我国地铁列车车载视频系统构建研究 胡小波 李卫东 罗玉国 上海贝尔阿尔卡特股份有限公司上海 2 0 1 2 0 6 摘 要 针对国内地铁列车从地面向列车传输视频广播的需求提出基于 W L A N技术的解决方案和基于漏缆的移动数字电视技术方案并对两种技术解决方案进行比较并重点探讨了基于 W L A N双向传输的车载视频系统中无缝无线切换漫游安全性等关键问题 关键词车载视频W L A N A P P I S 无缝无线切换漫游干扰 A n I n v e s t i g a t i o n o f C h i n e s e O n B o a r d M e t r o V i d e o S y s t e m A b s t r a c t : T w o m a i n s t r e a m s o l u t i o n s r e s p e c t i v e l y b a s e d o n W L A N a n d L e a k y c a b l e a r e p r o p o s e d t o s a t i s f y d o m e s t i c d e m a n d o f o n b o a r d m e t r o v i d e o b r o a d c a s t i n g f r o m g r o u n d t o m e t r o t r a i n . T h e s e t w o s o l u t i o n s a r e a n a l y z e d . R e g a r d i n g W L A N s o l u t i o n w i t h b i d i r e c t i o n a l t r a n s m i s s i o n , s e v e r a l k e y i s s u e s a r e f u r t h e r d i s c u s s e d , i n c l u d i n g s e a m l e s s w i r e l e s s r o a m i n g a n d h a n d o f f , s e c u r i t y . K e y w o r d s : O n b o a r d V i d e o , W L A N , A P , P I S , S e a m l e s s w i r e l e s s r o a m i n g a n d h a n d o f f , I n t e r f e r e n c e 1 引言 随着现代城市轨道交通的发展地铁公司越来越注重以乘客为服务中心的乘客信息系统P a s s e n g e r I n f o r m a t i o n S y s t e m 以下简称 P I S 的建设P I S可提供列车时间信息政府公告出行参考股票信息媒体资讯广告等实时多媒体信息在火灾阻塞及恐怖袭击等紧急情况下提供动态紧急疏散指示 从结构上 P I S 可分为中心车站车载网络和广告制作五个子系统从控制功能上分为信息源中心播出控制层车站播出控制层和车站播出设备四个层次目前 P I S 主要有两种可能的实现方式一种是基于 W L A N 的解决方案另一种是沿隧道敷设泄漏电缆向列车提供动态数字视频信号 2 技术方案论述 2 . 1 W L A N方案 W L A N 遵循 8 0 2 . 1 1 a / b / g 协议提供地面与列车的通信手段设备包括在车辆段和沿轨道设置的无线接入点( A P ) 设置在车站或 O C C 的漫游控制设备以及车载的无线单元和天线见图 1 在车站的交换机和轨旁的无线接入点之间通过多模光纤连接考虑到无线接入点的位置可能需要在勘测后有所调整 需预留一部分光缆 光缆可安装在已有的隧道侧面的光缆走线架上或沿轨道的光缆管道中根据车站之间的平均距离可选用 1 2 芯的 L S O H ( 低烟无毒) 多模光缆 P I S的车载子系统是主要包括车载无线接收单元车载 L C D / L E D显示控制器车载 L C D和 L E D 以及车厢布线根据控制器的处理能力和视频监控的需求其它可选设备还包括车载以太网交换机数字录像机 D V R 和摄像头 采用基于 W L A N的视频传输解决方案是目前技术水平下兼具先进性实用性和可扩展性的较成熟的车载视频传输解决方案利用 W L A N接入技术可以实现列车与地之间的双向高速通信该网络目前可提供最高约 2 0 M b p s 左右的带宽稳定带宽约 1 6 M b p s 可满足视频在每小时 1 2 0 公里运行状态下的数据传送需求相当于将以太网延伸到列车上可以用与车站交换数据类似的方式向列车发送视频和电视信号以及由列车向地面发送监控视频信号 通过车载L C D / L E D 显示控制设备实现在列车上的视频和文本信息的发布实现地面信息与车载信息的一致性该方案曾在哥本哈根用于车载 C C T V 视频传输 2 . 2 漏缆技术方案 向列车发送视频信号时采用移动数字视频技术D V B - T由于较低频率的信号在隧道中衰减较大需要采用泄漏电缆实现覆盖见图 2该方案施工相对简单隧道内设备环境耐受力较强 移动数字视频可以通过 S D H或 I P网传送泄漏电缆相关设备主要包括控制中心和车站的视频编解码设备无线发射设备电台泄漏电缆和车载视频解码器视频信号通过上述设备传输到列车上文本信号可通过 T E T R A系统的数据接口传送到车上L E D控制器只与 T E T R A相连接接收文本信号L C D控制器与移动数字电视和 T E T R A 系统同时连接由控制器完成视频和文本信号的混合该方案中移动数字视频技术曾在公交系统得到应用但在轨道交通系统中还没有应用案例 图 1 W L A N 方案示意图 图 2 漏缆方案比较示意图 2 . 3 技术方案比较 优 势 劣 势 采用W L A N 方 式 可提供双向高带宽可同时传送视频和文 本信号 可应用避免单点故障的措施可提供视频 监控信息的反向传输满足对列车进行实 时视频( C C T V ) 监视等安全要求 在列车上和车站采用类似的技术保持地 面信息和车载信息的一致性 标准化的成熟技术具有良好的扩展性 例如将来乘客也能通过它访问因特网 需防止与其它 W L A N 的干扰 在隧道中敷 设漏缆的移 动数字电视 技术 可用同一种数字视频技术实现地面和地 下的移动电视覆盖 如果新敷设漏缆该漏缆将来可用于一些 安全性要求较低的业务 造价高 如果与 T E T R A系统共用漏缆需考 虑其对 T E T R A的影响防止引起安 全问题 技术尚未经过轨道交通环境验证 在地下站和地面站之间存在无缝切 换的问题 仅适合于单向传输视频扩展其它 功能的能力较差 综合比较两种技术方案W L A N 的视频传输解决方案无疑是目前技术水平下兼具先进性实用性和可扩展性的较成熟的双向车载视频传输解决方案可以支持多业务安全可靠根据 A l c a t e l 在哥本哈根的成功经验以下着重就基于 W L A N 的视频传输方案的关键问题进行探讨 3 W L A N车载视频系统关键问题探讨 3 . 1 无缝无线切换漫游 采用基于地铁的线性特点的覆盖和切换规则安装定向天线采用逆转滞后作用的切换方法 图 3 无线覆盖和漫游 图 4 逆转滞后方式的无缝切换漫游 为应对定向性无线漫游引起的双向漫游操作挑战建议使用新的操作理论通过配置车载无线接收单元以下简称 S A 为高漫游和低接入见图 4逆转常规的滞后漫游逻辑在这种情况下S A 将保持持续的提前漫游状态以确保在 S A 移入 A P 覆盖区域之间时实现无缝漫游切换 在列车控制环境下移动是必然的对于连续运行来说通过无线网络时的连续运行十分必要提前漫游状态能够确保无论指向性移动 S A是按前进方向还是按后退方向运行在 S A丢失现有 A P的信号之前漫游到下一个 A P 由于 S A 在持续移动先前与之连接的 A P 不久可能不再适合重新连接因为它的信号强度将迅速消失或逐渐降低到连接阈值以下 将 S A 漫游阈值参数设置为一个高数值可以确保 S A 从不满足于现有的信号电平因此它将一直处于漫游状态期间它会从邻近 A P 列表中选择出最佳 A P 将连接阈值参数设定为一个低数值使得 S A 与下一个较低信号电平的 A P 连接确信下一个 A P 信号会有所改进当 S A 靠近下一个 A P 的覆盖区域时该 A P的信号强度将会上升到漫游阈值以上S A 将会与下一 A P 进行连接这说明沿预定路径的提前扫描和漫游是无缝进行的当 S A 按前进方向移动时在 S A 经过现有 A P 并突然失去其信号之前S A 会与下一个下游A P 进行连接即使它的信号电平较低 3 . 2 如何解决 W I F I系统中的同频干扰多径干扰 基于 8 0 2 . 1 1 a / b / g 的 W i - F i 系统中抗多径干扰的能力主要表现如下 采用 O F D M 技术通过串并变换以及循环前缀等方式减少干扰 通过空间分集增加抗干扰能力 通过在 O F D M传输系统中可采用多天线实现空间分集利用时间频率和空间三种分集技术使无线系统对噪声干扰多径的容限大大增加 为了保证带宽需求 在系统中相邻的A P 选用的通道尽可能为W L A N 8 0 2 . 1 1 频谱不重叠的通道 如1 / 6 / 1 1等 以减少同频干扰的问题针对该问题的考虑如下 基于 W L A N 的碰撞检测和避免措施相邻 A P 可以使用同一个频率因此A P 选择同频时的影响主要在于带宽共享问题 采用定向天线由于列车采用定向天线可以减少车载的移动单元同时访问的 A P数量从图 5中我们可以看到列车仅需与 A P 2 和 A P 3 可能进行通信与 A P 4 实际上已没有通信 AP3AP3AP2AP2AP1AP1AP4AP4以太网WLAN控制器交换机控制信息数据信息图 5 列车与轨旁 A P 通信示意图 图 6 列车与轨旁 A P 通信示意图( 轨旁仅采用单向的天线覆盖) 如果轨旁采用单向的天线覆盖图 6可以进一步降低 A P 之间的信号强度减少 A P 之间的影响实际上列车移动单元不存在的区间相邻 A P 之间已无通信如 A P 1 / A P 2 A P 3 / A P 4 等只有当列车移动单元进入时才有共享带宽的通信如 A P 2 / A P 3 合理控制信号强度和优化 A P部署控制车载移动单元可以同时访问的 A P数量由于在相邻 A P中通常只有一辆列车接入列车移动单元与这两个 A P通信的无线带宽是共享的而该列车移动单元只与其中一个 A P 有数据通信而与另一个 A P 的通信通常只有预切换等控制信息参见图 5 轨旁 A P 与列车移动单元的通信是采用集中控制的方式实际上控制信息量非常少有效减少相邻 A P 的信号冲突 3 . 3 系统的安全性 物理网络的安全性有线网络和无线网络在安全性上的差异仅仅表现在物理安全性上在基于 W L A N的车载视频系统中引入了不可信网络概念网络安全装置( S D ) 信息隧道技术物理信道的多重冗余等使其在安全方面已经超过传统的计算机网络 交换机 交换机 交换机 交换机 交换机 交换机 无线接入单元 无线接入单元 车载移动单元 车载移动单元 偷听 DOS, 仿冒入侵 不可信网络 SD SD SD SD IPSEC 加密通道 防火墙 冗余覆盖 非法 A P WEP 加密 专用 ESSID IPSEC 加密