無(wú)線通信在城市軌道交通中的應(yīng)用

王 飚

（中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)，北京100038）

近年來，城市軌道交通為緩解交通壓力發(fā)揮了重要作用，其中無(wú)線通信系統(tǒng)是保證城市軌道交通運(yùn)輸效率的決定因素。無(wú)線通信投資額越來越大，不利于實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)的資源共享。探討城市軌道交通無(wú)線通信融合方案能夠最大程度地降低系統(tǒng)的重復(fù)建設(shè)，降低系統(tǒng)投資。

1 城市軌道交通無(wú)線通信系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀

非專用軌道交通車地業(yè)務(wù)需求主要包括政務(wù)、民用通信等，需要考慮地鐵無(wú)線覆蓋介質(zhì)的共享，不建議無(wú)線通信設(shè)備進(jìn)行整合。

目前，軌道交通各系統(tǒng)采用專用無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的模式，這些系統(tǒng)復(fù)雜多樣，資源共享度低，不利于實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)絡(luò)綜合業(yè)務(wù)功能［2］。

鄭州地鐵1號(hào)線首次實(shí)現(xiàn)PIS車地?zé)o線系統(tǒng)，對(duì)軌道交通基于TD—m的無(wú)線技術(shù)應(yīng)用做到了良好的示范。但是該技術(shù)實(shí)現(xiàn)多媒體信息下發(fā)、信號(hào)系統(tǒng)車地通信、列車FAs信息上傳、專用無(wú)線調(diào)度通信等傳輸方式。目前在國(guó)內(nèi)軌道交通行業(yè)內(nèi)暫無(wú)應(yīng)用案例。

目前，車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)CBTC信號(hào)系統(tǒng)帶寬需求為110 kbit／s，PIS需求為10 Mbit／s級(jí)別，車載監(jiān)控業(yè)務(wù)的上行帶寬需求為5.25～8 Mbit／s。

城市軌道交通基本上采用無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)承載乘客信息系統(tǒng)。PIS影響乘車環(huán)境的舒適度，信號(hào)系統(tǒng)關(guān)系著行車安全和運(yùn)行效率。城市軌道交通建設(shè)研究的重要問題是CBTC信號(hào)系統(tǒng)和PIS采用車地通信方式和措施來避免干擾，保證車地通信的可靠性、實(shí)時(shí)性、高帶寬等［3］。

目前，在城市軌道交通基本上是基于IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)性應(yīng)用。國(guó)內(nèi)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)采用公共開放頻段的無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)。工程實(shí)踐證明，基于 WLAN的車地?zé)o線通信技術(shù)也存在一些局限性。

WLAN技術(shù)應(yīng)用于列車速度低于120 km／h的地鐵線路。FHSS（跳頻擴(kuò)頻）技術(shù)，有可能用于高速線路。

“哦，拜托，你不記得我了？”克里斯蒂娜邊做三明治邊問艾爾，“前幾天我們還一起上數(shù)學(xué)課，況且我也不是個(gè)安靜的人?！?/p>

在多個(gè)頻道同時(shí)工作的情況下要求兩個(gè)頻道的中心頻率間隔要高于5 MHz。802.1lb的優(yōu)點(diǎn)是成本低，不容易被阻隔；缺點(diǎn)是帶寬速率較低，系統(tǒng)容量小。

我國(guó)北京、上海、廣州等許多城市地鐵車地?zé)o線通信多采用IEEE802.1lg標(biāo)準(zhǔn)的OFDM技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是具備較高的網(wǎng)絡(luò)速率，不容易被阻隔；缺點(diǎn)是成本高，受設(shè)備干擾較大［4］。

WLAN技術(shù)具有可移動(dòng)性和易于部署的優(yōu)點(diǎn)，但是，當(dāng)列車速度超過80 km／h時(shí)，其移動(dòng)性則明顯不足，不能滿足城市軌道交通列車的快速移動(dòng)性需求。

地鐵車地?zé)o線通訊系統(tǒng)包括無(wú)線集群調(diào)度信息，車載廣播信息，列車控制信息，乘客信息多媒體信息，司機(jī)室可視圖像信息及民用通信無(wú)線信息等。未來實(shí)現(xiàn)車地?zé)o線傳輸?shù)男畔?huì)不斷增多。

因此，地鐵無(wú)線通訊系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵是要打破各系統(tǒng)分別建設(shè)車地?zé)o線系統(tǒng)的慣例，減少各種車地通信間的干擾，滿足乘客對(duì)車地?zé)o線通信的傳輸需求，降低建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本。

2 TD－LTE主要技術(shù)

目前，國(guó)內(nèi)已建成的軌道交通專用無(wú)線調(diào)度廣泛應(yīng)用窄帶無(wú)線數(shù)字集群技術(shù)。TD—m技術(shù)相比VIUN＋rIErIm網(wǎng)絡(luò)更適合軌道交通多業(yè)務(wù)寬帶無(wú)線通信承載。

2.1 抗干擾能力強(qiáng)

國(guó)內(nèi)的 WLAN采用的是2.4 GMHz的帶寬，大多數(shù)都是重疊的。采用 WLAN＋rI＇ETRA技術(shù)實(shí)現(xiàn)PIS系統(tǒng)顯然不利于安全運(yùn)營(yíng)。LTE有著完善的抗干擾技術(shù)，OFDM具有完善的編碼、重傳和IRC機(jī)制，可根據(jù)干擾情況動(dòng)態(tài)調(diào)度資源。

2.2 傳輸速率較高

802.11 b采用2.4 GHz頻段，802.11 a工作在5.8 GHz頻段。但是系統(tǒng)不能很好地滿足移動(dòng)的要求。rI＇ETRA滿足語(yǔ)音通信的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸需求，窄帶無(wú)線集群技術(shù)已經(jīng)不能滿足大數(shù)據(jù)的需求。m網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)?50 km／h高速移動(dòng)用戶提供接人服務(wù)。

2.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

m趨近于典型的IP寬帶網(wǎng)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)時(shí)延較小。無(wú)線融合技術(shù)方案取代了各系統(tǒng)分設(shè)的量的區(qū)間設(shè)備。

2.4 QoS保證

WLAN二元安全架構(gòu)易受攻擊，無(wú)法保證安全。m網(wǎng)絡(luò)可以最大程度地保證cBTc帶寬需求。

2.5 技術(shù)日漸成熟

m網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在全球應(yīng)用，國(guó)內(nèi)可提供成熟可靠的產(chǎn)品。我國(guó)城市軌道交通車地?zé)o線系統(tǒng)融合的未來發(fā)展必然是要采用具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TD－m無(wú)線寬帶集群技術(shù)。

目前常用的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案主要包括無(wú)線局域網(wǎng)、數(shù)字移動(dòng)電視技術(shù)及LTE技術(shù)等。

3 常用方案

3.1 WiMAX

WiMAX是一項(xiàng)新興的寬帶無(wú)線接入技術(shù)，采用OFDM調(diào)制方式，在一個(gè)射頻內(nèi)速率可高達(dá)75 Mbit／s，也可用來提高頻譜效率、復(fù)用以及每射頻信道的平均吞吐量。WiMAX支持小區(qū)切換，提供電信級(jí)的多媒體服務(wù)等?？捎脭?shù)據(jù)帶寬優(yōu)于3G系統(tǒng)，且投資小，維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單。WiMAX的傳播距離較遠(yuǎn)導(dǎo)致其技術(shù)較為復(fù)雜［5］。

3.2 無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN：Wireless Local Area Network）

WLAN是在目前技術(shù)水平下較成熟的技術(shù)，在我國(guó)城市軌道交通無(wú)線傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。WLAN基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)列車與地面之間的雙向高速通信。WEAN技術(shù)能將車廂內(nèi)的視頻監(jiān)控信息上傳到控制中心，還能實(shí)現(xiàn)便捷的安裝和故障定位；

WLAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)帶寬隨著移動(dòng)速度的增加逐漸降低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高清信號(hào)的傳輸。WLAN系統(tǒng)的工作頻段為2.4 G頻段。這個(gè)頻段上如微波爐、藍(lán)牙設(shè)備、戶外微波鏈路和游戲控制器等都會(huì)對(duì)WLAN信號(hào)產(chǎn)生干擾，在2.4 G頻段上極易與地鐵其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)產(chǎn)生沖突。此外，WLAN系統(tǒng)的AP點(diǎn)覆蓋范圍較小。同時(shí)，列車在運(yùn)行過程中，非常容易發(fā)生系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟包，影響乘客信息系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 數(shù)字移動(dòng)電視技術(shù)

數(shù)字移動(dòng)電視技術(shù)將視頻信號(hào)傳輸?shù)杰囕d接收裝置，能滿足高清多媒體信息傳輸 。數(shù)字移動(dòng)電視技術(shù)系統(tǒng)傳輸帶寬可滿足實(shí)時(shí)傳輸高清視頻信號(hào)的要求，列車運(yùn)行過程中覆蓋效果較好。數(shù)字移動(dòng)電視技術(shù)是單向系統(tǒng)，所以必須額外增設(shè)其他輔助系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)雙向傳輸。

LTE技術(shù)是近兩年來3GPP啟動(dòng)的最大的新技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目，被看作“準(zhǔn)4 G”技術(shù)。LTE項(xiàng)目的主要性能目標(biāo)包括，改善小區(qū)邊緣用戶的性能；降低系統(tǒng)延遲，控制平面從睡眠到激活狀態(tài)時(shí)間低于50 ms，支持100 km半徑的小區(qū)覆蓋；支持成對(duì)或非成對(duì)頻譜。

LTE系統(tǒng)具有延遲低的特性。可以圓滿解決地鐵監(jiān)控傳輸?shù)碾y題，加強(qiáng)控制中心對(duì)列車運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)掌控。但由于統(tǒng)的造價(jià)相對(duì)較高，沒有完成的應(yīng)用實(shí)例。

WLAN和DVB—T兩種制式應(yīng)用的最多最廣泛。目前的802.119標(biāo)準(zhǔn)最高的數(shù)據(jù)傳輸速率是54 Mbit／s，不能滿足高清視頻傳輸?shù)囊?。DVB—T方式有不能回傳的缺點(diǎn)。而LTE支持高速移動(dòng)的寬帶無(wú)線通信，具有完善的抗干擾技術(shù)，在技術(shù)上來講非常適合乘客信息系統(tǒng)的應(yīng)用。鄭州地鐵1號(hào)線國(guó)內(nèi)首次使用了LTE車地?zé)o線通信。LTE技術(shù)將是未來地鐵系統(tǒng)無(wú)線傳輸模式發(fā)展的必然趨勢(shì)。

融合解決方案專用系統(tǒng)的核心是控制包括LTE核心網(wǎng)設(shè)備、信號(hào)系統(tǒng)服務(wù)器等業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)等中心子系統(tǒng)。TD－LTE基站設(shè)備用以實(shí)現(xiàn)控制中心的室內(nèi)覆蓋，無(wú)線調(diào)度業(yè)務(wù)服務(wù)器DSS可提供專業(yè)的無(wú)線集群調(diào)度業(yè)務(wù)。

車站內(nèi)主要安裝包括BBu、RRu的TD－LTE基站設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)本車站的站內(nèi)覆蓋，實(shí)現(xiàn)拉遠(yuǎn)覆蓋。在沿線各車站值班員處設(shè)置車站固定電臺(tái)。在車輛段及停車場(chǎng)通信機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)BBu，RRu設(shè)備，需增加RRU對(duì)于弱場(chǎng)區(qū)進(jìn)行覆蓋。

車載子系統(tǒng)為司機(jī)提供專業(yè)的無(wú)線集群調(diào)度通信。布置在每列車前后的司機(jī)車室內(nèi)。集群車載臺(tái)采用與TAu共用車載天線的方式。

TD－LTE技術(shù)在鄭州城市軌道交通的運(yùn)用，證明在軌道交通專網(wǎng)運(yùn)用的可行性。TD－LTE技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高速移動(dòng)和多業(yè)務(wù)承載，指明了未來軌道交通車地?zé)o線通信發(fā)展趨勢(shì)。

目前TD－LTE無(wú)線傳輸平臺(tái)已經(jīng)建設(shè)完成。將在地鐵的后續(xù)建設(shè)中不斷探索，實(shí)現(xiàn)各類無(wú)線信息平臺(tái)的整合。實(shí)現(xiàn)資源整合共享。

LTE寬帶數(shù)字集群技術(shù)，將在列車調(diào)度和改善乘客出行體驗(yàn)等方面帶來創(chuàng)新性突破，必將成為地鐵運(yùn)營(yíng)調(diào)度的必然選擇。

4 結(jié)束語(yǔ)

城市軌道交通無(wú)線通信系未來技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)是專網(wǎng)通信向著各業(yè)務(wù)融合一體的寬帶無(wú)線通信網(wǎng)發(fā)展；TD－LTE技術(shù)方案將成為發(fā)展的主流方案。同時(shí)，需盡早進(jìn)行擬采用TD—m無(wú)線通信承載網(wǎng)的軌道交通建設(shè)城市專用無(wú)線頻段的申請(qǐng)，以保證軌道交通無(wú)線通信的安全性和可靠性，便為今后業(yè)務(wù)的實(shí)施及拓展創(chuàng)造有利條件。