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地铁乘客信息系统中无线技术的选择

作者: 发布时间:2020-01-22 11:52:55 阅读: 40 次

摘要本文首先介绍了地铁乘客信息系统(PIS)的组成,并阐述了车地无线传输技术。通过对基于IEEE802.11系列无线局域网方式(WLAN)、基于IEEE802.16的无线宽带技术(WIMAX)和基于LTE的无线技术的综合比较,选出适合目前地铁建设的综合性价比高的地铁无线传输技术。

关键词:乘客信息系统、车地无线传输、LTE

0.引言

乘客信息系统(PIS)是依托多媒体网络技术,以计算机系统为核心,以车站显示终端和车载显示终端为媒介向乘客提供信息服务的系统。随着大量地铁线的建设,越来越多的城市居民享受到了地铁快速便捷的服务,乘客对服务内容需求也越来越高,其中PIS系统中列车上的视频直播就是一项比较直观的服务内容。PIS系统列车视频直播的实现关键要靠车地无线网络的质量;选择一套完整、成熟、可靠地车-地无线网络,不仅能提高了轨道交通的运营管理能力,使乘客在移动的列车上依然可以获取大量的实时信息,而且大大提高乘客的舒适度,提高运营安全,提升地铁的形象。

1.PIS系统中车-地无线系统及需求分析

PIS系统由控制中心子系统、车站子系统、车载子系统(含车载视频监控子系统)、有线传输网络子系统和车-地无线系统组成。-地无线网络是指覆盖地铁全线的列车与地面之间的无线网络,负责列车与地面之间的通信。控制中心实时下发至列车的内容以及列车向控制中心实时上传的监视图像均通过车-地无线网络进行传输,即通常所说的车载视频播放信息和车载视频监控信息。相对文本信息而言,车载视频播放信息对无线宽带的要求比较高。如每列列车接收到自控制中心实时下发的单独的标清数字视频信息,一般是4.48.8 MHz,再加上文本信息和控制信息,车载视频播放信息所需带宽总共大约是4.58.9 MHz。在区间运营中的每列列车要求实时上传2MPEG4编码的视频图像信息,每路占用的带宽约为2 MHz,因此,总带宽约为4MHz。对车载视频播放信息和车载视频监控信息分析可得:乘客信息系统在车地无线网络中所需要的总带宽应该在13MHz以上。所以我们只需要选择一种列车在高速行进中车地无线带宽能达到并高于13MHz的无线系统,就可以实现的车载视频直播。

2 目前主流车-地无线网络技术以及选择比较

2.1基于IEEE802.11系列无线局域网技术(WLAN)

无线局域网(WLAN)的主要标准是IEEE 802. 11,它包括 10几种技术标准。跟地铁乘客信息系统相关的主要是802.11b/a/g/n这几种无线技术标准,802.11b和802.11g均工作在2.4GHz频段,802.11b技术采用了DSSS+CCK的调制技术,向下兼容802.11技术,它可以支持更高11Mbps的数据速率,也可根据实际情况采用5.5Mbps、2 Mbps和1 Mbps带宽,运行在2.4GHz的ISM频段上;802.11g 采用的是OFDM的技术进行调制,更高速率可达 54Mbps,采用OFDM调制方式,与802.11b的WIFI 系统互相连通,共存在同一AP的网络里,保障了后向兼容性。802.11nMIMO OFDM技术采用阵列天线实现空间分集,增加了多径容限,提高了传输带宽,从当前的54Mbps提高到300600 Mbps,采用MIMO- OFDM调制技术,同时,采用了一种软件无线电技术,使WLAN的兼容性得到了大大提高,现实与无线广域网的结合。802.11a 技术工作在5.8GHz 频段,其也同样采用了OFDM 技术,传输速率达到为 54Mbps,可提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的以太网无线帧结构接口,以及TDD/TDMA的空中接口;支持语音、数据、图像业务;一个扇区可接入多个用户,每个用户可带多个用户终端[1]

目前,PIS系统中应用 WLAN 无线技术的有深圳地铁2、3号线,北京地铁5、10号线、上海地铁9、13号线和广州地铁 1、3、4 号线等等。

2.2 WiMax 技术

基于IEEE802.16的无线宽带技术称为Wimax,是针对微波和毫米波频段提出的一种新的空中接口标准,数据传输速率更高,Wimax 所能提供的更高接入速度是 75Mb/s;传输距离远,更大传输半径50公里。WiMAX还具有QoS保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。WiMAX的技术起点较高,采用OFDM/OFDMA、AAS、MIMO等先进技术,随着技术标准的发展,WiMAX逐步实现宽带业务的移动化,支持小区切换,支持120km/s移动速度和提供电信级的多媒体服务等[2]。乘客信息系统采用 Wimax 方式时,在轨道沿线布置 AP 设备,在车站设置交换机设备、在控制中心设置控制设备,列车上安装天线和无线接入设备,与WLAN不同的是,AP之间的间距较长。目前在国外铁路上有应用 Wimax 无线技术的实例,国内以及国外地铁中均无应用案例。

2.3 LTE 技术

LTELong Term Evolution)以OFDM/FDMA为核心,可以被看作“准4G”技术。能够在20MHz频谱带宽能够提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率;支持100Km半径的小区覆盖;除了20MHz的更大带宽外,还能支持1.4MHz3MHz5MHz10MHz15MHz等系统带宽,以及“成对”与“非成对”频段的部署,能保证系统部署上的灵活性;系统延迟低;具有简单的网络架构和软件架构,以信道共用为基础,以分组域业务为主要目标,系统在整体架构上将基于分组交换,可通过系统设计和严格的Qos机制,保证实时业务的服务质量[3]

TDD-LTE系统可以根据业务类型及带宽需求灵活配置TDD-LTE帧的上、下行配比,2DL:2UL3DL:1UL等。同时,系统应按车站双向隧道划分小区,将地铁在两个运行方向上划分成不同小区,并利用小区合并技术,减少小区数量及切换次数其中TDD-LTE在下行可考虑采用MIMO技术达到下行带宽的双倍复用,结合地铁建设来看,MIMO技术造成的成本压力会很大,是否启用MIMO可根据下行带宽最终需求来确定4】

3种技术比较见表1如下:

1:三种无线技术比较简表

技术

WLAN

Wimax

LTE

关键技术

OFDM、CCK、MIMO

OFDM、MIMO

OFDM、MIMO

带宽

54Mb-320M

75Mbps

100Mbp

兼容性

建网成本

抗干扰

一般

案例

国内大部分地铁

国内无

武汉地铁实验线

从前面的需求分析可以得知,只要能够在列车高速运行过程中提供大于13Mbps的带宽就能保证列车车载视频直播效果,满足乘客接收实时资讯以及列车视频上传的要求,上述的3种技术都能达到带宽要求,从提供的带宽考虑,这三种技术都可行。但是IEEE 802.16技术的应用还面临许多问题,IEEE 802.16还没有成熟产品推向市场;IEEE 802.16 的传播距离较远,应用环境复杂,导致其技术复杂,这使得其成本相对来说比 IEEE 802.11 要高;IEEE 802.16的标准还不是很完善,最主要是IEEE 802.16 还没有批准的频率,这导致了不同地区的用户必须使用不同频谱的 Wimax 设备,而且无法实现全球漫游。LTE技术大规模的应用也存在一些问题,LTE技术还有待完善,未有地铁PIS系统成功案例;与IEEE802.11 成熟产品比较,LTE技术产品成本,建设投资成本偏高。综合上述比较分析,在目前阶段,地铁PIS系统车-地无线系统采用基于IEEE802.11系列的WLAN技术是综合性价比更高的一种方案。

3 设计方案

基于WLAN的PIS车地无线通信系统主要在全线沿轨道部署无线接入点和天线;在列车的车头车尾安装车载无线单元;在控制中心设置的无线交换机,管理和控制本线移动宽带无线传输网,以达到在全线范围内,实时、无缝的完成车、地间的图像和数据传递。系统图见图1:

图片1.png 

1:车地无线系统图

轨旁和列车采用的天线都为定向天线。由于无线电波在隧道中传播时具有隧道效应,信号传播是墙壁反射与直射的结果,直射为主要分量。根据经验传播模型:

Lp=20lgf+20lgd-28(dB)  5】其中: f-频率(MHz)、d-距离(米)

当取AP点功率Pt=16dBm(40mw),接收模块最小接收电平为-75dBm,则Pr=Pt-Lp=16-40-20lgd=-24-20lgd,计算结果见表2:

2:AP间距接收电平对照表

传输距离(m

50

100

150

200

355

接收电平(dBm

-58

-64

-67.5

-70

-75

上述计算表明AP节点之间连接的更大范围是350米左右。考虑到隧道的不规则情况及其它因素,通常在地下段区间200米左右设置1个AP点。

目前,由于WLAN各个厂家的产品组成的网络结构以及采取的AP间切换技术不同,其应用效果也有差异。

4.结语

本文对目前PIS系统车地无线通信建设情况进行了简单的分析和比较,WLAN技术是一种比较成熟的技术,已经有大量的标准产品在使用,无论从工程建设实施角度,还是从综合投资情况来考虑,WLAN都是目前地铁PIS 系统车地无线的一种合适的选择。故国内地铁还是比较适合采用WlAN技术的方式进行车-地无线组网,当然想要实现高质量的直播效果,还需要进一步提高平均带宽和切换速度,同时降低丢包率和延时。

【参考文献】

1. 张亮,舒炎泰。IEEE802.11 Wireless Networks: The Definitive Guide[M].2 Ed. 南京:东南大学出版社,2007.

2. 唐雄燕。宽带无线接入技术及应用WiMax Wifi[M]. 北京:电子工业出版社,2006.

3. 曾召华,等.LTE基础原理与关键技术[M].西安电子科技大学出版社,2010.

4. 穆潇 夏昕 基于LTE的乘客信息系统车地无线通信方案研究 科技创新导报,2012 4

5. 张定铭 杨承东 城市轨道交通乘客信息系统车--地信息传输方式的探讨 轨道交通 2007 NO.28