智慧城轨Wi-Fi 6无线网络设计方案

彭传贤

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063）

1 智慧城轨无线业务需求

根据轨道交通行业业务需求现状和无线通信技术发展趋势，与轨道交通生产安全相关的列车运行控制业务（CBTC）和集群调度业务由LTE-M 系统承载。智慧城轨无线业务的需求还有很多：涉及智慧乘客服务的PIS 业务、智能列车运行的列车大数据业务、智能运维安全的视频监视业务和检修业务[1]等。这些智慧城轨无线业务数据量大，传输数据速率高，因LTE-M 系统带宽受限，需其他无线技术手段来解决。5G 技术和WLAN 技术是一种选择。智慧城轨无线业务需求的数据速率在150Mbps 以上，5G 技术和WLAN 技术均可满足无线业务需求。但因5G 技术在城轨行业上还处于试验和探索阶段，针对城轨行业5G 公网专用的切片技术、商业合作模式、相关技术标准均还不完善。因此，针对智慧城轨无线业务传输需求，采用Wi-Fi6 技术是目前可行方案。

2 Wi-Fi 6 设计方案

2.1 Wi-Fi 6 技术优势

Wi-Fi联盟于2018年10月正式确立802.11ax标准，并将其命名为Wi-Fi 6。与以前的Wi-Fi 标准相比，Wi-Fi 6 采用多用户多入多出技术（MU-MIMO）和正交频分多址（OFDMA）[2]，提升QAM 调制阶数，使网络速度和容量最大化，最大理论速率达600～9607Mbps。同时，使用BSS 着色技术，减少网络同频干扰，可以提高采用服务多设备能力；采用TWT[3]技术，协调终端与路由的通信时间，有效拓展Wi-Fi 的应用场景。最后Wi-Fi 6 支持192 位WPA 3 安全协议[4-5]，有效提升安全性。综合来说，Wi-Fi 6 拥有更高的网络传输速度，更好的多设备连接性能，尤其是多设备连接性能可明显提升网络的使用体验。同时Wi-Fi 支持2.4GHz 和5GHz 2 个频段，向下兼容a/b/g/n/ac，最高带宽为2.4Gbps。

2.2 无线组网方案

Wi-Fi 6 无线网络组网采用Mesh 方式，Mesh 网络即无线网格网络，是多跳（multi-hop）网络。在典型组网中，在每列列车的车头和车尾各部署一个车载专用的AP，与轨旁地面的AP 间通过无线Mesh 方式对接，实现车地网络间的快速漫游切换。

采用Mesh 组网的优点如下。

2.2.1 多链路并存，相互间冗余备份

同一台车载AP 同时与多个轨旁AP 分别建立Mesh 链路，各链路间可相互做冗余备份，以提供高可靠性。

2.2.2 使用最优动态链路回传数据

车辆移动时，车载AP 不断地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使用质量最优的链路，即通过最优链路的变更实现回传通道的切换。

2.2.3 先建链后切换

车载AP 在发生切换时不需临时建链，只需将数据回传通道切到已建好的链路上即可，即软切换，避免因先拆链后建链实现切换而带来巨大时间损耗。

2.2.4 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，仍能接收到老链路上的残余数据，不会丢失，理论上实现了切换过程中的“0丢包”。

2.3 信道规划方案

Wi-Fi 6 网络支持2.4GHz 和5GHz 双频段通信，在轨道交通车地通信领域，为获取更高的无线带宽，建议选择5GHz 频段作为工作频段。智慧城轨因无线业务数据量大，Wi-Fi 6 采用5GHz 频段具有以下特点。

2.3.1 拥有更多频谱资源

我国2.4GHz 频段仅可划分3 个不重叠20MHz 信道，而5GHz 频段有13 个不重叠20MHz 信道。

2.3.2 可提供更大的频宽

2.4 GHz 频段有且仅能支持1 个40MHz 信道，而5GHz 频段则 可 支持3 个80MHz 信道。

2.3.3 具备更干净的电磁环境

当前2.4GHz 信道的使用率极高，2.4GHz 相比于5GHz 干扰严重。

2.4 AP 覆盖方案

2.4.1 AP 覆盖距离

轨道交通环境中Wi-Fi 6 轨旁和车载AP 均采用MIMO 为4×4 设备，因列车为运动状态，一般按2×2的MIMO 建链。据智慧城轨无线业务需求，列车运行过程车地间的单链路带宽应满足均值200Mbps。考虑在运行中移动时，AP 性能相比静态时带宽损失约40%，即静态时数据速率需达200Mbps/0.6=333Mbps。在Mesh 算法中，空口通信的有效数据占比约60%，因此需保障物理层数据速率达333Mbps/0.6=555Mbps。同时，信噪比是度量通信系统通信质量可靠性的一个主要技术指标，信噪比越大，说明信号中携带噪声信号越小，从而对信号传输的影响越小。表1 为不同MCS 在一定频宽下对应的信噪比。据图1 可知，如AP 频宽80MHz，建链满足MCS7 时，信噪比应不低于31dB。SNR=10lg（PS/PN），底噪通常为-90dBm，即有效信号功率高于-59dBm。由此可知，Wi-Fi 6 无线网络规划时，需保证边缘场强高于-59dBm。

表1 信号强度裕量表

图1 WLAN 的SNR 表

按照边缘场强-59dBm 规划时，还需考虑一定无线信号强度的裕量，其中：

信号强度裕量=（轨旁AP 发射功率+轨旁天线增益-空间衰减-线缆衰减-玻璃衰减+车载天线增益）-边缘场强（1）

因此，在AP 布置间距在150m、180m、200m、300m信号强度裕量见表1。

因此，为保证Wi-Fi 6 无线通信信号的稳定，考虑预留6～10dB 信号强度裕量，推荐选择AP 的间距为150～200m。因轨道交通线路存在一定的曲线，针对不同场景下，不同曲线半径AP 间距的推荐距离见表2。

表2 不同曲线半径下AP 间距表

2.4.2 AP 天线布置

在轨道交通中，AP 设备和AP 天线一般布置在线路的外侧，AP 天线采用定向天线。针对轨道交通线路不同的场景，在轨旁布置天线时，应注意天线安装的方向角。

（1）直线场景：天线方向角需要平行于轨道线路（见图2）。

图2 直线段AP 天线安装示意图

（2）弯道场景：天线覆盖方向需要偏向轨道1～2°左右，同时天线不能靠隧道壁太近（见图3）。

图3 曲线段AP 天线隧道安装示意图

偏离角度可通过弯折L 型安装件实现，高架段则可通过旋转天线抱箍实现（见图4）。

图4 曲线段AP 天线高架段安装示意图

（3）折返线场景：建议天线部署在并行区域的两端，覆盖到折返线内（见图5）。

图5 折返线AP 天线安装示意图

2.5 可靠性设计

为提高Wi-Fi 6 无线网络的可靠性，系统采用Mesh 快速切换技术。列车车头与车尾AP 的Mesh 链路采用主备模式，如以车头Mesh 链路为主，所有智慧城轨无线业务都优先通过车头AP 回传。当主链路异常时，所有业务快速切换至车尾Mesh 链路（需车载工业交换机配合支持），具体实现过程如图6 所示。

图6 Mesh 机制示意图

2.5.1 轨旁AP 每隔一段距离部署一个AP，每个AP 外接2 根定向天线，使用不同频点的5G 频段指向相反方向。

2.5.2 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），2 个AP 天线方向分别与轨旁AP 的2 根天线实现对接。

3 QoS 业务保障

Wi-Fi 6 通过一定的QoS 措施，保障无线业务的服务质量，主要包括：

其一，采用快速漫游切换技术与切换过程中的“双收单发”，满足智慧城轨无线业务传输的低时延与低丢包率要求。

其二，智慧乘客服务车载PIS 业务是一种组播业务。所有的车载多媒体设备需要被加入一个组播组，因AP 链接活跃链路需随着列车运行不停地切换，切换中只有轨旁AP 和车载AP 能感知到活跃链路切换，而其他地面设备无法感知链路切换，致使组播流无法正确转发。此时，车载AP 和轨旁AP 通过IGMP Snooping 功能，建立与更新二层组播转发表，实现业务组播流转发，以保障PIS 业务正常使用。

其三，在智慧城轨多种业务共存情况下，可根据无线业务的重要性，在网络中设置不同的优先级，保障重要业务传输，如设置智能列车运行业务的优先级高于其他业务。

4 结语

Wi-Fi6 承载智慧城轨车地业务传输具有良好的适应性，采用Mesh 方式组网保障了业务传输的可靠性，根据不同地理环境合理布置AP 间距和天线确保了业务带宽。随着技术发展演进，应探索和研究下一代Wi-Fi7 技术在智慧城轨领域的应用。