地铁列车安防系统之车地无线传输系统分析

摘 要：地铁列车安防系统对无线传输技术的实时性、容量、稳定性、不间断性等各方面都提出了极高的要求，针对地铁行业的特殊应用需求和特殊应用场景，WLAN技术是目前最成熟、最符合地铁列车安防系统应用需求的一种无线传输技术。

关键词：地铁列车 安防系统 车地无线 传输 系统 分析

中图分类号：U23 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）01（b）-0005-03

1 车地无线传输系统需求分析

1.1 概述

迄今为止，主要无线传输系统数据通讯技术主要包括3G、GRPS、EDGE、CDMA、WLAN和WiMax等等。地铁列车安防系统对无线传输技术的实时性、容量、稳定性、不间断性等各方面都提出了极高的要求，针对地铁行业的特殊应用需求和特殊应用场景，WLAN技术是目前最成熟、最符合地铁列车安防系统应用需求的一种无线传输技术。其特点主要有：高容量、良好的抗干扰能力、安全稳定、适合隧道环境等。车地无线传输系统为覆盖全线车站、区间和车辆段的高速数据传输网络，为车地之间提供视频、数据、语音等信息的传输通道。

1.2 系统构成

车地无线传输系统平台采用符合IEEE802.11协议的无线局域网技术，主要由无线局域网交换机、无线接入点（AP）和车载天线等设备构成。

1.3 系统功能

（1）车站至列车信息下传：具有广播、组播和寻址功能，能够将特定的信息发送至指定的一列或几列列车，在车厢内反恐信息、旅客乘车信息、高清晰数字视频信息和紧急疏散信息等。（2）提供OCC中央控制大厅内的行车调度员实时发送的预定义信息至任意列车驾驶室内的触摸显示屏，为驾驶员提供视频、文本指导信息。此专用传输通道带宽应不低于600 kbps。（3）列车至车站信息上传：将列车视频监控信息上传至控制中心，实现控制中心（OCC）、对列车旅客、司机位视频信息的选择、切换、监视和控制，以及车辆段控制中心（DCC）对车载视频信息的监控功能。

1.4 车地传输信息类型及带宽需求

（1）正常情况下，每列车同时上传2路列车监视图像至控制中心和车辆段控制中心。紧急情况下，可将列车全部视频监控图像上传至车站和控制中心，共14路。视频压缩、传输和存储编码采用MPEG Ⅳ格式，每路占用带宽不低于600 kb/s。（2）每列车可接收1路高清晰数字视频信息（乘客行车、安防反恐、运营紧急救灾、地铁公益广告、天气预报、新闻、交通信息、数字电视），视频编码采用MPEG Ⅱ格式，每路占用带宽不低于2Mb/s。

1.5 主要技术要求

（1）无线传输系统应确保沿轨道线安装的无线接入点和在移动列车上的移动单元之间建立稳定、安全且能避免冲突的连接。（2）在列车高速运行时，不应丢失连接和引起画面质量降低。（3）通讯应基于802.11系列标准和TCP/IP标准。（4）轨旁的接入点和列车天线的设置应保证列车和固定网络间始终存在可选的无线传输信号路径。当前接入点信号减弱的时候，车载无线设备应能无缝切换至最合适的接入点。（5）无线局域网应充分考虑列车在高速情况下的切换问题，应采取有效措施减少切换时间和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（切换时间应不超过50 ms），且播放质量不受影响。（6）在布置AP时，应充分考虑系统的可靠性，每个AP的覆盖范围应有重叠区，在个别AP和其他设备出现故障时，系统应能正常工作。每个AP的输出功率应尽量小，满足国家规范要求。（7）无线局域网的空中接口、频点范围和加密措施应满足国家有关标准和规定。

2 网络架构设计

无线传输系统总体设计思路是基于地铁业务需求，网络设备和技术发展趋势及业界最佳实践作综合考虑。

（1）网络拓扑结构层次化，支持业务需要的灵活性及可扩展性。

（2）功能模块标准化，可以缩短实施时间，提高部署效率。

（3）冗余的架构来保证网络的可用性，可靠性和稳定性。

地铁无线传输系统的总体实施网络拓扑如下图1所示，由有线网络、无线传输系统网络及车载局域网络组成。

（如图1）首先部署两台WLAN控制器，每台控制器能够支持对300台AP全面系统深入的管理，另外一台做为1+1的冗余备份，两台控制器通过网络方式组成一个高性能，高冗余，高扩展的控制器群组，即能按需实现负载均衡，又能确保关键设备的备份冗余，而且能够根据客户业务提升，高效快捷的拓展整个控制平台的容量。

采用轻型接入点协议（LWAPP）协议实现AP与控制器的通讯，此协议可以让地铁的WLAN配置和管理功能可以自动进行。

控制器无线传输系统服务模块（WiSM）为全网的AP提供了安全性、移动性、冗余。它让WLAN可以使用最安全的无线传输系统系统进行信息传递。

3 无线传输系统双向传输系统方案

3.1 无线通讯模式的选型

3.1.1 无线通讯模式简介

针对地铁车地无线传输系统的需求，即特殊环境下系统的高可靠稳定性、使用的灵活性、业务支持的不间断性、安全性等特点。车载无线传输系统有两种方式可以选择。

（1）采用传统的无线网卡+工控机的方式做为车载无线传输系统单元。

（2）采用工业化AP使用WGB（无线工作组网桥）的方式做为车载无线系统单元。

第一种实现方式我们称作“无线网卡方式”，原理为单台PC安装双网卡，一块无线网卡用于无线通讯及漫游；另一块有线网卡用于连接车载有线网络。

另一种方式为WGB即工作组网桥模式。WGB是Workgroup Bridge的英文缩写，当天线工作在WGB模式时，它可以关联到其它的AP，并对WGB以太网接口上所连接的一组电脑提供无线网桥连接。它可以将不具备无线网卡的设备通过无线网络进行上联，并且在漫游过程中充当有线连接的一组电脑（最多255台设备）的漫游，从而提供令人满意的漫游切换性能。下图2为WGB的工作模式示意图。

车载无线传输设备，是负责实现数据收发以及无线安全连接的关键设备，同时还肩负频繁漫游切换的任务，从技术保证上需要选择合适的产品和工作模式，才能确保系统整体的成功。

3.1.2 无线网卡和工作组网桥对比（表1）

3.2 无线传输系统带宽

3.2.1 带宽需求

对于视频应用数据来讲，主要有两种类型的数据流：交互式视频和流媒体视频。交互式视频有着和VoIP应用同样级别的服务质量要求，这是因为语音流包含在视频流当中了。流媒体视频应用有着相对于交互视频来讲比较宽容的要求，因为通常来讲应用层大都包含大量的缓存。另外，由于流媒体视频相对交互式视频而言流量稳定，不用像交互式视频那样在基本带宽的基础上增加25%的带宽用于突发流量。（见表2）

由此可知，在列车高速运行的情况下，能够保证平均带宽大于19 Mbps，即可满足实时视频传输的要求。

3.2.2 带宽保障

无线传输系统的带宽主要是由轨旁无线设备及车载无线设备性能决定。同时车载无线设备的工作模式也决定了无线传输的带宽。

3.2.3 带宽管理方案

轨旁AP与车站有线交换机之间的连接是采用光纤连接，其端口最大速率可达到100 Mbps。当网络有异常情况发生，在有线网数据以接近于100 Mbps下发至AP的情况下，在短时间内可以依靠AP自身的缓存进行处理，但是长时间如此势必会对AP造成极大的冲击，造成AP工作效率大大下降，影响无线链路的传输。所以在有线交换机端口采用Qos机制（CBWFQ）进行限速，使其适配AP的流量转发能力。针对系统视频传输的要求和设备自身的特性，下行流量建议限制在30 Mbps以内。

3.3 漫游切换机制

3.3.1 漫游技术的分析

地铁环境中无线漫游切换技术是保证系统业务稳定运行的关键技术，漫游技术的选择决定了地铁系统业务实现的实时性和稳定性。由于地铁环境系统对于切换漫游的时延要求极高，所以漫游技术的选择是一个影响整个地铁系统运行的关键。

目前漫游技术通过如下几种方式实现。

（1）采用MobileIP的技术实现跨2、3层的漫游。

（2）WLAN漫游切换技术。

Mobile IP技术通常使用在采用多种无线传输系统技术覆盖、大范围移动漫游情况下，尤其对切换时延要求不高的条件下。因为MobileIP技术增加了FA（外部）和HA（归属）的信息交换及地址获取的过程，也就是说增加了切换的时延。地铁的无线传输环境是采用一种单一的覆盖环境，并不存在多种无线传输系统技术混合使用的场景，并且对时延的要求很高，我们应该在保证无缝切换的同时，尽可能的采用一种可以减少切换时间的切换技术。

3.3.2 漫游切换机制

车载设备的漫游切换，是技术关键所在。无线局域网本身具备与生俱来的移动特性，上面承载的众多应用中，很多都是对时延敏感的，当客户端漫游事件发生时，会导致系统产生额外的处理开销/延时。运用快速安全漫游技术，可以在不牺牲安全性的前提下，简化漫游处理过程，从而满足上层应用对延时方面的严格要求。