城市軌道交通中無線通信技術的應用探討

摘 要：城市軌道交通由于其地下空間的狹小和緊張的特點，不利于各類通信電纜的敷設，而隨著各類無線通信技術的日益發(fā)展完善，傳輸帶寬能力及實時信息處理能力的不斷提高，無線通信技術在城市軌道交通中得到越來越廣泛的應用。文章簡單介紹3G、WLAN、4G、Zigbee等無線通信技術的特點及優(yōu)勢，闡述其在城市軌道交通中的應用發(fā)展方向。

關鍵詞：無線通信；城市軌道交通；應用

前言

無線通信是利用電磁波信號可以在空間中自由傳播的特性進行信息交換的一種通信方式，由于其傳播不受通信電纜敷設的限制，近些年發(fā)展非常迅速、應用也非常廣泛。城市軌道交通具有運量大、速度快的特點，近幾年在全國各大城市進入了建設高潮，隨著智能終端的應用普及，乘客對地鐵系統(tǒng)的無線通信服務提出了越來越高的要求。目前，城市軌道交通無線通信用途常被分為三種如專網(wǎng)無線、公網(wǎng)無線（或民用無線）以及公安通信。城市軌道交通無線網(wǎng)絡需要在一個相對獨立、專用的系統(tǒng)中進行各項數(shù)據(jù)的傳輸，在接入公網(wǎng)之后會存在一些干擾性問題，這是當前地鐵建設中一個亟待解決的問題。

1 城市軌道交通無線通信概述

當前階段，城市軌道交通無線通信主要是為了保證列車安全運行和提供乘客信息的作用，其專用的專網(wǎng)無線系統(tǒng)，功能強大、涵蓋面廣，能夠保障軌道交通安全正常運營、實時調度及智能監(jiān)控，主要系統(tǒng)包括車載CCTV（閉路電視監(jiān)控）、移動電視、信號系統(tǒng)CBTC（基于無線通信的列車控制技術）、通信PIDS（乘客信息）系統(tǒng)等[1]。公網(wǎng)無線系統(tǒng)主要由電信運營商向乘客提供移動電話通信及職能終端的網(wǎng)頁瀏覽等業(yè)務，現(xiàn)階段出于對城市軌道交通中專網(wǎng)無線通信的可靠性的考慮，公網(wǎng)無線系統(tǒng)的建設滯后，無法真正滿足乘客日常需求。公安無線系統(tǒng)是城市軌道交通中較為獨立的一套無線通信系統(tǒng)，是地面公安無線通信系統(tǒng)在地下車站和隧道區(qū)間的延伸，可實現(xiàn)警務人員地面與地下的移動通信，為警務人員在地下空間快速、有效地處理突發(fā)事件提供通信保障[2]。

2 幾種典型無線通信技術

2.1 3G技術

3G技術即第三代移動通信技術，該技術有三種制式：時分同步碼分多址（TD-SCDMA）、寬帶碼分多址WCDMA和升級的碼分多址CDMA2000。3G技術工作在需要授權的頻段內(nèi)，國家工業(yè)和信息部已于2009年1月7日正式向國內(nèi)三大移動運營商發(fā)放了3G運營牌照，工作頻率主要分布在1880MHz-1955MHz，2010MHz-2145MHz兩個頻段之間。

3G能夠處理音樂、圖像視頻等多媒體形式，能夠實現(xiàn)網(wǎng)頁瀏覽、會議電話、電子商務等多種信息服務，其高速移動的傳輸速率能達到144kb/s，慢速移動的傳輸速率是384kb/s，靜止狀態(tài)傳輸速率為2Mb/s。3G技術的高速移動速率并不高，已無法滿足當前智能終端對高清圖像、視頻等的支持需求。

2.2 WLAN技術

WLAN（Wireless Local Area Networks無線局域網(wǎng)絡）是一種相當便利的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它利用射頻技術，使用電磁波取代舊式雙絞銅線構成局域網(wǎng)絡，在空中進行通信連接，它其實是眾多無線通信網(wǎng)絡的統(tǒng)稱，其中最廣泛應用的當屬于WiFi技術。WLAN最主要的通信標準是IEEE802.11標準，是包含了IEEE802.1lb/g/n及IEEE802.11a/IEEE802.11ac等的協(xié)議族?；贗EEE802.11標準的無線局域網(wǎng)允許在局域網(wǎng)絡環(huán)境中使用可以不必授權的ISM頻段中的2.4GHz或5.8GHz兩個波段進行無線連接。

IEEE802.11b采用最高11Mb/s的傳輸速率接入共享信號，頻段控制在2.4GHz，此標準也即是現(xiàn)在應用廣泛的WiFi。IEEE802.11g與IEEE802.11a一樣均采用OFDM技術，最高傳輸速率是54Mb/s，頻段控制在2.4GHz，能與IEEE802.11b兼容，且最高速率是它的近5倍；但IEEE802.11a采用正交頻分復用技術（OFDM）技術，其頻段控制在5.8GHz，在最高速率可達54Mb/s。IEEE802.11n是在IEEE802.11b/g及IEEE802.11a的基礎上發(fā)展起來的，同時支持2.4GHz或5.8GHz兩個波段，且向前兼容IEEE802.11的協(xié)議族，其最大速率可達300-600Mb/s；IEEE802.11ac則是IEEE802.11a/n的繼任者，工作在5.8GHz兩個波段，最大支持1GMb/s。需要特別說明的是，目前中國城市的軌道交通的無線通信技術如CBTC、PIDS及移動電視等都是使用WLAN的標準和技術[3]，其工作頻率基本重疊，所以WLAN在城市軌道交通的應用推廣面臨著與列車無線通信信號的嚴重干擾問題，深圳地鐵就發(fā)生過因為乘客自帶的WiFi終端造成列車的逼停事件。

WLAN技術主要特點是使用無需授權，組網(wǎng)方便靈活，同時能提供非常高速率的無線數(shù)據(jù)傳輸速度。

2.3 4G技術

4G技術即第四代移動通信技術，該技術包括TD-LTE和FDD-LTE兩種制式，也是工作在需授權的頻段上，2013年12月4日下午，工業(yè)和信息化部向國內(nèi)三大移動運營商發(fā)放了4G牌照，工作頻率主要分布在1880MHz-1900MHz，2300MHz-2390MHz及2555MHz-2655MHz三個頻段之間。

在功能上，4G就是集3G與WLAN于一體得通信技術，能夠更廣范圍內(nèi)地、更高速率地傳輸高質量的音頻、視頻和圖像等。4G技術主要采用正交多任務分頻技術（OFDM），能夠提供100Mbps以上的傳輸熟慮，比目前的家用寬帶ADSL（4兆）還要快25倍，并能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務的要求。

2.4 Zigbee技術

Zigbee（又稱紫蜂協(xié)議）是基于IEEE802.15.4標準一種短距離、低功耗的無線通信技術，這一名稱來源于蜜蜂與同伴傳遞花粉所在方位信息的八字舞，Zigbee技術工作頻率在2.4GHz，無需授權。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。主要適合用于工業(yè)現(xiàn)場的遙測遙控等領域，可以嵌入各種設備中。ZigBee在室內(nèi)通常能達到30-50米的作用距離，在室外空曠地帶甚至可以達到400米（不加功率放大）。

ZigBee具有低功耗、低成本、低速率、近距離、短時延、高容量、高安全以及免執(zhí)照頻段的優(yōu)點。

3 幾個城市軌道交通中無線通信的應用方向

針對以上幾種無線通信技術的特點和優(yōu)勢，結合當前技術發(fā)展，分析城市軌道交通中下一步的幾個應用發(fā)展方向。

3.1 3/4G技術在城市軌道交通中的應用普及

3/4G技術能夠滿足處理音樂、視頻、圖像視頻等多媒體形式及實現(xiàn)網(wǎng)頁瀏覽、會議電話、電子商務等信息服務的需求，其在人們?nèi)粘Ｉ钪邪缪菡咴絹碓街匾慕巧５?，?jīng)調研國內(nèi)各大城市城市軌道交通中對3/4G的普及并不高，部分線路引入了3/4G的應用也僅僅是在站臺及站廳，當列車行駛在隧道內(nèi)時，一般的網(wǎng)頁瀏覽已很難滿足，甚至無法進行網(wǎng)絡連接。當前3/4G通信系統(tǒng)在城市軌道交通的應用主要阻礙有以下兩點：（1）地鐵公司一般顧慮是3/4G

的在地鐵內(nèi)的應用會有助于乘客自帶WiFi熱點（用于3/4G信號轉換為WiFi共享信號）對列車信號系統(tǒng)造成影響；（2）當前城市軌道交通已運營線路建設之處并為考慮為3/4G通信系統(tǒng)的建設需求，而后期改造過程中，地鐵內(nèi)尤其是隧道內(nèi)新增條件較差，且由于地鐵運行時間的限定，每天可利用工作時間非常有限，無疑增大了3/4G通信系統(tǒng)的普及。

從技術上說，3/4G通信系統(tǒng)與列車信號系統(tǒng)不存在太嚴重的信號干擾問題，且通過技術跟新，較容易解決，因此3/4G普及會隨著地鐵已運行舊線路的共用通信網(wǎng)的改造逐漸改觀。

3.2 WiFi技術在城市軌道交通中的應用

WiFi技術因其組網(wǎng)靈活及有著非常高的數(shù)據(jù)傳輸速率的特點應用廣泛，但其與列車移動電視、信號系統(tǒng)CBTC、PIDS乘客信息系統(tǒng)的同在2.4GHZ頻段帶來的干擾問題阻礙了其在城市軌道交通中應用。

2007年9月，深圳地鐵統(tǒng)為地鐵1號線搭建無線寬帶傳輸網(wǎng)絡，它是國內(nèi)首個成功部署WiFi技術同時實現(xiàn)視頻上下行傳輸?shù)某鞘?，為利用WiFi技術進行實時視頻信息傳輸開創(chuàng)先河。上海地鐵WiFi從2014年底開始在地鐵13號線全線開通了名為“花生地鐵測試WiFi”的無線信號。繼深圳、上海后，廣州地鐵成為第三個在地鐵列車中開放免費WIFI的城市，2013年廣州地鐵已經(jīng)在8號線昌崗、曉港、中大三個站進行技術論證，2015年春節(jié)開始內(nèi)部測試；2016年初廣佛線WiFi試驗段（ 崗至金融高新區(qū)站）順利通過驗收。

當前解決WiFi與列車運行通信系統(tǒng)互相干擾的解決方法主要有以下幾類：（1）地鐵內(nèi)WiFi系統(tǒng)采用5.8GHz固定頻段通信，但此方案無法兼容現(xiàn)在大多只支持2.4GHz的智能終端，且給未來增加隱患；（2）CBTC及PIDS系統(tǒng)搬移到目前的GSM-R頻段，此方案需要對現(xiàn)有系統(tǒng)進行較大改造，地鐵公司難以執(zhí)行；（3）技術更新，研究城市軌道交通專用的WiFi技術。

針對方案（3），現(xiàn)階段技術主要包括DS-FH混合擴頻技術和固定信道劃分技術。當前深圳地鐵就采用了列車信號系統(tǒng)與免費的WiFi分別設在不同的信道，所搭建的WiFi網(wǎng)絡和地鐵信號系統(tǒng)固定在不同的信道上，從而避免干擾。這兩種方案是城市軌道交通用WiFi的發(fā)展方向，需要進一步研發(fā)適用的設備和系統(tǒng)并投入商用。

3.3 Zigbee在城市軌道交通中的應用

城市軌道交通備電系統(tǒng)電池狀態(tài)的監(jiān)測對地鐵供電系統(tǒng)的可靠運行有著很大作用，但是地鐵備電系統(tǒng)電池組數(shù)量巨多，如果每個電池均采用專用電纜的方式進行通信，則無疑是昂貴而復雜的；同樣地鐵雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)一般在車站或者車場停車庫范圍內(nèi)設置監(jiān)測端子及傳感器，距離監(jiān)測數(shù)據(jù)收集器-監(jiān)測裝置距離一般不超過200米，但是現(xiàn)在方案均需要在擁擠的車站軌行區(qū)敷設專用通信電纜。

Zigbee具有的低功耗、低成本和免執(zhí)照頻段的優(yōu)點使其在工業(yè)現(xiàn)場得到較廣泛應用。針對城市軌道交通車站備電系統(tǒng)電池狀態(tài)監(jiān)控及地鐵雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)，Zigbee具有較大應用潛力。每個被監(jiān)測電池組及測量端子處安裝Zigbee終端模塊，通過自組網(wǎng)方案，以一定數(shù)量終端模塊為群組向中繼Zigbee傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)并最終傳輸至監(jiān)測系統(tǒng)微機管理系統(tǒng)。城市軌道交通備電系統(tǒng)電池狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)及雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)中應用方案及技術，作者將進一步在后續(xù)論文中講述。

4 結束語

文章對幾種基本的無線通信技術的特點進行了簡單的分析，隨著城市軌道交通技術的提高，未來城市軌道交通無線通信系統(tǒng)將會向著高帶寬、多功能、智能化的方向發(fā)展。但城市軌道交通無線通信技術發(fā)展必須以當前無線通信新技術為基礎，在此基礎上發(fā)展出通信能力更強、更適合、更經(jīng)濟的軌道交通的無線通信技術。文章分析了3/4G技術、WiFi技術及Zigbee技術在城市軌道交通的應用及普及前景，指出了其研究發(fā)展方向。

參考文獻

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