac标准，它是IEEE 802.11n标准的延续，在IEEE 802.11n基础上进行了技术改进与创新，以求达到1 Gbps吞吐量的目标。近期部分城市轨道交通线路采用IEEE 802.11ac组建车地无线网承载PIS系统业务。

2017年6月发布了IEEE 802.11ax技术标准，其主要特点是速度更快、时延更低、容量更大、更安全、更省电等。相比于IEEE 802.11ac，IEEE 802.11ax最大传输速率由前者的3.5 Gbps，提升到了9.6 Gbps。针对车地无线网络的应用场景，IEEE 802.11ax通过Mesh组网，实现车地无线链路预建立、后切换的软切换方式；采用MLSP（移动链路切换技术）使链路切换平均时间从50 ms以上降低到20 ms以下；采用基于前导码的频率偏移估计和补偿技术，通过对频率偏移的估计与补偿保证切换的稳定性，可以满足时速160 km列车高速移动状态下车地无线通信的需求。IEEE 802.11n、IEEE 802.11ac、IEEE 802.11ax的技术性能指标比较见表1。

表1 IEEE 802.11n、IEEE 802.11ac、IEEE 802.11ax的技术指标比较

2.2 LTE-M技术方案

LTE-M技术在城市轨道交通领域主要应用在1.8 GHz频段，实现综合承载PIS和信号系统车地无线通信业务。

2015年2月，工业和信息化部为城市轨道交通、电力、机场、石油等行业专用通信网分配了20 MHz频段，作为无线接入使用。由于城市轨道交通行业可申请到的频率资源有限，目前少量城市可以申请到20 MHz，部分城市只能申请到15 MHz，甚至只有10 MHz。为充分利用申请到的专用频段资源，城市轨道交通一般采用综合承载方案，即利用15 MHz工作频段组建A、B双网，同时承载信号和乘客信息系统的车地无线业务。

综合承载车地无线传输网采用双网冗余组网方式，A网采用5 MHz，单独承载信号CBTC系统信息；B网采用10 MHz，综合承载列车PIS信息、列车CCTV信息、紧急文本信息、列车运行状态监测信息、列车FAS信息和信号CBTC系统信息。

B网在每个LTE小区为车载视频上传提供4 Mbps带宽，每小区覆盖范围约1200 m，每列车在正常情况下可同时上传2路视频监控图像，列车上传的监视图像分辨率不低于720 P。考虑到行车间隔和高架区间，正常情况下每小区2列车行驶，则每小区可上传4路图像。紧急情况下，LTE一个小区内会存在4～6列车，通过降低码流，最大可支持一个小区内同时上传8～10路图像的能力。指挥中心视频监视终端具备单画面、二画面及四画面监视功能，进行自动循环监视或人工选择监视。

采用专用频段组建LTE-M车地无线网络，具有抗干扰能力强、移动性好、覆盖距离长、维护成本低等优点。但也存在着较明显的问题，一是能够提供的上行带宽有限，难以满足全车所有视频监控图像同时上传至控制中心及未来新业务的扩展要求；二是频率资源有限，有的城市只能申请到10 MHz工作带宽，不能实现LTE-M综合承载，只能将10 MHz频率资源优先全部用于信号系统，以保证行车安全。

2.3 LTE-M和IEEE 802.11ax WLAN的分析及比较

LTE-M由于可用频率资源有限，能够提供的车地无线传输带宽较小，对于需要大带宽、时延要求不高的乘客信息系统业务并不是最佳的选择方案，而IEEE 802.11ax技术具有快速、稳定、低延时、组网方式灵活的优势，可以很好地满足城市轨道交通无线专网的组网要求，性价比更高。

表2 LTE-M和IEEE 802.11ax WLAN的比较

3 IEEE 802.11ax技术优势

3.1 无线传输速率更高

IEEE 802.11ax采用QAM调制，最大可以达到1024 QAM。QAM数值越高，调制速率就越高，传输的数据量也就越大。相比于IEEE 802.11ac，IEEE 802.11ax最大传输速率由前者的3.5 Gbps，提升到了9.6 Gbps，理论速度提升了近3倍[1]。

3.2 采用先进的OFDMA技术

IEEE 802.11ax采用一种更高效的数据传输模式OFDMA，OFDMA通过将子载波分配给不同用户并在OFDM系统中添加多址的方法来实现多用户复用信道资源。IEEE 802.11ax标准采用与LTE和5G相似的OFDMA技术，将最小的子信道称为“资源单位（Resource Unit，RU）”，每个RU当中至少包含26个子载波，将整个信道的资源分成一个个小的固定大小的时频RU，用户是根据时频RU区分出来的。在该模式下，用户的数据是承载在每一个RU上的，从总的时频资源上来看，每一个时间片上，有可能有多个用户同时发送。OFDMA相比OFDM可以提供更细的信道资源分配。特别是在部分节点信道状态不太好的情况下，可以根据信道质量分配发送功率，来更细化地分配信道时频资源。IEEE 802.11ax可根据信道质量选择最优RU来进行数据传输。OFDMA可以提供更好的QoS，在OFDMA模式下，由于一个发送者只占据整个信道的部分资源，一次可以发送多个用户的数据，所以能够减少节点接入的时延。OFDMA可以提供更多的用户并发及更高的用户带宽，通过将整个信道资源划分成多个子载波，子载波又按不同RU类型被分成若干组，每个用户可以占用一组或多组RU以满足不同带宽需求的业务。

OFDMA允许相同信道同时传输多个用户的数据，并根据流量类型协调资源，从而提升资源利用率和转发性能，实现了多个终端同时并行传输，从而提升效率和降低时延。

3.3 采用先进的多用户MU-MIMO

MU-MIMO技术能够实现多个用户同时进行数据传输，在IEEE 802.11ac Wave2中已经有所应用，不过只应用在下行传输。IEEE 802.11ax除了延用IEEE 802.11ac下行MU-MIMO技术，还新增了上行MU-MIMO，支持8根天线，即可以最多同时传输8个用户的上行数据，进一步提高无线网络带宽利用率。MU-MIMO提升的是整个系统容量，在高信噪比条件下传输大数据包时效率更高，适合视频、图像、办公场景等大流量的应用。

3.4 车载AP与轨旁AP采用Mesh组网方式

Mesh组网允许车载AP建立多条链路，根据轨旁AP的信号强度判断链路的建立和切换，Mesh网络切换为软切换，先建立备用链路，再进行链路的切换，Mesh组网相较于Client模式可实现更短的切换时延。Client网络切换为硬切换，先断开原有链路，再建立新的链路。

3.5 采用MLSP切换协议

采用MLSP（移动链路切换技术）保障链路切换时延小于15 ms，在芯片组由于高功率导致饱和的情况下，MLSP仍能正常工作。在链路切换过程中，报文不丢失。

3.6 802.11ax技术适用高速移动环境

802.11ax技术OFDM子载波间隔为78.125 kHz，比LTE子载波间隔15 kHz更大，对频偏不敏感，支持基于前导码的频偏估计和补偿算法，测试结果证明802.11ax WLAN可适用于高速移动环境。

4 采用IEEE 802.11ax技术组建PIS车地无线网实施方案

IEEE 802.11ax WLAN车地无线主要由无线控制器AC和无线接入点（AP）、轨旁天线及车载单元和有线传输通道组成。城市轨道交通PIS车地无线组网示意图见图1。

无线控制器（AC）实现对整个无线网络的认证管理、加密管理、入侵检测、用户无缝漫游、RF管理等功能，能够主动监控AP、网桥、管理服务器以及连接到AP的交换机的故障和性能；迅速、可靠地检测、定位和禁用未经授权的人员或者恶意的外界入侵者放置的恶意AP。

AP设在区间隧道、车辆段及停车场内，完成无线接入功能。车头车尾部署车地无线AP设备，车头车尾AP设备以主备模式工作。轨旁AP推荐以150米（直线段）部署间隔进行布放，与车载AP设备建立无线连接，链路切换动作均由车载AP完成。

图1 PIS车地无线组网示意图

车载和轨旁天线系统实现轨旁AP或车载AP的无线发射和接收功能。

5 结束语

IEEE 802.11ax技术采用1024QAM、OFDMA、MU-MIMO等先进技术，利用IEEE 802.11ax技术组建城市轨道交通PIS车地无线网络，可以提供更大的带宽、更高的传输速率，可以承载更多的业务，实现大带宽、低时延、安全可靠的数据传输，并且可优化终端的接入效率与抗干扰性能。可以保障在应急事件处理中，指挥中心可借助高速车地通信网实时调度全车摄像头监控视频，实现对列车车厢区域远程监控，快速疏散人员，保障行车安全。

下一步还可以利用IEEE 802.11ax车地无线网提供的大带宽进一步拓展在城市轨道交通行业的应用领域，为城市轨道交通构建信息化、智能化的运营服务系统，提供高性价比和技术成熟度的车地无线解决方案，为未来地铁的智慧化转型奠定基础。