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    WIFI6 技術在城軌車地無線通信系統中的應用論文

    發布時間:2022-11-23 14:08:45 文章來源:SCI論文網 我要評論














    SCI論文(www.free-home-improvement-tips.com):
     
      摘要:當前,城軌列車的行駛速度越來越快,為滿足列車高速行駛下車地無線傳輸的業務需求,市場上出現了基于WIFI6技術的車地無線通信系統。本文利用WiFi6技術的優勢和特點,建立以WIFI6技術車載高清、超高清視頻業務為核心應用的無線網絡,為城軌車地無線通信網絡的發展提供參考,并展示了WIFI6技術在軌道交通車地無線中的應用特點。
     
      關鍵詞:軌道交通;車地無線通信系統;WIFI6技術
     
      Application of WIFI6 Technology in Urban Rail Vehicle-Ground Wireless Communication System
     
      Liu Xinlin,Zhang Yi,Ren Chuanpeng
     
      (Dalian Metro Management Co.,Ltd.,Dalian Liaoning,116000)
     
      Abstract:The current urban rail construction is developing rapidly.In order to meet the growing demand for rail transit wireless transmission services,a vehicle-ground wireless communication system based on WIFI6 technology has emerged.In this paper,the development process and application advantages of WIFI6 technology are introduced?rstly.Through the advantages and characteristics of WIFI6 technology,a wireless network with WIFI6 technology carrying vehicle high-de?nition and ultra-high-de?nition video services as the core application is established,which provides a reference for the development of the wireless communication network of urban rail vehicles and shows the application characteristics of WIFI6 technology in rail vehicle-ground wireless.Key words:Rail Transit;Vehicle-ground wireless communication system;WIFI6 technology
     
      城市地鐵列車運行速度越來越快,車地無線傳輸通道始終處于高速切換狀態,系統丟包率、傳輸時延、傳輸帶寬及抗多普勒效應等需求都對現有車地無線通信技術提出了挑戰[1]。WIFI6技術的關鍵詞是高效率無線標準(HEW,High-Efficiency Wireless),該協議標準通過優化物理層與鏈路層實現多用戶并發效率的改進,能提高室內、室外場景中頻譜效率和在密集用戶環境中的實際吞吐量。WIFI6技術重新構建了無線接入框架,并可以穩定進行無線傳輸,具有低時延的特性。將WIFI6技術應用于城軌車地無線通信中,更加符合軌道交通高寬帶、低時延的需求。
     
      一、車地無線通信系統需求分析
     
      車地無線通信網絡的主要功能是在地面與列車之間建立穩定的數據信息傳輸鏈接[2]。列車在隧道內或高架橋區間高速行駛過程中,需要具備與地面建立穩定、高效的雙向數據傳輸的能力。車地無線通信網絡在功能上要滿足列車在高速運行時,列車與地面之間需具有的實時雙向數據傳輸的能力;在可靠性方面,需重點考慮網絡接入方式的合理性;在安全性方面,需保護網絡系統軟件、系統中的數據不被惡意破壞、更改、泄露。

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      在構建智慧地鐵的大環境下,城市軌道交通行業的業務需求將面臨更多更高的要求,利用WLAN網絡的大帶寬上傳多路攝像機視頻數據難以發揮其真正的價值,同時,人工監看視頻監控畫面的方式效率過低,勞動強度大,重復性高。結合AI技術自動對視頻信息進行識別可高效發揮視頻數據的價值。
     
      二、車地無線網絡總體架構設計
     
      車地無線網絡通道是通過通信系統提供的主干傳輸網絡構建的,該通道可以實現地面控制中心、車站與移動列車之間各種數據信息的傳輸,同時,可將列車關鍵故障參數傳回地面監測工作站,實現對列車運行狀況的故障預警。
     
      在車地無線網絡拓撲結構建設中,技術人員主要是在控制中心級子系統布置核心網絡設備,并與視頻服務器建立連接,將視頻信息通過車地無線網絡傳輸到列車視頻播放控制器上。在隧道內墻壁上布置無線接收器AP設備,可擴大無線場強信號的覆蓋范圍,實現車載無線網橋與隧道無線AP之間的數據通信。無線接收器AP需要通過單模光纖接入車站交換機,并通過傳輸系統提供的傳輸通道與控制中心系統進行通信。車載子系統在每列車的車頭、車尾各設置一套車載無線設備,以主備模式工作。
     
      (一)車地無線網絡關鍵技術
     
      無線Mesh網絡(無線網狀網絡),即“多跳(multi-hop)”網絡,是一種新型無線網絡技術。Mesh網絡與傳統的WLAN組網方式不同,Mesh網絡可以自主進入配置模式,并確定最優傳輸效率的多跳傳輸路徑。在有設備新增或更改時,Mesh網絡能夠自動檢測網絡拓撲結構的變化,并自動以最新狀態調整網絡路由,獲取最佳傳輸路徑。
     
      車載無線網橋設備與軌旁無線接入點設備都采用Mesh組網方式。Mesh組網方式允許每個車載無線網橋與軌旁無線接入點之間建立多條鏈路,支持在多條鏈路之間實現切換,并可以在數據傳輸的同時完成新鏈路的認證和鑒權工作,使新鏈路在建立后處于備用狀態,在滿足一定的條件后再進行鏈路的切換。Mesh組網方式配合MLSP切換協議可實現小于15ms的切換時延,并保證數據零丟包,由此充分滿足列車高速移動時的通信需求。車載無線網橋與軌旁無線接入點的Mesh組網如圖1所示。
     
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     圖1車載無線網橋與軌旁無線接入點的Mesh組網圖
     
      (二)切換方式
     
      車地無線通信網絡是實現地面與列車實時傳輸各種信息的網絡通道。列車在高速行駛時,需要保持無線通信鏈路正常傳輸,不能在傳輸過程中出現中斷、時延、丟包等情況。當列車在隧道內行駛時,從一個軌旁AP的覆蓋范圍跨越到下一個軌旁AP的覆蓋范圍時,車載無線網橋會發生切換,車載無線網橋在AP區之間的無線切換操作是自動的。
     
      基于傳統802.11系列的無線局域網技術的越區切換時間在500ms—2s之間,但在切換過程中,車載無線網橋可能會與軌旁AP斷開連接。
     
      無線移動快速切換技術,簡稱MLSP(Mobile Link Switch Protocol,移動鏈路切換協議)是用來在列車移動過程中完成創建和切換鏈路任務的,它負責在列車移動過程中的活躍鏈路切換,保障鏈路切換延遲小于15ms,并保證報文不丟失。
     
      1.MLSP處理流程
     
      MLSP算法與標準802.11a/b/g/n切換算法的不同之處在于,MLSP允許車載AP在與舊AP(如APn)斷開前與新AP(如APn+1)建立連接,即先連后斷。在列車行進過程中,所有的切換過程都將在相鄰AP重疊覆蓋區域內完成,而重疊覆蓋區域的大小應考慮隧道內現場環境、列車行駛速度、AP之間的頻率干擾等因素,盡可能地保證切換延遲時間小于5ms,做到零丟包切換,MLSP處理流程如圖2所示。
     

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      2.MLSP切換流程
     
      在列車行駛過程中,車載無線網橋需要基于如下規則進行切換,并在休止備選鏈路中選擇一條場強高的活躍鏈路。
     
      第一,如果沒有休止備選鏈路,車載無線網橋與隧道內無線AP無法建立活躍鏈路。
     
      第二,在建立穩定鏈路時段內,一般不進行鏈路切換,如遇以下兩種情況會發生鏈路切換,一是活躍鏈路上的RSSI超過了鏈路飽和RSS;二是活躍鏈路上的RSSI小于鏈路保持RSSI。
     
      第三,當鏈路保持計時器超時后,如果出現了任何一條休止備選鏈路的RSSI比當前活躍鏈路的RSSI高的現象,那么都不能超過鏈路切換閾值,需要保持現有鏈路穩定連接,不進行切換。

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      第四,正常情況下,當鏈路保持定時器超時,就會出現一條休止備選鏈路的RSSI比當前穩定連接鏈路的RSSI高的現象,超過鏈路切換閾值。此時,只有切換休止備選鏈路的RSSI,使其不超過鏈路飽和RSSI,才可以進行鏈路切換。
     
      第五,正常情況下,如果所有鏈路的RSSI都低于鏈路保持RSSI,那么所有鏈路都會被切斷。
     
      MLSP的切換過程如圖3所示。
     

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      圖3 MLSP切換過程示意圖
     
     
      (三)車載無線網橋主備用分析
     
      隧道內部無線AP設備呈線性部署安裝,目的是提高隧道內場強信號覆蓋率。隧道內無線AP設備配備定向天線,選擇采用車頭位置的車載無線網橋或車尾位置的車載無線網橋作為主用無線網絡進行接入。
     
      當采用車頭車載無線網橋為主接入時,軌旁無線AP的場強信號會逐漸衰落;當車載無線網橋按列車前進方向移動時,只有在車載無線網橋與正在連接的軌旁AP突然失去連接之前,車載無線網橋才會與下一個軌旁AP進行連接。如果采用車頭車載無線網橋主用的方式,使正在連接的軌旁AP的信號強度始終高于下一個軌旁AP,就會不利于穩定傳輸鏈路的建立。
     
      而當采用車尾車載無線網橋為主接入時,軌旁AP的場強信號會逐漸增強。當車載無線網橋按列車前進方向移動時,只有在車載無線網橋檢索到新的軌旁AP的場強信號強度高于正在連接的軌旁AP時,車載無線網橋才會與新的軌旁AP進行連接。采用這種方式,下一個軌旁AP的場強信號強度會始終高于正在連接的軌旁AP的信號強度,能夠穩定地建立傳輸鏈路。

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      三、大連地鐵13號線車地無線傳輸功能測試
     
      (一)測試地點
     
      為了規避傳輸系統300mbps帶寬的瓶頸,本文選擇萬兆模塊在大連地鐵13號線石河黃旗—普灣體育場—石河北海站區間展開測試。由于是室外路段,頻率使用受限,現場使用4×4 MIMO 80MHz頻寬組網方案。大連地鐵13號線線路環境復雜,涉及地下段、高架段、山嶺隧道段等道路,幾乎涵蓋了城軌建設中的全部場景,可以充分驗證車地無線通信系統的業務承載能力。
     
      (二)測試結果
     
      實驗數據表明,WIFI6技術在大連地鐵13號線的實際運行效果可以實現低于10ms的切換時延、零丟包和超過600Mbps的車地通信帶寬(4×4 MIMO 80MHz組網環境)。通過實驗數據評估,采用8×8MIMO 80MHz組網或4×4MIMO 160MHz組網將可達到超過1.2Gbps車地無線通信速率。
     
      四、結語
     
      隨著城市軌道交通服務和管理水平的不斷提高,人工智能運維、全自動運維等軌道交通運營的新業務已逐漸展開,車地無線網絡的發展面臨著更大的挑戰。WIFI6車地無線網絡系統具有超可靠低時延、大規模、大帶寬接入能力,其關鍵指標正好契合未來地鐵業務的需求,并能提供較為完善的城軌專網組網方案。
     
      【參考文獻】
     
      [1]鄧紫陽.EUHT在城市地鐵車地無線通信系統中的應用[J].鐵路通信信號工程技術,2018(7).
     
      [2]凌毓.WIFI6技術解讀及其對5G發展的影響分析[J].信息通信,2020(2).
     
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