城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)發(fā)展分析

萬鵬

摘要：城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)是傳統(tǒng)電信移動(dòng)通信業(yè)務(wù)在軌道交通行業(yè)應(yīng)用的延伸，伴隨電信移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，城市軌道交通車地?zé)o線通信技術(shù)也同步得到了發(fā)展，本文力求從城市軌道交通車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)需求和技術(shù)發(fā)展兩方面因素分析，來展望城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：車地?zé)o線;寬帶;5G;

一、引言

城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)是為固定用戶（控制中心、車站、車輛段、停車場(chǎng)）和移動(dòng)用戶（運(yùn)行列車、地面移動(dòng)用戶）之間通信需求，以及運(yùn)行列車和地面設(shè)備之間通信需求而設(shè)立的，伴隨自動(dòng)駕駛、安防要求提升和不斷增長(zhǎng)的智能化運(yùn)維需求的增加，對(duì)車地?zé)o線通信系統(tǒng)的高可靠、大帶寬、低時(shí)延等的要求也不斷提高，本文力求通過對(duì)城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析，結(jié)合近年來新技術(shù)、新設(shè)備在車地?zé)o線通信系統(tǒng)的應(yīng)用，探討城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)的發(fā)展。

二、城市軌道交通車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)需求分析

城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)主要滿足以下業(yè)務(wù)需求：無線調(diào)度電話、列車CBTC信息、列車運(yùn)行狀態(tài)信息、列車火災(zāi)報(bào)警信息、列車緊急文本信息、車載PIS直播業(yè)務(wù)、列車CCTV上傳業(yè)務(wù)等，這些業(yè)務(wù)需求對(duì)帶寬、時(shí)延和丟包率等指標(biāo)要求都不同，同時(shí)根據(jù)影響行車的重要性分為安全業(yè)務(wù)和非安全業(yè)務(wù)。如何合理構(gòu)建一套或多套車地?zé)o線通信系統(tǒng)，需要綜合考慮在滿足業(yè)務(wù)需求的情況下，還要充分兼顧經(jīng)濟(jì)性、頻譜利用等因素。

三、傳統(tǒng)車地?zé)o線通信系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)和現(xiàn)狀

目前，應(yīng)用于城市軌道交通行業(yè)的車地?zé)o線通信系統(tǒng)主要有WLAN、RailView、LTE和EUHT等。

1、WLAN

WLAN一直是承載PIS和CCTV的主流車地?zé)o線通信技術(shù)，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要有IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g、IEEE802.11n和IEEE802.11ac等。采用IEEE802.11n和IEEE802.11ac，靜態(tài)理論有效帶寬可達(dá)數(shù)百兆，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)各城市軌道交通中應(yīng)用較多，開發(fā)成本及建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)小，但從已開通工程實(shí)際應(yīng)用情況看，效果并不十分理想，主要表現(xiàn)在高速適應(yīng)性差（目前，采用WLAN技術(shù)的地鐵項(xiàng)目，設(shè)計(jì)最高速度是80km/h），AP無線切換時(shí)丟包，易受干擾，安全性低等。WLAN設(shè)備廠家有華三、銳捷等。

2、RAILVIEW

RAILVIEW是根據(jù)軌道交通特點(diǎn)和PIS系統(tǒng)車地?zé)o線傳輸專門研發(fā)的基于DVB—T的無線寬帶傳輸技術(shù)。RAILVIEW采用COFDM編碼正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)和分集接收技術(shù)，具有帶寬大（每1MHZ頻率能提供2Mbps的數(shù)據(jù)傳輸帶寬），覆蓋距離廣（單AP覆蓋半徑達(dá)到1Km）的特點(diǎn)，RAILVIEW工作頻段是300MHz～2.5GHz，已在武漢地鐵、重慶輕軌有成功案例。RAILVIEW設(shè)備廠家是烽火通信。

3、LTE

LTE技術(shù)在20MHZ頻譜帶寬下，理論上能夠提供下行100Mbps，上行50Mbps的峰值速度;系統(tǒng)延遲低（內(nèi)部單向傳輸時(shí)延低于5ms）;支持成對(duì)或非成對(duì)頻譜，并可靈活配置1.25MHZ至20MHZ多種帶寬。LTE-M的工作頻段1.8GHz，在鄭州地鐵等十幾條線上已有應(yīng)用。工作在5.8GHz的LTE-U已有經(jīng)過高速測(cè)試，尚未有應(yīng)用案例。LTE設(shè)備廠家有華為、中興等。

4、EUHT

EUHT（Enhanced Ultra-High Throughput，增強(qiáng)型超高吞吐）是結(jié)合未來移動(dòng)通信系統(tǒng)高可靠、低時(shí)延、高移動(dòng)性等需求設(shè)計(jì)的無線通信系統(tǒng)。EUHT系統(tǒng)已于2017年6月完成京津城際鐵路高速試驗(yàn)，測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)較LTE-U系統(tǒng)好，EUHT系統(tǒng)已中標(biāo)廣州地鐵14號(hào)線及知識(shí)城支線，其中知識(shí)城支線計(jì)劃2017年底開通運(yùn)營(yíng)。EUHT設(shè)備廠家只有廣東新岸線。

三、LTE和EUHT技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)劣點(diǎn)分析

隨著城市軌道交通設(shè)計(jì)時(shí)速不斷提升，以及車地?zé)o線通信承載業(yè)務(wù)的不斷擴(kuò)充，LTE和EUHT在兼顧高速和大帶寬兩方面的優(yōu)勢(shì)凸顯出來，那么這兩種技術(shù)各有哪些特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)呢，本節(jié)將著重進(jìn)行分析。

1、LTE的技術(shù)特點(diǎn)分析

LTE基于3GPP系列標(biāo)準(zhǔn)，在電信公網(wǎng)中已得到廣泛應(yīng)用，在系統(tǒng)應(yīng)用中關(guān)注的空口Uu，基站與核心網(wǎng)接口S1，基站之間的接口X2都是標(biāo)準(zhǔn)化接口，各供應(yīng)商設(shè)備在這些接口上可以互通。依據(jù)使用的頻段不同，LTE又可細(xì)分為L(zhǎng)TE-M（1.8GHz）和LTE-U（5.8GHz），其中LTE-M已在國(guó)內(nèi)城市軌道交通中十幾條線路中得到應(yīng)用，LTE-U尚未有應(yīng)用案例。

1）LTE的關(guān)鍵技術(shù)一：eMBMS

eMBMS關(guān)注小區(qū)邊緣，全線路保持PIS恒定速率

ü同一線路所有小區(qū)在相同時(shí)間相同頻率上發(fā)送相同內(nèi)容，鄰區(qū)無干擾，覆蓋重疊區(qū)有分集增益。

ü15dB SINR即可提供接近最優(yōu)的速率，可滿足?PIS高清化需求。

ü空口組播，單小區(qū)列車數(shù)量空口組播容量不受限，方便在單洞雙線等各種覆蓋場(chǎng)景下部署。

2）LTE的關(guān)鍵技術(shù)二：可靠性

核心設(shè)備采用電信級(jí)設(shè)備，在公網(wǎng)已廣泛使用，支持紅藍(lán)雙網(wǎng)雙活全備份，核心網(wǎng)異地容災(zāi)，RRU支持雙CPRI連接、單CPRI故障迅速倒換等多項(xiàng)技術(shù)，可靠性得到驗(yàn)證。

3）LTE的關(guān)鍵技術(shù)三：加密傳輸

除了LTE已有的AS和NAS安全通道外，eNB和TAU都具備IPSeC通道能力，可做到在LTE系統(tǒng)中無CBTC明文傳輸，杜絕被竊聽、篡改的可能。

4）LTE的關(guān)鍵技術(shù)四：高移動(dòng)性

頻偏估計(jì)校正算法最高可支持移動(dòng)速度200km/h以上（最高頻偏正負(fù)1800Hz）

2、EUHT的技術(shù)特點(diǎn)分析

1）核心芯片具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)

已經(jīng)授權(quán)或申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利52項(xiàng)，其中國(guó)際PCT專利36項(xiàng)，覆蓋保護(hù)了EUHT核心技術(shù)

2）EUHT具有高可靠、低時(shí)延、大容量及高速移動(dòng)適應(yīng)性的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

可適應(yīng)300—500km/h速度下超寬帶數(shù)據(jù)傳輸，切換成功率：100%?數(shù)據(jù)丟包率： <4.1‰;平均傳輸時(shí)延：5-6ms;平均吞吐率：150Mbps

3）可根據(jù)軌道交通需求，定制化無線組網(wǎng)方案，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)性能

EUHT準(zhǔn)同頻組網(wǎng)方案

（1）軌旁沿線EBU1，EBU2和EBU3分別使用F1，F(xiàn)2，F(xiàn)1頻率，列車的車頭、車尾各部署一臺(tái)EAU（車載終端），EBU和EAU都采用定向天線;

（2）通過設(shè)計(jì)精良的切換機(jī)制，使列車運(yùn)行在兩個(gè)EBU之間時(shí)，車頭EAU接入列車運(yùn)行方向的前方EBU，車尾EAU接入列車運(yùn)行方向的后方EBU。

（3）達(dá)到了地面網(wǎng)絡(luò)和車載終端雙重冗余，即單個(gè)基站或單個(gè)車載終端故障都不造成業(yè)務(wù)中斷。

綜合比較LTE和EUHT兩種車地?zé)o線系統(tǒng)方案來看，LTE在產(chǎn)品成熟度方面具有一定優(yōu)勢(shì)，而EUHT在超高速、大帶寬需求環(huán)境下更具有優(yōu)勢(shì)，各地城市軌道交通項(xiàng)目可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

四、面向未來的車地?zé)o線通信技術(shù)展望

目前電信5G設(shè)備建設(shè)已經(jīng)全面鋪開，5G技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成熟，同時(shí)6G技術(shù)也在研發(fā)過程中。城市軌道交通車地?zé)o線通信要積極跟進(jìn)，特別是5G面向萬物互聯(lián)的應(yīng)用場(chǎng)景與車車通信的需求非常契合，一旦相關(guān)技術(shù)和條件成熟，對(duì)于城市軌道交通車地通信技術(shù)的發(fā)展會(huì)是很大的促進(jìn)。