无线局域网技术在地铁乘客信息显示系统的应用
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都市快轨交通・第25卷第2期2012年4月 《快轨论坛..I doi:10.3969/j.issn.1672—6073.2012.02.007 无线局域网技术 在地铁乘客信息显示系统的应用 钟 飞 (广州市地下铁道总公司 广州510380) 交通领域的PIDS系统。PIDS系统通过在轨旁设置移 动宽带传输网设备和天线,在分控中心设置移动宽带 传输网的网络管理设备和服务器(网络交换机与传输 网络合用),管理和控制本线移动宽带传输网的工作; 在区间设置无线网络的小型交换机(简称“无线AP”) 及天线,以便在全线范围内实时、无缝地完成车地间的 图像和数据传递。 1 移动宽带传输网设计理念 1.1 覆盖设计 根据移动宽带传输网的无线AP及其天线的性能 及现场的情况,合理地选择AP的位置,以保证移动宽带 传输网的信号场强能够在全线无缝覆盖。根据理论的 计算和工程经验,对于高架和地面段,大约间隔300 m铺 地铁乘客信息显示系统(passenger information display system,PIDS)是为乘客提供各种出行信息(如 乘客行车、地铁公益广告、安防反恐、运营紧急救灾、天 气预报、新闻、交通信息等)及实现列车视频监控的重 要设施,是提高地铁运营管理及经营开发水平、扩大对 乘客服务范围的有效工具。 在当今城市轨道交通行业中,高速运行的地铁列 车与地面控制中心实时地进行大流量数据通信尤显重 设1组AP设备;对于直隧道段,大约间隔300 m铺设 1组AP设备;对于弯曲的隧道段,大约间隔50~150 m 铺设1组AP设备;平均铺设间隔约为200 m。 1。2 AP切换 移动宽带传输网系统设计时充分考虑到了列车在 高速情况下的切换问题(车速为90 km/h),并采取有效 措施减少切换时间,降低因切换带来的数据损失,以保 证在车上的实时播放不中断(切换时间少于30 ms),且 播放质量不受影响。另外,为保证系统的切换能平稳 进行,设置在控制中心的无线管理交换机能同时管理 一要,已成为乘客信息显示系统发展的必然趋势。随着 无线局域网(WLAN)技术的应用日渐广泛,用户对数 据传输速率的要求越来越高。IEEE 802.11 WLAN作 为一种能支持较高数据传输速率的技术,在2.4 GHz 条线的所有AP,使列车在一条线上运行时不会出现 跨无线管理交换机的切换。 频段使用正交频分复用(OFDM)调制技术,使数据传 输速率提高到20 Mbit/s以上,因此被应用到城市轨道 收稿日期:2011—0g一19 修回日期:2011・11-08 1.3 网络带宽 提供移动宽带传输网的有效平均带宽达到14 Mbit/s, 而且无线带宽具备QoS分级控制。在上述的网络带宽 作者简介:钟飞,男,在读工程硕士,工程师,项目经理,从事城市轨道交 通通信系统新线工作,zhongfei@gzmtr.COrT} 环境下,可以确保所传图像顺畅清晰,不出现画面中断 或者跳播的现象。图像压缩编码不管是MPEG一2或 24 URBAN RAPID RAIL TRANSIT MPEG一4,还是H.264格式(带宽为2~10 Mbit/s),移 动宽带传输网均可以实现透明传输,同时提供带宽足 够满足视频直播(下载)和视频监控(上传)两种业务 的并发传输。 1.4覆盖冗余 在布置AP时,充分考虑到了系统的可靠性,每个 AP的覆盖范围都保证有重叠区,使得个别AP和其他设 备出现故障时,信号覆盖仍旧能够保证,系统仍旧能够正 常工作。每个AP的输出功率满足国家规范的要求,每个 AP的输出功率不大于100 mW,不使用高增益天线。 1.5应用标准 移动宽带传输网遵循802.1 1G标准,频段为 2.4 GHz,共有13个频点。移动宽带传输网可满足最 基本的空中访问接口SSID(服务配置标识),实现最基 本的加密措施WEP(有线等效保密),都属于802.11B 标准的一部分,并包含于802.11G标准。其他的处理 及加密措施也遵循相关的国家标准和规定。 1.6 设备防护 隧道区间的AP机箱集成了1套无线AP设备、光 纤收发器、光熔接盒以及电源模块,可同时达到IP65 的防护等级,完全适合在隧道区间的环境下使用。隧 道的AP机箱靠在隧道壁安装,AP天线则在满足隧道 限界的条件下尽可能地靠近安装,以获得更好的信号 覆盖效果。 1,7 系统网管 系统的无线设备均提供网管接口,分线控制中心 的无线管理工作站通过专门的网管软件,能够随时监 控到本系统每一个设备的工作状况。 1.8 数据安全 移动宽带传输网属于无线通信,由于其信号的空 中传播特性,使得数据的截获以及网络的人侵均变得 比有线网络容易得多,因此对移动宽带传输网的安全 提出了更高的要求。 1.9入侵检测 为了能够检测到入侵操作,需要安装无线网络检 测软件,以实现如下功能:主动地监控接入点,检查连 接到接人点的交换机的故障和性能;迅速、方便地检 测、定位和禁用由未经授权的不知情员1二或者由外界 入侵者(恶意的)放置的恶意接入点;检测和定位射频 电流(RF)的干扰,主动地监控使用情况和故障,优化 网络的性能。 无线局域网技术在地铁乘客信息显示系统的应用 1.1 0覆盖范围 为了减少多径效应,提高无线接人的效率,需要安 装定向天线,以限定覆盖范围。 1.1 1 抗干扰 地铁隧道中存在多个系统,如信号系统、无线集群 系统等。移动宽带传输网与这些系统之间存在相互干 扰,另外也存在内部干扰,为此需要采取措施加以解决。 1)多路径干扰是发射信号被障碍物反射所致,解 决的措施是:设备采用OFDM(正交频分复用)调制方 式,应用直角频率多路传输分割复用技术,将无线通信 传输信号分割成多个副载波进行传输。由于每个副载 波只携带了很小一部分数据负载,所以OFDM技术就 能利用更长的符号周期,使通信传输信号更不容易受 到多径传输的干扰或其他外界的特殊干扰。 试验证明,采用差异双天线时,如果一个天线处于 信号无效点,则另一个天线不会处于信号无效点(注: TX的意思是 transmit,传送; RX的意思是 receive,接收), 障碍物 如图1所示。 图1 多路径采用差异双天线 在多路径环境中,信号无效点(null point)在该范 围内到处存在。将天线做少许移动,天线就会移出信 号无效点,且接收到正确的信号,因此第二个天线总能 接收到信号。 2)加大AP的铺设密度,使得AP之间存在重叠范围。 3)将相邻的AP设置到独立的3个工作频段中, 可大大减少相邻AP之间的干扰。 4)同频道干扰是其他同频AP或其他系统干扰造 成的。如果是其他同频AP干扰造成的,则将其设置到 独立的3个工作频段之一中去;如果是其他系统干扰 造成的,则尽可能降低其发射功率。 5)多普勒频移效应是车载设备高速运动所致。 提供的无线设备采用OFDM调制方式,本身就适合在 多普勒频移环境下传输数据。 6)无线网络的抗干扰能力是通过多级接收滤波 器来实现的。 移动宽带传输子系统结构如图2所示,各个设备 之间的连接及实现方式如下: 1)无线管理交换机通过光纤以1 000 Mbit/s的带 2 PIDs移动宽带传输子系统结构 都市快轨交通・第25卷第2期2012年4月 宽连接到分线交换机,无线服务器通过网线以 l 000 Mbit/s的带宽连接到分线交换机,无线管理工作 站通过网线以100 Mbit/s的带宽连接到分线交换机。 2)车站交换机、车辆段交换机通过光缆,以 1 000 Mbit/s的带宽连接到分线交换机。 3)铺设在区间和车辆段中的无线AP设备与车站 及车辆段交换机,以100 Mbit/s的带宽连接。为了实 现远距离传输,中间经过1对光纤收发器(光端机)实 现光电转换。 4)上行区间和下行区间单独铺设无线AP,即上行 区间中的无线AP和下行区间中的无线AP构成不同 的无线网。 图2移动宽带传输子系统结构 3无线宽带的链路结构 车载设备从控制中心服务器接收数据时,需要经 过中心交换机、无线管理交换机、车站交换机、光端机、 无线AP、无线接入设备(无线网桥)。其中,从无线管 理交换机到无线AP的链路属于有线链路,从无线基站 到无线接入设备的链路属于无线链路。 3.1 有线链路的各个路径 1)服务器和核心交换机之间的链路为网线,带宽 为1 000 Mbit/s,核心交换机和服务器通信的交换端口 是固定的。 2)无线管理交换机和核心交换机之间的链路为 光纤,带宽为1 000 Mbit/s,核心交换机和无线管理交换 机通信的交换端口是固定的。 3)核心交换机和车站交换机之间的链路为光纤, 带宽为1 000 Mbit/s,核心交换机和车站交换机通信的 交换端口是固定的,但由于车载设备会漫游到属于不 同车站交换机的AP范围内,因此对车载设备的数据接 收链路来说,从核心交换机到车站交换机的链路是变 化的。 4)车站交换机(或车辆段交换机)与AP之间的链 路是光纤以及网线,通过光纤收发器(光端机)进行光 电转换,带宽为100 Mbit/s,通信的交换机端口是固定 的。由于车载设备的漫游特性,对车载设备的数据接 收链路来说,从车站交换机到AP的链路是变化的。 3.2无线链路的场强变化 1)无线信号的场强与距离的立方成反比,以AP 为中心向隧道两边扩散(因为采用向正反两个方向辐 射信号的定向天线)。 2)在两个AP之间的重叠覆盖区域,会出现场强 消和涨的情况。 隧道中无线AP信号的场强变化如图3所示。 漫 图3无线AP信号的场强变化 对于PIDS系统所采用的移动宽带传输网系统,无 线网桥能够接收到的信号强度为 Pi :Pt+Gt+Gr—L。一Lf 式中:P 为发射功率;G 为发射天线增益;G 为接收天 线增益;L。为传输路径损耗(从发射端天线出来到接 收端天线接收,无线信号所经过的传输路径发生的损 耗); ,为总的馈线损耗(包括发射端和接收端馈线、接 头的损耗)。 对于无线电波的传输路径损耗,在自由空间中的 计算公式为 L =32+20 lg( +20 lg(d) 但在现场实际环境中,无线电波会受到隧道壁、地 面、轨旁设备的吸收、反射、阻挡而发生改变,经过对现 场大量的实际测试数据进行推算,可得出数学计算模 型为 L。=32.45+20 lg(f)+26 1g(d) 式中:f为频率,GHz(2.45 GHz);d为距离,m。 4结语 根据以上的理论和经验数据,移动宽带传输网在 地铁乘客信息显示系统应用时,只要在无线AP设备的 布置上确保列车无线网桥在全线范围内的信号接收强 度都不小于一76 dB(m),整个移动宽带传输网的有效 带宽就能够满足设计的要求,保证车地之间的数据通 信。因此,当前在乘客信息显示系统采用802.11g无 线局域网技术,是一种较好地解决车地通信问题的 措施。 无线局域网技术在地铁乘客信息显示系统的应用 参考文献 f1]刘乃安.无线局域网(WLAN):原理、技术与应用[M].西 安:西安电子科技大学出版社,2004:35—50. 院学报:自然科学版,2008,4(4):43—45. 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Key words:subway;passenger information display system;WLAN;mobile broadband transmission network;IEEE 802.1lg (上接第8页) 参考文献 [1]林仁生,林世育.安全管理系统之安全政策[J].现代营 建,2005(303):45—50. Safety Management System for Red and Orange Line of Kaohsiung MRT Cben Tsun Yung Lin R.C.Lin S.Y. [2]EN50 1 26 Railway applications—the specification and demo— nstration of relial ̄ility availability maintainability an(1 s',fety (Kaohsiung Mass Rapid Transit Bureau,Kaohsiung City Government,Taiwan) Abstract:Safety problems of mass rapid transit systm are ediscussed.Duringtheperiod ofplanningfortheRedandOrange Line of Kaohsiung Mass Rapid Transit in Taiwan,the life- (I AMS)[s].Brussels:CENEI EC,1999. 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Key words:Mass Rapid Trans ̄System;Kaohs ̄ng Mass apiRd Transit Red and Orange Line;safety management (编辑:曹雪明) procedure;safety risks;Taiwan URBAN RAPID RAIL TRANSIT
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