WiFi6技术在大连地铁车辆段车地无线网络改造的应用_刘新琳.pdf

工业控制计算机2023年第36卷第2期地铁车辆段车地无线网络系统主要功能是列车在车辆段停靠检修过程中，将列车驾驶室、车厢的视频监控图像传回到地面服务器进行转存备份。同时，将列车各传感器采集到的列车关键故障参数传回到地面监测工作站，对信息进行分析处理，实现对列车运行状况的故障预警1。以大连地铁车辆段为例分析现有车辆段车地无线网络系统存在的弊端及造成弊端的原因，本文提出车地无线网络系统的改善方案，综合解决老旧车辆段车地无线网络系统的问题。1车辆段车地无线网络系统架构车辆段车地无线网络在控制中心级子系统布置核心网络设备，负责与中心服务器、视频服务器通过以太网交换机接口，接收视频信息并将相关信息通过车地无线网络传输到列车上。在车辆段墙壁上布置无线接收器AP设备延伸无线覆盖，实现与车载无线设备之间的无线数据通信。车辆段无线接收器AP通过单模光纤接入车辆段网络交换机，通过通信传输系统提供的通道与控制中心连接。车载子系统在每列车的车头、车尾各设置1套车载无线设备，以主备模式工作，且均工作在“胖AP”的模式，车地无线网络系统架构如图1所示。2WiFi6技术概述2018年10月，WiFi联盟宣布确立802.11ax协议标准，命名为WiFi6，并于2019年正式启用WiFi6协议标准。有别于802.11a/g/n/ac所采用的OFDM，802.11ax在上行和下行都采用了与4G/5G一样的正交频多址接入方式，增加了频域上的多用户复用2。如表1所示。WiFi6的关键字是高效率无线标准（HEW，High-EfficiencyWireless），该协议通过对物理层和链路层的优化实现了多用户并发效率的改进，解决了有效吞吐率低的问题，其最终目标是支持室内室外场景、提高频谱效率和密集用户环境下4倍实际吞吐量的提升3。3基于WiFi6技术车辆段车地无线网络改造方案3.1基于WiFi6车地无线网络关键技术3.1.1组网结构在传统的无线局域网中，每个客户端均通过一条与AP相连的无线链路来访问网络，形成一个局部的BSS（Basic Ser-vice Set）。用户如果要进行相互通信的话，必须首先访问一个固定的接入点（AP），这种网络结构被称为单跳网络。WiFi6 技术在大连地铁车辆段车地无线网络改造的应用刘新琳张一（大连地铁运营有限公司，辽宁 大连116000）Application of WiFi6 Technology in Reconstruction of Wireless Networkin Dalian Metro Depot摘要：随着城市轨道交通服务和管理水平的不断提高，现代化的城市地铁系统对信息服务越来越重视。大连地铁PIS系统车辆段车地无线网络实现列车停靠车辆段内与地面段之间双向数据信息传输转存的功能。对大连地铁PIS系统车辆段车地无线网络的构成、功能、技术特点作了简要阐述，对车辆段车地无线网络的现状进行了分析与测试，并提出基于WiFi6技术在改善车辆段车地无线网络现状的解决方案。关键词：轨道交通；车辆段；车地无线通信系统；WiFi6技术Abstract:With the continuous improvement of urban rail transit service and management level,the modern urban sub-way system pays more and more attention to information service.Dalian Metro PIS system depot wireless network realizesthe function of two-way data information transmission and storage between the train parking depot and the ground section.In this paper,the composition,function and technical characteristics of the vehicle-ground wireless network of the DalianMetro PIS system depot are expounded briefly.The current situation of the vehicle-ground wireless network in the depot isanalyzed and tested.Based on the WiFi6 technology,a solution to improve the current situation of the wireless network inthe vehicle depot is proposed in this paper.Keywords:rail transit,depot,vehicle-ground wireless communication system,WiFi6 technology图1车辆段车地无线网络系统架构表1802.11ax与802.11ac协议主要参数对比59WiFi6技术在大连地铁车辆段车地无线网络改造的应用（上接第58页）执行一次。IO输入输出程序主要包括了I/O端口的初始化、开关量输出、采集开关量输入、并对输入数据进行滤波，滤除干扰数据，同时将输入数据的位序进行调整，最后将自身挂起10 ms。在CAN初始化完成后，程序首先配置通信地址，配置完成后，判断输出是否有更新，有更新则下发输出更新CAN帧，没有则判断是否收到有效CAN帧，收到后对CAN通信超时计数器清零，判断是输入状态帧或输出状态帧或下位请求配置帧，如果是输出状态帧，则更新保持寄存器数据，如果是输入状态帧，则更新输入寄存器数据。输入状态更新时，发送“输入改变”信号量，如果是下位请求配置帧，则回到CAN初始化阶段，重启整个循环。TCP任务主要负责与上位机进行通信，任务创建后首先对以太网口进行初始化，配置IP地址，如果没有Modbus客户端接入，任务主动挂起10 ms，如果有Modbus客户端接入，程序会判断是否收到Modbus-TCP帧，没收到就进行超时处理，收到的话对数据帧进行解析处理，当输出有更新时，将更新写入寄存器，通知CAN任务更新下位机输出，如果输出没更新，任务主动挂起10 ms。4结束语将轨道电路模拟单元、信号机模拟单元、转辙机单元的硬件电路板和模拟检测上位机软件相互配合，实现了模拟信号室外轨道电路、信号机、转辙机开关量的功能。轨道电路单元集成150路开关；信号机单元集成8架进站信号机、24架出站信号机、24个四灯位发车表示器、50架调车信号机、24架通过信号机；转辙机单元集成105路转辙机。实验表明3个模拟单元能准确模拟真实铁路信号运行状态，并且连接方便，大大降低操作难度，具有很高的应用价值。参考文献1曹旭辉.铁路信号室外通用模拟盘下位机装置的研究D.成都：西南交通大学，20212谷胜元.铁路信号模拟试验中采用计算机软件+采驱板替代模拟盘的研制J.科技创新与应用，2020（18）：86-873陈大千.铁路室外信号试验模拟盘的设计与实现J.工程建设与设计，2019（24）：83-844荆晶.信号模拟试验仪的研究J.价值工程，2016，35（12）：115-117收稿日期：2022-06-15无线Mesh网络（无线网状网络）也称为“多跳（multi-hop）”网络，与传统无线网络完全不同的一种新型无线网络技术。Mesh组网其核心内容是任何无线网络节点都可以同时作为接入点与路由器，网络中的每一个节点都可以发送与接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行通信4。车载无线网桥设备与车辆段部署的AP设备采用Mesh组网方式，Mesh组网方式允许每个车载无线网桥设备与车辆段AP之间建立多条链路，在多条链路之间实现切换，在车地无线通信数据传输的同时完成新链路的认证和鉴权工作，从而使得新链路建立后处于备用状态，当满足一定的条件后再进行链路的切换5。相较于传统的硬切换方式，Mesh组网方式配合ML-SP切换协议可实现小于15 ms的切换时延，并保证数据的“0”丢包，充分满足了列车高速移动时的通信需求。3.1.2 MLSP切换技术基于无线移动快速切换技术，简称MLSP（Mobile LinkSwitch Protocol，移动链路切换协议）。MLSP就是用来在列车进入车辆段过程中，完成创建和切换链路任务的，它负责在列车进入车辆段过程中的活跃链路切换，保障链路切换时延小于15 ms，并保证报文不丢失。MLSP算 法与标准802.11a/b/g/n切 换 算法 的 不同 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。再通过相邻AP彼此重叠覆盖的区域，就能够实现零切换时间。MLSP的切换过程如图2所示：图2MLSP切换过程示意图3.2信号覆盖方案1）Client组网方式。车载网线网桥与车辆段AP设备以Client模式进行组网。Client模式好处是可自动进行扫描并选择信号强度最好的车辆段AP建立连接。2）RRM功能。车辆段是典型的密集覆盖场景，WLAN方案易出现同频干扰的情况。可在无线控制器开启RRM功能，进行功率和信道的自动规划，尽可能减少库内的无线干扰问题。3）无缝覆盖。车辆段要实现无缝覆盖，AP部署数量要根据轨道的数量和实际需要传输的数据量评估，要保障每一个车辆段AP设备可根据实际业务需求覆盖23条轨道。3.3改造方案列车在进入车辆段时，大部分情况下停靠的轨道是不固定的。改造方案要保证列车不管以何种方式进入车辆段都需要能够正常建立车地无线传输链路。车辆段每股道头尾侧都需要部署轨旁AP设备，解决车辆入库头尾不固定的问题。同时车地无线网络要实现无缝覆盖，无线控制器AC开启自动功率控制和自动信道规划。为避免库内无线网络的同频干扰，采用20 MHz频宽的组网方式。单个轨旁AP覆盖23条轨道。车载无线网桥设备同时只能有1台在工作，避免由于车头车尾两台车载无线网桥都在线工作，导致的业务流向不明确问题，也防止两条链路同时存在时形成环路。4结束语基于WiFi6技术的车辆段车地无线网络系统可以通过全自动的、非人工的方式实现视频数据自动传输，可以每日更新列车本地保存的录播视频，同时可以对车载CCTV视频监控数据进行地面转存。该改善方案对于老旧车辆段车地无线网络系统增改建具有指导意义。参考文献1矫德余，石勇，张增一.城轨车辆段车地无线传输系统设计与应用J.都市快轨交通，2021，34（4）：29-332凌毓.Wi-Fi6技术解读及其对5G发展的影响分析J.信息通信，2020（2）：268-2693黄宇，李雨汝.WiFi6技术现状综述J.中国无线电，2021（5）：90-914刘晓娟，姚文瑞.无线Mesh网在城市轨道交通车地通信系统中的研究J.计算机应用研究，2012，29（12）：4723-4725，47285杜雅茹.无线网络技术在城轨信号系统车地通信中的应用J.郑州铁路职业技术学院学报，2012，33（4）：17-19收稿日期：2022-06-1060