车地无线传输系统的研究与优化

车地无线传输系统的研究与优化

赵春燕 韩坤

(中车大连机车车辆有限公司 城铁开发部 )

摘要：本文分析了目前主流的车地无线传输系统构成，对其中与地铁车辆联系最为密切的车地PIS系统做了详细的说明，并从传输通道、传输源等方面优化了无线传输性能。

关键字：城市轨道交通 车地无线传输系统

伴随着不断进步的无线通信技术（LTE、WIFI技术等），在地铁车辆智能化运行的今天，车地无线传输系统在车辆运行中起到了越来越重要的作用，全自动运行、智能数据分析、视频推送、监控视频上传等功能，均完全依赖与车地传输信息的可靠性。

1. 概述

目前，主流地铁车辆需要车地传输的系统主要分为以下几种：(1)无线通信系统(主要用于车地无线调度通信)；(2) 信号系统（实现传输车地信息的传输）；(3)车地PIS系统（主要用于实时媒体视频流、实时视频监控视频的传输）；(4)智能运维系统（主要用于车辆各子系统实时状态的传输）等。

表1 车地无线传输系统构成

其中无线系统和信号系统的传输架构相对稳定（虽然有将无线系统集成与信号系统传输的例子，但由于系统较高的稳定性和独立性需求，无线通信系统仍然以独立系统为主）。同时信号系统一般采用传输质量较好的LTE信号传输机制对其通信质量进行保证，因此对两个系统的传输可靠性相对较高。

车地PIS系统主要作用为实现实时视频播放（包括实时视频流、紧急信息和商业广告等）、车辆监控信息上传等功能，这些功能均与车辆的运营及行车安全有直接关系，由于系统通常采取WLAN 无线传输方式，且在一些既有项目中存在不能保证上下行网络传输质量的现象，因此对其进行优化也显得尤为重要。

2. 车地PIS系统无线系统介绍

车地PIS系统无线网络主要由轨旁AP与车载AP构成，车地无线双向传输基于IEEE 802.11ax（具有更小的传输带宽和更长的传输时间）技术实现。能够保证列车在高速行驶的情况下，以有效带宽不低于50Mbps的速率在列车和分线中心服务器间双向传输视频影像，同时留有需求带宽 25％以上的余量。

图1 车地PIS无线传输系统传输架构

轨旁AP每隔150～200米部署一个AP，每个AP外接定向天线，使用不同频点的5G频段分别指向不同的相反方向。

列车车头和车尾各部署一个AP（车头车尾分别使用不同的5G频点，与轨旁AP使用的频点对应），两个AP的天线方向分别与轨旁AP的天线实现对接。

车地PIS系统的信息传输性能优化可从两方面进行：（1）传输介质的优化；（2）传输终端及设备的优化。

1. 1. 传输介质优化

车载AP同时与多个轨旁AP建立链路，车载AP在移动中从已经建立链路的轨旁AP中选择一个合适的作为数据回传的AP。在这种方式下，由于车载AP已事先建立链路，在切换中省去了与新AP关联以及密钥协商等过程，切换时延大大减小，可在30ms内完成快速切换。

图2 多链路通信的建立

车辆移动时，车载AP不断的评估各条链路的质量，动态删除质量变差的链路，并跟前进方向上信号满足条件的轨旁AP建立新的链路；同时通过切换算法使数据回传链路始终使用的是质量最优的那条链路，即通过最优链路的变更实现回传通道的切换。

由于发生切换时不用临时建链，只需将数据回传通道切到已建好的链路上即可，即“软切换” ，避免了先拆链后建链实现切换而带来的巨大业务损失；同时结合转发面的特有优化技术最大可能的降低了切换过程中的丢包概率。

切换过程“双收单发”：实际切换发生时数据传输通道从老链路切换到新链路上，但在一段时间内切换的老链路仍保持激活状态，车载AP仍能接收老链路上发来的数据；车载AP此时处于双收单发状态，老链路上的残余数据仍能接收到不会丢失，理论上实现了切换过程中的“0丢包”。

1. 2. 传输终端及设备的优化

除了传输介质外，车辆端也对直播视频的实时播放和监控视频的实时上传进行了优化。

针对直播视频的实时播放，车辆端车载PIS系统采取在车辆上设置司机室交换机，并提供地面服务器（放置于控制中心）的做法实现缓冲时间的实时调整，从而优化传输质量。

1）控制中心地面服务器布置直播服务软件，负责接收中心实时下发的直播数据流，建立缓冲区域10s时间（时间可根据现场实施情况调整），通过组播方式将视频数据包转发到车地无线网络中；如地面服务器接收补包请求命令，将补发数据以单播方式发送给需要补包的车载服务器。

2）车载播放控制器布置客户端软件，实时接收中心直播服务器转发的直播数据流，建立缓冲区域10s时间（时间根据现场实施情况调整），车载播放控制器在缓冲时间内根据丢包情况向控制中心直播服务器重新请求丢失数据包；车载播放控制器将补包完整的视频数据信息转发给车载媒体系统，最终由车载媒体播放系统解码呈现。

3）车头、车尾播放控制器互为备份，只有一端会给车辆PIS提供直播数据。当地面PIS播放控制器主用端设备异常时，备用端客户端软件启动继续转发直播数据。

对监控视频的传输，车辆采取对摄像头的优化，来进行传输质量的优化：

1）控制中心调看实时监控

选择同时具备主码流和子码流视频流输出的网络摄像机。网络摄像机设置主码流采用2Mbps，用于本地监控视频存储，保证存储视频清晰度。同时设置子码流1Mbps,用于监控视频实时调看，保证了视频传输流畅性和节省车地无线带宽。

2）控制中心调看视频监控录像

车载数字硬盘录像机采用2Mbps码率存储全列车监控视频，控制中心可以通过车地无线网络调取车载数字硬盘录像机中存储的监控视频。为保证存储视频传输质量，避免卡顿、马赛克等问题，由地面监控服务器通过车地无线网络向车载数字硬盘录像机发起监控视频调看请求，同时地面监控服务器采用建立缓冲区域，预计10s（后续根据现场调试情况而定）缓冲区域，采用边下载边播方式进行。保证视频在下载完整后进行播放。

1. 3. 数据安全方面优化

1. 支持包括 WEP、WPA/WPA2–PSK、WPA3-SAE、WPA/WPA2–PPSK、WPA/WPA2/WPA3–802.1X、WAPI等认证/加密方式来保证无线网络安全。认证机制用来对用户的身份进行验证，以限定特定的用户（授权的用户）可以使用网络资源；加密机制用来对无线链路的数据进行加密，以保证无线网络数据只被所期望的用户接收和理解。

2. 支持 WIDS/WIPS 攻击检测，对非法设备进行监测、识别、防范、反制，精细化管理控制，为无线传输的安全保驾护航。

3. 通过AP接入控制，保证接入AP的合法性；通过 CAP/WAP 隧道链路保护和 DTLS 加密，为 CAP/WAP 隧道提供安全保障， 提高AP到 AC之间数据传输的安全性。

综上，车地PIS系统的架构升级保证了车地传输信息的完整性、及时性及安全性，同时车载设备对传输介质及传输终端的优化，进一步提高了车地传输的稳定性，从而保证了行车安全及乘坐舒适性。

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