轨道交通中乘客信息系统的方案研究

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摘要： 介绍乘客信息系统（PIS）的系统构成，分析PIS系统的传输通道要求，着重研究PIS的车地无线通信方案，对几种无线通信技术在可用性、可行性方面进行分析与比较，提出可行的实施方案。
关键词： 轨道交通；乘客信息系统；车地无线通信
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0310098－02
0 引言
传输城市轨道交通正在从以车辆为中心的运营模式发展为以乘客服务为中心的运营模式，十分重视乘客信息系统（PIS）的建设。
乘客信息系统在正常情况下，可提供列车时间信息、政府公告、出行参考、广告等实时多媒体信息；在火灾及阻塞、恐怖袭击等非正常情况下，提供动态紧急疏散指示。PIS为乘客提供了上述各类信息，使乘客安全、高校地乘坐城市轨道交通，也使城市轨道交通高效、安全地运营。
1 PIS系统构成
乘客信息系统由中心子系统、车站子系统、车载子系统以及网络子系统组成，结构图如下：
1）中心子系统构成
中心子系统由中心交换机、中心数据服务器、视频流服务器、磁盘阵列、切换矩阵、直播数字电视编码器、接口服务器、操作员工作站、系统管理工作站及有关软件等组成。
2）车站子系统构成
车站子系统由车站交换机、车站服务器、媒体播放控制器、车站操作员工作站、显示屏等组成。
3）车载子系统构成
车站子系统主要包括天线、车载无线设备、车载信息播出系统和车载视频监视系统。
4）网络子系统构成
网络子系统主要由中心至车站的有线网络及车－地无线局域网组成；中心至车站的有线网络利用专用通信系统的以太网通道，车－地无线局域网主要由中心的无线控制器、无线接入点（AP）、天线、光纤收发器、光缆等设备和线路组成。
2 PIS系统传输通道基本要求
PIS系统所需通道主要由两部分构成：一是控制中心至车站之间的有线通道，二是车站至列车之间的无线网络。
1）有线通道带宽要求
PIS系统所有线通道需带宽主要由两部分构成，中央至车站和列车下传信息所需带宽，列车至中央上传视频信息所需带宽。下传至车站的图像按每路高质量MPEG-2彩色活动高清图像的带宽为25M计算，下传图像按广播方式考虑，下传至车站的图像可以每3个车站不同，假设某条地铁线33个车站，则共需要33（车站数）/3×25=275M。下传至列车的图像按每路高质量MPEG-2彩色活动标清图像的带宽为6M计算，下传图像按广播方式考虑，全线列车播放同样的图像，下传带宽为6M，上传一般按每列车同时有两路MPEG-4或H.264彩色图像计算，每列车共需2×2M（按最大考虑），假若全线运行38列车计，则共为38×2×2M+1×6M =160M。因此，中央至车站之间的有线通道总需求为275M+160M=435M。
2）无线网络要求：① 应保证车－地无线网络的信号场强能够在全线无缝覆盖；② 车－地无线网络系统应充分考虑列车在高速情况下的切换问题（80km/h），保证在车上的实时播放不中断（切换时间应不大于50ms），且播放质量不受影响；③ 车－地无线网络的有效带宽应满足每列车同时上传2路视频（4M）及下传1路标清视频信号（6M），无线带宽应有QoS分级控制。所传图像要顺畅清晰，不能出现画面中断或者跳播的现象；图像压缩编码可以是MPEG-4或H.264格式。车－地无线网络的有效带宽至少11M以上；④ 车－地无线网络系统的空中接口、频点范围和加密措施应满足国家有关标准和规定。
3 PIS信息传输方案比选
3.1 车地通信方式的比选
目前比较实用的列车地面之间的无线信息传输主要是基于IEEE 802.11系列无线局域网方式（WLAN）、基于IEEE802.16的无线宽带技术（WiMAX）。
1）基于IEEE802.11系列的无线局域网（WLAN）
基于IEEE802.11系列的无线通信系统，也称无线局域网（WLAN）。WLAN正逐渐发展成为“公共无线局域网”，为各类用户提供高速的无线接入能力，以满足用户对语音、图像至于多媒体通信的需求，真正实现宽带网络无线接入。
经过多年努力，IEEE 802.11已经发展成为了一个系列标准，下表是常用的四个标准的主要技术参数比较。
802.11a使用了5GHz 的频谱，与802.11b 及 802.11g不可兼容，使用的5GHz 频谱干扰较少，可提供更多的非重叠频道，传输速度较高，但由于技术复杂，使用不普及。
802.11b 及 802.11g 都使用2.4GHz的频谱，可以互相兼容使用，较早时期，由于低成本的缘故，802.11b标准最为普及。目前由于对速率的需求，基于802.11g标准的无线局域网最多。
802.11n是新近出现的，2009年9月，IEEE正式批准了802.11n成为正式标准，802.11n技术速率最高可达600Mbps，可同时工作在2.4GHz和5.8GHz频段，互不干扰，802.11n成为主流是必然趋势，但目前为止还没有成熟产品应用于轨道交通。
目前国内已运营的和在建的轨道交通PIS系统均采用802.11a或802.11g标准。
2）基于IEEE802.16的无线宽带技术（WiMAX）
基于IEEE802.16的无线宽带技术，也称WiMAX，是新兴的无线宽带接入技术，具有大带宽、广覆盖、可移动、非视距传输等优势，802．16标准是为在各种传播环境（包括视距、近视距和非视距）中获得最优性能而设计的。即使在链路状况最差的情况下，也能提供可靠的服务。但IEEE 802.16还没有成熟产品推向市场，而且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的标准也还不很完善，在轨道交通也没有应用先例。
3.2 车站至中心的传输通道方案比选
车站至控制中心之间通道连接，有三种方案：
方案一，通过传输系统提供的传输通道，传输系统具有足够的带宽，只要为PIS划分一个专用的通道就可以，比较方便。
方案二，通过光纤，在交换机上增加光接口，光纤可直接接入，方便，独立，但交换机增加光口需增加一定的费用。
方案三，通过信号专业的以太网，可以深一步集成进信号专业，做到资源共享，节省投资，但可能对信号安全有一定的影响，需要承担一定的风险，由于信号专业一般采用国外设备，能否接进去需与信号专业的设备供货商协商，可能需对信号专业惯用软件做相应修改。
从技术上讲，三种方案都是可行的，但目前城市轨道交通中基本上都采用的是方案一，即通过传输系统提供的传输通道。
4 PIS车地无线网络干扰分析
4.1 与地铁中的无线网络之间干扰分析
目前地铁中的无线网络有：专用无线800M数字集群系统、商用通信800M CDMA、1800M DCS网络、900M GSM网络、3G、无线局域网（2.4G频段），以及公共无线网络等。对于专用无线800M数字集群系统、商用通信800M CDMA、1800M DCS网络、900M GSM等网络而言，由于频段相差较远，干扰可以忽略不计。对于公共无线网络可以通过设置小功率、大密度的场强覆盖方式，加强对场强的控制，减小对其的干扰。
目前无线局域网展频技术主要又分为跳频技术及直接序列两种方式，如果采用这两种技术，则可以避免大量的干扰，而对于少量的干扰可通过增加滤波器等器件来实现。
4.2 与信号CBTC之间的干扰分析
若信号系统采用移动闭塞信号系统，CBTC-RF与车载乘客信息显示系统一样，采用商用的符合IEEE802.11b/g标准的无线局域网WLAN进行车地通信，采用天线发射方式，两个无线局域网系统均设置在同一隧道里，无疑存在干扰问题。
根据目前无线局域网的技术特点，我们提出有以下解决PIS系统与信号系统之间车-地通信干扰的方案。
方案一：PIS系统利用信号系统统一设置无线局域网为其提供通道。
PIS系统与信号系统共享车-地通信，节省了投资。PIS系统利用信号系统设置的无线局域网进行透明的信息传输，不存在相互干扰问题，但需要在PIS系统与信号系统间增加传输接口。
但信号系统（CBTC）有以下特点：
1）数据量小，但是对数据准确度/数据实时性要求很高；
2）需要和Siemens, Alcatel, Bombardier等铁路信号控制系统集成。
如果信号系统采用基于802.11标准的FHSS，信号系统基本无法提供足够的带宽给PIS系统。基于以上一些局限性，由信号系统统一设置无线局域网具有较大风险性。因此该方案基本不推荐。
方案二：PIS系统与信号系统均采用2.4G频段（ISM），各自单独建立无线局域网，频点避让。
如果信号系统采用基于802.11b和802.11g 标准的WLAN（FHSS除外），共有14个频点，其中三个频点是完全互不干扰的。PIS系统与信号系统采用频点避让的方式减少干扰，由信号系统来统一频点规划和设计，使信号系统尽量在两个独立的隔离信道内解决车-地传输。
方案三：PIS系统和信号系统采用不同频段的无线局域网。
PIS系统与信号系统的车-地通信的无线局域网不在一个频段，可以互不干扰。
北京地铁4号线、武汉市轨道交通1号线PIS系统已经获得无委会对5.8GHz频段的使用许可及备案（有偿使用），现均已开通。因此，信号系统与PIS系统分别采用不同频段是可以实现的。
5 车地无线网络覆盖
无线网络覆盖采用天线时，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。根据经验传播模型用来进行隧道覆盖设计，该传播模型为：Lpath=20lgf+20lgd-28（dB）其中：f代表频率（MHz）、d代表距离（米）。
链路计算为：当取AP点功率Pt=16dBm（40mw），接收模块最小接收电平如表2：
上述计算表明AP节点之间连接的最大范围是350米左右。
目前，WLAN各个厂家的产品有一些不同，采取的AP之间切换技术不一样，其应用效果有所不同。PIS无线网络应用效果关键取决于无线网络的场强覆盖、切换技术和设备本身的可靠性，本阶段隧道区间暂按200米设置1个AP考虑。
列车上需预留与无线接收设备的接口以及无线接收设备的安装位置，并为无线接收设备提供所需电源。
根据无线网络系统的要求（车速达80km/h，切换时间小于50ms）和发射功率的要求，原则上隧道内按200m间隔布放1套AP和天线（遇到弯道处需要增加布点），每套AP要求的覆盖半径是不小于100m；如果考虑到覆盖区域必须有重叠，并且当个别AP发生故障时，系统仍然能够正常运转，每个AP实际的覆盖半径应该不大于200m。
车载系统AP天线对准隧道AP方向布设。车载系统中车头和车尾各带一个AP，可以实现两套AP接收系统的主备，当车头向前运行时，启动车头的AP进行通信，当掉转头使用车尾前进时，可以切换为车尾的AP来进行通信；如果需要，以上层软件来控制车头车尾AP实现同时工作的负载分担。
6 结束语
可以看出PIS系统方案设计的重点以及难点是车地无线通信的方案设计。通过上文对WiMAX技术和WLAN几种标准的分析和比较，采用WLAN技术可以满足在列车时速80m/h件下的PIS地间的无线通信，在目前技术条件下具有较高实用性、可靠性、可行性的技术方式。要构建性能优越的PIS车地无线通信系统，还需要对地铁环境中各无线网络系统之间的干扰，以及车地无线通信的无缝切换、无线网络安全、QoS保障、无线接入的选点等多个方面分析，才能确保整个系统方案切实可行。
参考文献：
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