未來大軌道交通通信系統(tǒng)研究

李鵬

摘 要 通過描述各軌道交通通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀，分析目前不同軌道交通方式的通信網(wǎng)絡(luò)存在的問題，同時(shí)通過分析軌道交通通信業(yè)務(wù)的異同點(diǎn)，提出未來大軌道交通領(lǐng)域通信系統(tǒng)融合的觀點(diǎn)及相關(guān)探討。

關(guān)鍵詞 軌道交通；CBTC；通信融合

中圖分類號(hào)：U285 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）03-0006-02

21世紀(jì)以來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，中國的軌道交通也發(fā)生了翻天覆地的變化，不僅高速鐵路在大鐵上從無到有，城市軌道交通中的通車?yán)锍毯图夹g(shù)水平上也發(fā)生了巨大的變化，而通信與軌道交通這兩種看似“不相關(guān)”的系統(tǒng)結(jié)合的越來越緊密。

1 國內(nèi)軌道交通的發(fā)展現(xiàn)狀

由于城市軌道交通和國家鐵路的車輛的形態(tài)、運(yùn)輸組織以及配套設(shè)施大致相同，因此在廣義上，兩者均屬于大軌道交通的范圍。

1）在城市軌道交通領(lǐng)域，自1863年世界上第一條地下鐵路在倫敦正式運(yùn)營之后，城市軌道交通系統(tǒng)得到了全球均得到了較快的發(fā)展，城市軌道交通己成為世界各主要特大城市倍受青睞的一種交通方式。在中國，截止2013年底，我國軌道交通運(yùn)營線路累計(jì)已達(dá)到80條，運(yùn)營總里程已突破2400千米，涉及運(yùn)營車站達(dá)到1600座。同時(shí)，我國近期已獲得國家批準(zhǔn)建設(shè)軌道交通的城市已達(dá)到37個(gè)，高居世界第一，據(jù)預(yù)測(cè)我國城市軌道交通的建設(shè)熱潮至少持續(xù)10年以上。

2）而在國家鐵路（大鐵）領(lǐng)域，自2004年中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃發(fā)布后，中國開始進(jìn)入高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)時(shí)期。截至2013年底，全國鐵路營業(yè)里程達(dá)10.3萬千米，其中高鐵運(yùn)營里程1.1萬千米，居世界第一位。根據(jù)中國鐵路總公司近期調(diào)整后的《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，預(yù)計(jì)到2015年，中國高速鐵路運(yùn)營里程將達(dá)到1.9萬千米；到2020年，中國鐵路營業(yè)里程將達(dá)到12萬千米以上，快速客運(yùn)網(wǎng)基本覆蓋中國各省省會(huì)及50萬以上人口城市。

2 基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC系統(tǒng)）

隨著現(xiàn)代軌道交通的運(yùn)輸效率越來越高，要求前后兩列列車的行車間隔也越來越短，這勢(shì)必需要專門的鐵路行車指揮或列車控制系統(tǒng)來代替人工來指揮列車運(yùn)行。以地鐵為例，傳統(tǒng)行車指揮系統(tǒng)一般采用基于軌道電路的固定閉塞形式，其能夠支持的最小列車運(yùn)行間隔一般為100秒，而如果采用基于無線通信的列車控制系統(tǒng)，能夠支持的最小列車間隙則能夠達(dá)到75秒，相當(dāng)于運(yùn)輸效率能夠再提高25%。此外，基于CBTC信號(hào)系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的軌道交通信號(hào)系統(tǒng)也有著其他顯著優(yōu)勢(shì)，包括：

1）無需繁雜的電纜，轉(zhuǎn)而以無線通信系統(tǒng)代替，減少電纜鋪設(shè)及維護(hù)成本。

2）車輛與控制中心可實(shí)現(xiàn)雙向通信，大幅度提高了列車區(qū)間通過能力。

3）信息傳輸流量大、效率高、速度快，容易實(shí)現(xiàn)移動(dòng)自動(dòng)閉塞系統(tǒng)。

4）適應(yīng)各種車型、不同車速、不同運(yùn)量、不同牽引方式的列車，兼容性強(qiáng)。

5）支持信息分類傳輸，可以集中發(fā)送和處理，提高調(diào)度效率。

可以看出，在軌道交通中，無線通信系統(tǒng)已不再是僅僅承擔(dān)傳統(tǒng)的語音功能，而是還要承擔(dān)更加重要的列車控制數(shù)據(jù)的傳輸通道功能。目前在大鐵領(lǐng)域，CBTC系統(tǒng)已經(jīng)有了比較成熟的基于GSM-R網(wǎng)絡(luò)的CTCS-3列控系統(tǒng)，而在城市軌道交通領(lǐng)域，也已經(jīng)開始了基于WiFi的列車控制系統(tǒng)的嘗試。因此，從支撐列車高效和安全運(yùn)行的角度來說，通信系統(tǒng)對(duì)于軌道交通有了更加重要的作用和意義。

3 目前CBTC系統(tǒng)存在的問題

雖然CBTC系統(tǒng)能夠大幅提高列車的運(yùn)行效率，但是在實(shí)際運(yùn)用過程中現(xiàn)有的CBTC系統(tǒng)還是存在比較大的問題。

1）頻率受限。在大鐵領(lǐng)域，由于歷史原因，分配的GSM-R帶寬僅有4M，可用頻點(diǎn)也僅有19個(gè)，因此在進(jìn)行頻率規(guī)劃時(shí)非常困難；而在城市軌道交通領(lǐng)域，沒有專門給CBTC系統(tǒng)分配專屬頻譜，而是與民用WiFi 2.4G共享頻段。

2）頻率干擾。在大鐵領(lǐng)域，國內(nèi)分配的4M GSM-R帶寬與中國移動(dòng)共享，因此存在嚴(yán)重的互相干擾卻無法解決的現(xiàn)狀；而在城市軌道交通領(lǐng)域，由于與民用共享2.4G頻譜，因此也存在與其他WiFi系統(tǒng)的嚴(yán)重干擾，無疑帶來極大的安全隱患。

3）傳輸瓶頸。在大鐵領(lǐng)域，GSM-R系統(tǒng)由于采用低速CSD（電路域數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)）來承載列控業(yè)務(wù)，所能提供最高9.6 kbps的帶寬顯然非常有限，而目前通過GPRS承載的一些PS域業(yè)務(wù)，也由于其最多提供171 kbps的傳輸能力顯得捉襟見肘；而在城市軌道交通領(lǐng)域，雖然WiFi技術(shù)相比CSD和GPRS能夠提供較高傳輸帶寬，但是由于與其他車載民用WiFi系統(tǒng)共享信道以及相互干擾也會(huì)極大的影響傳輸速率，而且在高速運(yùn)行時(shí)，WiFi的有效速率將更低，甚至無法使用。顯然，諸如未來視頻監(jiān)控和實(shí)時(shí)電視等高帶寬業(yè)務(wù)無法在既有系統(tǒng)上承載。

4 未來大軌道交通通信系統(tǒng)的融合趨勢(shì)

鑒于目前CBTC系統(tǒng)存在的問題，需要有一種全新的通信系統(tǒng)來解決目前列控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃砸?，同時(shí)又要兼顧未來軌道交通中新業(yè)務(wù)的承載需求以及車上乘客對(duì)于無線寬帶接入的要求。

在城市軌道交通領(lǐng)域，目前每個(gè)城市除了大力建設(shè)傳統(tǒng)的地鐵、輕軌項(xiàng)目之外，城際和市郊鐵路也在同步快速發(fā)展，以滿足城鄉(xiāng)之間的快速交通的需求。而從目前城際和市郊鐵路的建設(shè)來看，由于都是1.435米的標(biāo)準(zhǔn)軌距，所以絕大部分將采用城市周邊以往廢棄的大鐵軌道來進(jìn)行改造，從而大幅縮減土建成本；但是，我們也應(yīng)該看到這種建設(shè)方式也必將帶來城市軌道車輛的復(fù)用，實(shí)現(xiàn)跨線套跑，從運(yùn)營和維護(hù)方面也可大幅節(jié)約投資。

而在大鐵領(lǐng)域，由于鐵路系統(tǒng)機(jī)制改革以及公司化運(yùn)作，在未來也不排除既有線路復(fù)用為城際鐵路，尤其是既有的一些貨運(yùn)線路或者一些等級(jí)較低的線路。

此外，我們還應(yīng)該看到未來諸如視頻監(jiān)控、實(shí)時(shí)電視、乘客信息系統(tǒng)（PIS）、乘客高速上網(wǎng)等新業(yè)務(wù)在未來通信系統(tǒng)承載的需求。endprint

綜合考慮以上幾種情況，不難看出作為CBTC系統(tǒng)必將有融合趨勢(shì)，即未來的通信系統(tǒng)不僅需要滿足高速鐵路的列控?cái)?shù)據(jù)承載，又要能夠滿足城市軌道交通的列控?cái)?shù)據(jù)的承載，同時(shí)又能兼顧未來高帶寬的新業(yè)務(wù)的承載。從目前通信行業(yè)發(fā)展方向來看，無疑只有基于下一代LTE技術(shù)的CBTC系統(tǒng)能夠有效解決上述問題，同時(shí)又能夠滿足目前既有通信系統(tǒng)的演進(jìn)要求以及未來大軌道交通通信系統(tǒng)的融合。

5 大軌道交通通信系統(tǒng)的新挑戰(zhàn)

對(duì)于未來軌道交通CBTC系統(tǒng)的融合，基于LTE技術(shù)的LTE-R不僅能夠有效解決目前CBTC系統(tǒng)遇到的各種問題和瓶頸，還能夠大幅降低業(yè)主單位的建設(shè)和運(yùn)營成本。

LTE-R是基于4G LTE技術(shù)的下一代軌道交通通信系統(tǒng)，不僅能夠滿足傳統(tǒng)語音以及高達(dá)100Mbps的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，還能夠提供非常強(qiáng)大和專業(yè)的集群通信功能，比如組呼、廣播、優(yōu)先級(jí)呼叫、功能號(hào)碼、位置路由等等，完全能夠滿足未來軌道交通對(duì)于語音和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。此外，由于LTE-R在接入層提供的數(shù)據(jù)傳輸“管道”的強(qiáng)大承載能力，未來可以有效兼顧軌道車輛上不同的信號(hào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“多個(gè)信號(hào)系統(tǒng)+1個(gè)通信系統(tǒng)”的組網(wǎng)格局，同時(shí)又能兼顧未來高帶寬業(yè)務(wù)的接入需求；不僅能夠大幅降低業(yè)主單位的建設(shè)和維護(hù)成本，還能夠?yàn)闃I(yè)主單位帶來諸如乘客上網(wǎng)業(yè)務(wù)等新的利潤增長(zhǎng)點(diǎn)。

由于LTE-R扁平化組網(wǎng)，相比傳統(tǒng)通信系統(tǒng)建設(shè)，也將大幅減少通信子系統(tǒng)的建設(shè)成本。

圖2 LTE-R扁平化組網(wǎng)示意圖

此外LTE-R系統(tǒng)需要提供CBTC系統(tǒng)中最重要的QoS保障以及可靠性組網(wǎng)，最大程度的提高了可靠性和安全性，為信號(hào)和列控系統(tǒng)提供了“永不掉線”的技術(shù)保障；而針對(duì)高速鐵路的抗多普勒頻移、MIMO優(yōu)化、分布式基站等關(guān)鍵技術(shù)也應(yīng)在下一代LTE-R系統(tǒng)中保留和優(yōu)化，保證移動(dòng)終端的高速移動(dòng)和無線接入網(wǎng)絡(luò)的深度覆蓋的需求。

6 結(jié)束語

軌道交通的發(fā)展日新月異，下一代LTE-R系統(tǒng)不僅能夠有效解決未來軌道交通的綜合通信需求以及技術(shù)瓶頸。但是，我們也應(yīng)該看到，由于軌道交通對(duì)于通信系統(tǒng)的安全性和可靠性的嚴(yán)格要求，通信系統(tǒng)的融合雖然是未來發(fā)展的方向，但是在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，新技術(shù)勢(shì)必會(huì)與既有的系統(tǒng)長(zhǎng)期共存。因此，未來的通信系統(tǒng)也應(yīng)充分考慮到這一行業(yè)特點(diǎn)，在充分保證軌道交通的運(yùn)營安全的前提下，為融合的大趨勢(shì)保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)

[1]賈佳.軌道交通機(jī)電系統(tǒng)的可用性分析[J].機(jī)電信息，2011（18）.endprint

綜合考慮以上幾種情況，不難看出作為CBTC系統(tǒng)必將有融合趨勢(shì)，即未來的通信系統(tǒng)不僅需要滿足高速鐵路的列控?cái)?shù)據(jù)承載，又要能夠滿足城市軌道交通的列控?cái)?shù)據(jù)的承載，同時(shí)又能兼顧未來高帶寬的新業(yè)務(wù)的承載。從目前通信行業(yè)發(fā)展方向來看，無疑只有基于下一代LTE技術(shù)的CBTC系統(tǒng)能夠有效解決上述問題，同時(shí)又能夠滿足目前既有通信系統(tǒng)的演進(jìn)要求以及未來大軌道交通通信系統(tǒng)的融合。

5 大軌道交通通信系統(tǒng)的新挑戰(zhàn)

對(duì)于未來軌道交通CBTC系統(tǒng)的融合，基于LTE技術(shù)的LTE-R不僅能夠有效解決目前CBTC系統(tǒng)遇到的各種問題和瓶頸，還能夠大幅降低業(yè)主單位的建設(shè)和運(yùn)營成本。

LTE-R是基于4G LTE技術(shù)的下一代軌道交通通信系統(tǒng)，不僅能夠滿足傳統(tǒng)語音以及高達(dá)100Mbps的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，還能夠提供非常強(qiáng)大和專業(yè)的集群通信功能，比如組呼、廣播、優(yōu)先級(jí)呼叫、功能號(hào)碼、位置路由等等，完全能夠滿足未來軌道交通對(duì)于語音和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。此外，由于LTE-R在接入層提供的數(shù)據(jù)傳輸“管道”的強(qiáng)大承載能力，未來可以有效兼顧軌道車輛上不同的信號(hào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“多個(gè)信號(hào)系統(tǒng)+1個(gè)通信系統(tǒng)”的組網(wǎng)格局，同時(shí)又能兼顧未來高帶寬業(yè)務(wù)的接入需求；不僅能夠大幅降低業(yè)主單位的建設(shè)和維護(hù)成本，還能夠?yàn)闃I(yè)主單位帶來諸如乘客上網(wǎng)業(yè)務(wù)等新的利潤增長(zhǎng)點(diǎn)。

由于LTE-R扁平化組網(wǎng)，相比傳統(tǒng)通信系統(tǒng)建設(shè)，也將大幅減少通信子系統(tǒng)的建設(shè)成本。

圖2 LTE-R扁平化組網(wǎng)示意圖

此外LTE-R系統(tǒng)需要提供CBTC系統(tǒng)中最重要的QoS保障以及可靠性組網(wǎng)，最大程度的提高了可靠性和安全性，為信號(hào)和列控系統(tǒng)提供了“永不掉線”的技術(shù)保障；而針對(duì)高速鐵路的抗多普勒頻移、MIMO優(yōu)化、分布式基站等關(guān)鍵技術(shù)也應(yīng)在下一代LTE-R系統(tǒng)中保留和優(yōu)化，保證移動(dòng)終端的高速移動(dòng)和無線接入網(wǎng)絡(luò)的深度覆蓋的需求。

6 結(jié)束語

軌道交通的發(fā)展日新月異，下一代LTE-R系統(tǒng)不僅能夠有效解決未來軌道交通的綜合通信需求以及技術(shù)瓶頸。但是，我們也應(yīng)該看到，由于軌道交通對(duì)于通信系統(tǒng)的安全性和可靠性的嚴(yán)格要求，通信系統(tǒng)的融合雖然是未來發(fā)展的方向，但是在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，新技術(shù)勢(shì)必會(huì)與既有的系統(tǒng)長(zhǎng)期共存。因此，未來的通信系統(tǒng)也應(yīng)充分考慮到這一行業(yè)特點(diǎn)，在充分保證軌道交通的運(yùn)營安全的前提下，為融合的大趨勢(shì)保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)

[1]賈佳.軌道交通機(jī)電系統(tǒng)的可用性分析[J].機(jī)電信息，2011（18）.endprint

綜合考慮以上幾種情況，不難看出作為CBTC系統(tǒng)必將有融合趨勢(shì)，即未來的通信系統(tǒng)不僅需要滿足高速鐵路的列控?cái)?shù)據(jù)承載，又要能夠滿足城市軌道交通的列控?cái)?shù)據(jù)的承載，同時(shí)又能兼顧未來高帶寬的新業(yè)務(wù)的承載。從目前通信行業(yè)發(fā)展方向來看，無疑只有基于下一代LTE技術(shù)的CBTC系統(tǒng)能夠有效解決上述問題，同時(shí)又能夠滿足目前既有通信系統(tǒng)的演進(jìn)要求以及未來大軌道交通通信系統(tǒng)的融合。

5 大軌道交通通信系統(tǒng)的新挑戰(zhàn)

對(duì)于未來軌道交通CBTC系統(tǒng)的融合，基于LTE技術(shù)的LTE-R不僅能夠有效解決目前CBTC系統(tǒng)遇到的各種問題和瓶頸，還能夠大幅降低業(yè)主單位的建設(shè)和運(yùn)營成本。

LTE-R是基于4G LTE技術(shù)的下一代軌道交通通信系統(tǒng)，不僅能夠滿足傳統(tǒng)語音以及高達(dá)100Mbps的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，還能夠提供非常強(qiáng)大和專業(yè)的集群通信功能，比如組呼、廣播、優(yōu)先級(jí)呼叫、功能號(hào)碼、位置路由等等，完全能夠滿足未來軌道交通對(duì)于語音和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。此外，由于LTE-R在接入層提供的數(shù)據(jù)傳輸“管道”的強(qiáng)大承載能力，未來可以有效兼顧軌道車輛上不同的信號(hào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“多個(gè)信號(hào)系統(tǒng)+1個(gè)通信系統(tǒng)”的組網(wǎng)格局，同時(shí)又能兼顧未來高帶寬業(yè)務(wù)的接入需求；不僅能夠大幅降低業(yè)主單位的建設(shè)和維護(hù)成本，還能夠?yàn)闃I(yè)主單位帶來諸如乘客上網(wǎng)業(yè)務(wù)等新的利潤增長(zhǎng)點(diǎn)。

由于LTE-R扁平化組網(wǎng)，相比傳統(tǒng)通信系統(tǒng)建設(shè)，也將大幅減少通信子系統(tǒng)的建設(shè)成本。

圖2 LTE-R扁平化組網(wǎng)示意圖

此外LTE-R系統(tǒng)需要提供CBTC系統(tǒng)中最重要的QoS保障以及可靠性組網(wǎng)，最大程度的提高了可靠性和安全性，為信號(hào)和列控系統(tǒng)提供了“永不掉線”的技術(shù)保障；而針對(duì)高速鐵路的抗多普勒頻移、MIMO優(yōu)化、分布式基站等關(guān)鍵技術(shù)也應(yīng)在下一代LTE-R系統(tǒng)中保留和優(yōu)化，保證移動(dòng)終端的高速移動(dòng)和無線接入網(wǎng)絡(luò)的深度覆蓋的需求。

6 結(jié)束語

軌道交通的發(fā)展日新月異，下一代LTE-R系統(tǒng)不僅能夠有效解決未來軌道交通的綜合通信需求以及技術(shù)瓶頸。但是，我們也應(yīng)該看到，由于軌道交通對(duì)于通信系統(tǒng)的安全性和可靠性的嚴(yán)格要求，通信系統(tǒng)的融合雖然是未來發(fā)展的方向，但是在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，新技術(shù)勢(shì)必會(huì)與既有的系統(tǒng)長(zhǎng)期共存。因此，未來的通信系統(tǒng)也應(yīng)充分考慮到這一行業(yè)特點(diǎn)，在充分保證軌道交通的運(yùn)營安全的前提下，為融合的大趨勢(shì)保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)

[1]賈佳.軌道交通機(jī)電系統(tǒng)的可用性分析[J].機(jī)電信息，2011（18）.endprint