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摘要：当前，城轨列车的行驶速度越来越快，为满足列车高速行驶下车地无线传输的业务需求，市场上出现了基于WIFI6技术的车地无线通信系统。本文利用WiFi6技术的优势和特点，建立以WIFI6技术车载高清、超高清视频业务为核心应用的无线网络，为城轨车地无线通信网络的发展提供参考，并展示了WIFI6技术在轨道交通车地无线中的应用特点。
关键词：轨道交通；车地无线通信系统；WIFI6技术
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 introducedfirstly.Through the advantages and characteristics of WIFI6 technology,a wireless network with WIFI6 technology carrying vehicle high-definition and ultra-high-definition 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
城市地铁列车运行速度越来越快，车地无线传输通道始终处于高速切换状态，系统丢包率、传输时延、传输带宽及抗多普勒效应等需求都对现有车地无线通信技术提出了挑战[1]。WIFI6技术的关键词是高效率无线标准(HEW，High-Efficiency Wireless)，该协议标准通过优化物理层与链路层实现多用户并发效率的改进，能提高室内、室外场景中频谱效率和在密集用户环境中的实际吞吐量。WIFI6技术重新构建了无线接入框架，并可以稳定进行无线传输，具有低时延的特性。将WIFI6技术应用于城轨车地无线通信中，更加符合轨道交通高宽带、低时延的需求。
一、车地无线通信系统需求分析
车地无线通信网络的主要功能是在地面与列车之间建立稳定的数据信息传输链接[2]。列车在隧道内或高架桥区间高速行驶过程中，需要具备与地面建立稳定、高效的双向数据传输的能力。车地无线通信网络在功能上要满足列车在高速运行时，列车与地面之间需具有的实时双向数据传输的能力；在可靠性方面，需重点考虑网络接入方式的合理性；在安全性方面，需保护网络系统软件、系统中的数据不被恶意破坏、更改、泄露。
在构建智慧地铁的大环境下，城市轨道交通行业的业务需求将面临更多更高的要求，利用WLAN网络的大带宽上传多路摄像机视频数据难以发挥其真正的价值，同时，人工监看视频监控画面的方式效率过低，劳动强度大，重复性高。结合AI技术自动对视频信息进行识别可高效发挥视频数据的价值。
二、车地无线网络总体架构设计
车地无线网络通道是通过通信系统提供的主干传输网络构建的，该通道可以实现地面控制中心、车站与移动列车之间各种数据信息的传输，同时，可将列车关键故障参数传回地面监测工作站，实现对列车运行状况的故障预警。
在车地无线网络拓扑结构建设中，技术人员主要是在控制中心级子系统布置核心网络设备，并与视频服务器建立连接，将视频信息通过车地无线网络传输到列车视频播放控制器上。在隧道内墙壁上布置无线接收器AP设备，可扩大无线场强信号的覆盖范围，实现车载无线网桥与隧道无线AP之间的数据通信。无线接收器AP需要通过单模光纤接入车站交换机，并通过传输系统提供的传输通道与控制中心系统进行通信。车载子系统在每列车的车头、车尾各设置一套车载无线设备，以主备模式工作。
(一)车地无线网络关键技术
无线Mesh网络(无线网状网络)，即“多跳(multi-hop)”网络，是一种新型无线网络技术。Mesh网络与传统的WLAN组网方式不同，Mesh网络可以自主进入配置模式，并确定最优传输效率的多跳传输路径。在有设备新增或更改时，Mesh网络能够自动检测网络拓扑结构的变化，并自动以最新状态调整网络路由，获取最佳传输路径。
车载无线网桥设备与轨旁无线接入点设备都采用Mesh组网方式。Mesh组网方式允许每个车载无线网桥与轨旁无线接入点之间建立多条链路，支持在多条链路之间实现切换，并可以在数据传输的同时完成新链路的认证和鉴权工作，使新链路在建立后处于备用状态，在满足一定的条件后再进行链路的切换。Mesh组网方式配合MLSP切换协议可实现小于15ms的切换时延，并保证数据零丢包，由此充分满足列车高速移动时的通信需求。车载无线网桥与轨旁无线接入点的Mesh组网如图1所示。
图1车载无线网桥与轨旁无线接入点的Mesh组网图
(二)切换方式
车地无线通信网络是实现地面与列车实时传输各种信息的网络通道。列车在高速行驶时，需要保持无线通信链路正常传输，不能在传输过程中出现中断、时延、丢包等情况。当列车在隧道内行驶时，从一个轨旁AP的覆盖范围跨越到下一个轨旁AP的覆盖范围时，车载无线网桥会发生切换，车载无线网桥在AP区之间的无线切换操作是自动的。
基于传统802.11系列的无线局域网技术的越区切换时间在500ms—2s之间，但在切换过程中，车载无线网桥可能会与轨旁AP断开连接。
无线移动快速切换技术，简称MLSP(Mobile Link Switch Protocol，移动链路切换协议)是用来在列车移动过程中完成创建和切换链路任务的，它负责在列车移动过程中的活跃链路切换，保障链路切换延迟小于15ms，并保证报文不丢失。
1.MLSP处理流程
MLSP算法与标准802.11a/b/g/n切换算法的不同之处在于，MLSP允许车载AP在与旧AP(如APn)断开前与新AP(如APn+1)建立连接，即先连后断。在列车行进过程中，所有的切换过程都将在相邻AP重叠覆盖区域内完成，而重叠覆盖区域的大小应考虑隧道内现场环境、列车行驶速度、AP之间的频率干扰等因素，尽可能地保证切换延迟时间小于5ms，做到零丢包切换，MLSP处理流程如图2所示。
2.MLSP切换流程
在列车行驶过程中，车载无线网桥需要基于如下规则进行切换，并在休止备选链路中选择一条场强高的活跃链路。
第一，如果没有休止备选链路，车载无线网桥与隧道内无线AP无法建立活跃链路。
第二，在建立稳定链路时段内，一般不进行链路切换，如遇以下两种情况会发生链路切换，一是活跃链路上的RSSI超过了链路饱和RSS；二是活跃链路上的RSSI小于链路保持RSSI。
第三，当链路保持计时器超时后，如果出现了任何一条休止备选链路的RSSI比当前活跃链路的RSSI高的现象，那么都不能超过链路切换阈值，需要保持现有链路稳定连接，不进行切换。
第四，正常情况下，当链路保持定时器超时，就会出现一条休止备选链路的RSSI比当前稳定连接链路的RSSI高的现象，超过链路切换阈值。此时，只有切换休止备选链路的RSSI，使其不超过链路饱和RSSI，才可以进行链路切换。
第五，正常情况下，如果所有链路的RSSI都低于链路保持RSSI，那么所有链路都会被切断。
MLSP的切换过程如图3所示。
图3 MLSP切换过程示意图
(三)车载无线网桥主备用分析
隧道内部无线AP设备呈线性部署安装，目的是提高隧道内场强信号覆盖率。隧道内无线AP设备配备定向天线，选择采用车头位置的车载无线网桥或车尾位置的车载无线网桥作为主用无线网络进行接入。
当采用车头车载无线网桥为主接入时，轨旁无线AP的场强信号会逐渐衰落；当车载无线网桥按列车前进方向移动时，只有在车载无线网桥与正在连接的轨旁AP突然失去连接之前，车载无线网桥才会与下一个轨旁AP进行连接。如果采用车头车载无线网桥主用的方式，使正在连接的轨旁AP的信号强度始终高于下一个轨旁AP，就会不利于稳定传输链路的建立。
而当采用车尾车载无线网桥为主接入时，轨旁AP的场强信号会逐渐增强。当车载无线网桥按列车前进方向移动时，只有在车载无线网桥检索到新的轨旁AP的场强信号强度高于正在连接的轨旁AP时，车载无线网桥才会与新的轨旁AP进行连接。采用这种方式，下一个轨旁AP的场强信号强度会始终高于正在连接的轨旁AP的信号强度，能够稳定地建立传输链路。
三、大连地铁13号线车地无线传输功能测试
(一)测试地点
为了规避传输系统300mbps带宽的瓶颈，本文选择万兆模块在大连地铁13号线石河黄旗—普湾体育场—石河北海站区间展开测试。由于是室外路段，频率使用受限，现场使用4×4 MIMO 80MHz频宽组网方案。大连地铁13号线线路环境复杂，涉及地下段、高架段、山岭隧道段等道路，几乎涵盖了城轨建设中的全部场景，可以充分验证车地无线通信系统的业务承载能力。
(二)测试结果
实验数据表明，WIFI6技术在大连地铁13号线的实际运行效果可以实现低于10ms的切换时延、零丢包和超过600Mbps的车地通信带宽(4×4 MIMO 80MHz组网环境)。通过实验数据评估，采用8×8MIMO 80MHz组网或4×4MIMO 160MHz组网将可达到超过1.2Gbps车地无线通信速率。
四、结语
随着城市轨道交通服务和管理水平的不断提高，人工智能运维、全自动运维等轨道交通运营的新业务已逐渐展开，车地无线网络的发展面临着更大的挑战。WIFI6车地无线网络系统具有超可靠低时延、大规模、大带宽接入能力，其关键指标正好契合未来地铁业务的需求，并能提供较为完善的城轨专网组网方案。
【参考文献】
[1]邓紫阳.EUHT在城市地铁车地无线通信系统中的应用[J].铁路通信信号工程技术，2018(7).
[2]凌毓.WIFI6技术解读及其对5G发展的影响分析[J].信息通信，2020(2).
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