对于天津天津地铁1号线无线视频传输系统

论文导读：
（天津市地下铁道运营有限公司，天津 300222）
摘 要：无线视频传输系统（WLAN）是实现列车与地面通信的重要传输手段，本文通过分析WLAN系统的特点，重点研究天津地铁1号线的实施该系统的可行性。
关键词：地铁；无线视频传输系统WLAN；AP天线
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1 研究背景
2006年6月，天津地铁1号线正式开通试运营。2008年8月为配合北京奥运会的安全召开地铁公司在车厢内加装了相应的电视监视系统，但是根据实际需要，指挥行车的调度员无法在线实时观看到列车内的图像信息，在车厢内出现问题时无法第一时间掌握现场情况，这就迫切要求天津地铁1号线采取无线视频传输技术将图像传送到控制中心，为指挥行车提供可靠的安全保障。
2 基于AP天线的WLAN性能方案

2.1 系统功能及轨旁AP布设策略

无线视频传输系统即WLAN系统是实时传输系统作为传输网络的延伸，为天津地铁1号线提供地面与列车之间的通信，无线视频传输系统车地无线通信能够保证列车在高速行驶的情况下，能够以有效带宽不低于10Mbps的速率在列车和运营控制中心服务器间双向传输视频影像，同时保证车载AP同轨旁AP切换时做到“0”丢包。
目前基于WLAN在隧道内的覆盖方式有两种：一种是AP的信号通过漏缆进行传输，还有一种是AP信号通过天线进行无线传播，本次研究的是采用信号通过天线进行无线传播的方式。在沿轨道设置无线接入点（AP）、设置控制中心的无线控制器，以及车载的无线单元和天线。控制中心无线控制器通过传输网络实现与轨道无线接入点相连，在列车上设置车载无线网桥，以达到在全线范围内实时无缝的列车与地面间的图像和数据传递，并实现快速切换。
在区间和站台根据无线信号覆盖的要求设置分布式数据接入交换单元，实现与车载数据控制单元之间的无线数据通信。各轨旁AP通过光纤收发器，以100M光纤与车站交换机相连接，经车站数据控制器对数据进行处理后，通过通信传输系统提供的通道与控制中心连接。

2.2 无线传输网络结构

车地无线双向数据传输网络是整个宽带传输网重要组成部分，无线双向数据传输网络采用AP架构组网方案，主要组成包括有无线管理交换机、无线管理工作站、铺设在轨旁及车辆段的无线基站（AP）和天线、车载无线网桥及天线以及车载交换机等部分，方案符合WLAN 802.11a标准。无线双向数据传输网络中无线系统硬件包括有AP和无线管理交换机。无线管理交换机和AP之间不需直接互联，可以透过IP网络（可由交换机、路由器或其它网络设备组成）互通。
轨旁AP在直线隧道一般每间隔200米布设一个，在弯道或地面根据实际情况采用每间隔50米、100米布设一个，AP采用定向天线，双向无线双向数据传输网络的无线系统采用标准为80

2.11a。

2.3 车载局域网

车载局域网络由车载无线单元、车载交换机组成，车载视频控制器、车载监控设备等接入该网络。车载无线单元提供移动列车与轨旁AP的实时无缝连接，用以实现车载视频设备与控制中心和车站的连接。车载交换机采用工业交换机，实现各节车厢互联，每趟列车车头车尾分别设置无线网桥，同轨旁AP实现互相冗余的车地无线通信。
在地铁列车车头、车尾分别安装一台10端口工业以太网交换机，与车辆提供的以太网接口构成列车内小型局域网，为车载信息显示及车载图像监控提供传输通道。车载局域网采用链网结构，在车头、车尾设置两套独立的无线接收装置，保证在局域网发生断点故障时顺利切换。
3 技术难点分析

3.1 网络链路分析

轨旁AP与车载AP之间无线使用 802.11a用于覆盖列车运行沿线。12路1M监控流，从列车通过无线信号至分布式数据接入交换单元再经车站上传至控制中心。同时无线传输网络必须提供满足系统功能需求，并留有需求带宽25%以上的冗余量，根据以上带宽计算分析，总带宽需求为12Mbps+3Mbps=15Mbps，因此，车地无线双向数据传输网必须提供15Mbps的有效带宽。

3.2 越区切换要求

由于无线网络承载的是视频信号，视频显示不能出现明显断点、失帧、抖动、马赛克等，故要求列车即使在高速运行下，也要保持无线链路不能中断。当车载AP从一个轨旁AP的覆盖范围移动到下一个轨旁AP的覆盖范围时，将发生切换。小区之间的无线切换操作是自动的，并且对于列车操作来说是透明的。
通常802.11a的越区切换时间在500ms到2s之间（包括重新鉴权和其他以安全为目的额外开销），在切换期间，车载AP可能与轨旁AP失去连接（也就是说，通信中断）。为达到零切换时间，采用WLAN基于预测的切换技术（简称，WHFT）。WHFT算法与标准802.11a切换算法的不同在于：WHFT允许车载AP在与旧AP（如APn）脱离前与新AP（如APn+1）建立连接，即在中断前连接。再加上相邻AP彼此重叠足够的区域，就能够实现零切换时间。所有与切换有关的处理，在列车运行在相邻AP重叠区域内都会完成，而重叠区域的大小应该按照列车全速运行来设计，最快切换时延可以小于5ms，可以做到“0”丢包切换。

3.3 无线网络抗干扰能力分析

由于无线信号在传播过程中会存在多个通过不同路径到达接收点的信号分量，使得到达接收点的信号分量在相位和幅度上发生了变化。当所有在接收点的信号分量叠加后，合成信号的幅度就会减小或增加，同时导致严重的符号间干扰，其结果是产生多径衰落，造成通信的不稳定。而地铁沿线很容易产生多径信道。IEEE 802.11a要求采用正交频分复用（OFDM）的技术，将高速数据流分配到数十个相互正交的子载波上，而在每个子载波上是窄带调制，使得信号传输对于多径效应具有选择性衰落。其次，在高速移动环境中，由于发送机与接收机之间的相对运动，会导致接收信号的频率偏移，出现误码。根据理论计算，2.4GHz的802.11a应用频段所引起的频偏在±250Hz以内，这就要求提供的系统频率容量达到±1kHz即可正常使用。
结语
通过在地铁隧道内设置AP天线，在列车内设置相应的交换设备，可以构建成天津地铁1号线无线视频传输系统，实现系统的可用性。对于需要传输15M带宽以及具有抗干扰能力的的需求，需要在摘自：毕业论文提纲www.7ctime.com
软件上采用正交频分复用，确保系统的可靠性。
参考文献
宋文伟.关于铁路运输高速无线数据传输的研究[J].世界轨道交通，2008.
冯军，杨永杰.一种无线视频传输系统的实现.[J].现代电子技术，2005.
[3]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，200

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