城市軌道交通車地無線通信技術的演進歷程及未來發(fā)展

潘威煒

(上海申通地鐵集團有限公司技術中心， 201103， 上?！喂こ處?

隨著無線通信技術的發(fā)展，城市軌道交通車地通信的手段均在不斷變化，經歷了由模擬到數字的轉變。受頻譜資源的限制，車地通信的通信頻段不變化，如微波通信頻段、ISM(工業(yè)、科學、醫(yī)療專用)頻段、公眾通信頻段及其他專用通信頻段等。與商用無線通信系統(tǒng)相比，城市軌道交通通信系統(tǒng)應具有更高的實時性和安全性。

從通信業(yè)務上看，早期車地通信主要向列車傳送軌道占用信息，服務于列車調度，采用模擬集群通信技術，有效地滿足了調度員與司機間的通信要求。近年來，隨著智慧地鐵時代的到來，車地通信業(yè)務不斷豐富，出現了無線列車廣播、車載乘客信息系統(tǒng)、客室視頻監(jiān)視、列車狀態(tài)數據采集等應用要求。隨著OFDM(正交頻分復用)及Massive MIMO(大規(guī)模天線)等關鍵技術在無線通信中的不斷應用，無線通信帶寬從早期的kbit/s級別迅速提升到百Mbit/s級別，為智慧地鐵業(yè)務的實現提供了有力支撐。

本文從安全要求及多業(yè)務的角度，討論了車地無線通信業(yè)務需求，以及車地無線通信的發(fā)展及演進歷程，并從5G(第五代移動通信技術)應用角度，對未來車地無線通信的發(fā)展趨勢進行了展望。

1 城市軌道交通業(yè)務對無線通信的要求

城市軌道交通CBTC(基于通信的列車控制)、無線調度、列車廣播、乘客向導、視頻監(jiān)視等系統(tǒng)均通過車地無線通信系統(tǒng)進行數據傳輸。通常，城市軌道交通列車最高運行速度為80 km/h。車地無線通信系統(tǒng)應該滿足地鐵在不同環(huán)境下高速移動工況的通信需要，能實現信息的持續(xù)、動態(tài)、可靠傳輸。但依靠單獨的信息設備無法實現空間范圍內的全覆蓋，故需借助切換技術來實現連續(xù)通信。

目前城市軌道交通車地無線通信典型業(yè)務，以及對可靠性、安全性及信息和網絡安全方面的要求，如表1所示。

2 車地無線通信技術的演進

早期，為保證列車安全運行，車地間通信通過軌道電路實現。后來，無線列車調度系統(tǒng)，也稱無線集群通信系統(tǒng)，為控制中心調度員、車輛段調度員、車站值班員等固定用戶同列車司機、防災人員、維修人員等移動用戶之間提供迅速、有效的通信。

表1 城市軌道交通車地無線通信典型業(yè)務及要求[1-2]

目前，城市軌道交通需要進行車地無線通信的應用業(yè)務主要包括CBTC、列車運行狀態(tài)檢測系統(tǒng)、無線列車調度系統(tǒng)、車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)，以及智能運維系統(tǒng)等；通信應用業(yè)務范圍從傳統(tǒng)的單一承載向綜合承載趨勢演進。

2.1 集群通信技術的演進

早期的集群通信系統(tǒng)采用模擬集群通信技術；第2代集群通信系統(tǒng)大多采用窄帶數字集群通信技術；近年來，隨著LTE(長期演進)技術的商用化，逐步實現了寬帶多媒體集群系統(tǒng)。典型的寬帶集群系統(tǒng)有LTE數字傳輸+集群語音通信系統(tǒng)及基于B-TrunC標準的專網寬帶集群系統(tǒng)等。

2.1.1 TETRA(泛歐集群無線電)系統(tǒng)

通常，TETRA系統(tǒng)采用第2代數字移動通信技術，可提供518 kbit/s的峰值通信速率，其通信頻點通常采用800 MHz，是目前國內城市軌道交通領域主要采用的技術。

2.1.2 基于TD-LTE(長期演進時分雙工)技術的集群通信系統(tǒng)

近年來，隨著LTE的商用化，推出了基于TD-LTE技術的車地無線通信系統(tǒng)，可實現上、下行峰值速率分別達50 Mbit/s及100 Mbit/s，以滿足列車控制信息、語音調度、車載視頻監(jiān)控、高清視頻播放傳輸等多種業(yè)務的實時雙向交互需求，實現一網多能的要求。基于TD-LTE技術的車地無線通信系統(tǒng)作為專用、完整和獨立的通信系統(tǒng)，把地鐵各子系統(tǒng)聯(lián)成一個有機整體，不僅提供了專用的高速數據傳輸通道，還可承載語音、視頻等多媒體調度業(yè)務，完成語音集群通信、語音廣播、視頻通話、視頻分發(fā)、視頻監(jiān)控等業(yè)務的承載，實現了極小的切換時延、傳輸時延極嚴格的QoS(服務質量)機制。

為滿足可靠性要求，基于TD-LTE技術的車地無線通信系統(tǒng)采用了網絡層與業(yè)務層隔離、空口加密、雙向接入認證、專用頻段等專用技術，采用核心網異地容災及無線網雙網互備等設備配置方案；并采用ICIC(小區(qū)間干擾協(xié)調)、定向切換、多普勒頻偏預矯正等專用的車地通信無線資源管理算法，具有高抗干擾性和較好的業(yè)務連續(xù)性。

2.1.3 B-TrunC寬帶集群通信

B-TrunC是由寬帶集群產業(yè)聯(lián)盟組織制定的LTE數字傳輸+集群語音通信專網寬帶集群系統(tǒng)標準,也是ITU(國際電信聯(lián)盟)唯一推薦的寬帶集群空中接口標準。2015年我國工信部頒布了1.4 GHz和1.8 GHz專網頻點，用于政務、公共安全及行業(yè)專用通信網絡，采用TDD(時分雙工)方式建設寬帶集群系統(tǒng)，并成為公安部門寬帶系統(tǒng)空口標準。

B-TrunC的特性為大規(guī)模組網技術、增強的集群安全、豐富的業(yè)務能力、跨集群核心網的移動性管理及互聯(lián)互通。B-TrunC在保證安全可靠的基礎上，向更高帶寬、更低時延和更多連接的5G方向演進。設計時應重點關注NSA(網絡存儲)組網+雙連接、針對5G NR(空口設計的全球性5G標準)的新頻譜分配方案，包括1.4G LTE與5G NR頻譜共享技術和ISM頻譜技術，以滿足低時延、高可靠和超連接的要求。

2.2 CBTC系統(tǒng)中的車地無線通信

CBTC系統(tǒng)具有更安全、可靠和穩(wěn)定的特點。

2.2.1 通信頻段

為保障車地無線通信系統(tǒng)的抗干擾性能，我國CBTC系統(tǒng)從ISM頻段轉向LTM-M技術下專用頻段(1.8 GHz)。傳統(tǒng)的城市軌道交通車地無線通信網絡主要采用基于IEEE 802.11標準的 WLAN(無線局域網)技術。WLAN技術采用雙網覆蓋技術，實現了專網專用，并采用跳頻技術來保障車地無線通信的安全性，但其工作在ISM頻段，易受到來自公眾WLAN設備信號的干擾。WLAN的應用頻段完全受限于相關技術標準的限定，已沒有對頻段靈活配置、組合運用的余地，在多業(yè)務并發(fā)時無法按照優(yōu)先級調度，無法保證按高優(yōu)先級業(yè)務的實際使用帶寬，故其不適用于綜合承載。隨著車地無線通信技術的發(fā)展，基于LTE技術的車地無線通信系統(tǒng)逐漸完善和成熟。適用于車地無線通信的LTE-M工作在推薦的1.8 GHz頻段，能有效減少信號的干擾，但其通信頻帶仍在一定程度上受到限制。

2.2.2 無線信號覆蓋

城市軌道交通運營環(huán)境復雜，對安全性、可靠性要求極高。為滿足車地通信要求，無線信號覆蓋方式主要有定向天線、泄露電纜和裂縫波導管等。

基于IEEE 802.11系列標準的WLAN通常采用空間自由波和波導管兩種方式。AP(無線接入點)的傳輸速率與列車的運行速度基本無關，但受地形變化所帶來的多徑影響，以及列車快速運動帶來的多普勒效應等，WLAN信號的傳輸速率會受到較大程度的影響。相較于其他天饋系統(tǒng)，泄漏電纜信號覆蓋更均勻，尤其適用于地鐵隧道等狹長空間，可減小信號陰影及遮擋，受填充效應影響小。泄漏電纜支持較寬的工作頻帶，故多種不同無線系統(tǒng)的信號可共享同一漏纜進行傳輸，避免了多個專業(yè)系統(tǒng)施工安裝的重復性。

考慮到CBTC系統(tǒng)對安全性的特殊要求，CBTC系統(tǒng)通常采用紅網和藍網雙覆蓋的形式，以提高可靠性和可用性。

2.2.3 安全專用通信技術的應用

受開放性及標準化的通信協(xié)議等的限制，應用于 CBTC系統(tǒng)等城市軌道交通安全性要求高的無線通信易受到干擾、竊聽、重放等攻擊。而專用頻段及專用通信網可在一定程度上緩解干擾的影響，但安全風險仍然較高。為進一步保證通信的安全性和可靠性，通常要采用專用技術，以進一步避免干擾、重放和竊聽等。目前，主要采用跳頻擴頻通信技術， RSSP-1、RSSP-2、FSFB/2等專用通信協(xié)議,以及冗余通道相互驗證技術等。

目前，面對無線通信開放性，針對協(xié)議標準化的城市軌道交通通信特征，車地通信功能安全和信息安全技術措施仍不夠有力，需進一步研究。

3 未來車地無線通信的應用及挑戰(zhàn)

隨著智慧地鐵發(fā)展，眾多應用場景對車地無線通信帶寬及性能提出更高要求。5G擁有低延時、高可靠、超連接和大寬帶的特性，為城市軌道交通行業(yè)的智能化應用奠定了基礎。與LTE技術相比，5G在頻譜利用率和資源利用率等方面有更好的表現，是當前新的研究方向[3]。未來，車地無線通信的主要應用方向及挑戰(zhàn)也與現在不同。

3.1 綜合承載

綜合承載將成為城市軌道交通車地通信的新方向及挑戰(zhàn)。5G基于端到端的全新體系架構，采用全新頻段、多天線、波束賦型等先進技術，具有超高寬帶、超低延時、大規(guī)模連接等特性，為實現城市軌道交通多業(yè)務的綜合承載奠定了帶寬基礎。為保證基于5G的車地無線通信安全，通常采用QoS技術將業(yè)務分成不同等級，以滿足不同的服務等級要求。由于CBTC系統(tǒng)對信息傳輸時延要求高，因此，雖然綜合承載采用了QoS技術，但在分組通信時仍可能會因網絡擁塞等原因，導致無法在給定時間內完成車地無線通信作業(yè)。因此，基于5G綜合承載的車地無線通信系統(tǒng)仍需進行長時間的現場測試和驗證。

5G工作在毫米波頻段，其頻譜資源豐富且具有較大的連續(xù)帶寬，通常采用大規(guī)模多天線傳輸技術，以實現高效的傳輸效率。針對 5G 的頻點，目前國際上并沒有相關標準，普遍認為毫米波頻段較為合理。采用該頻段時，無線信號傳播通常采用低功耗設備，隧道內通信距離通常會小于100 m，需部署更多的接入設備。密集地部署接入設備，對通信系統(tǒng)的維護和管理帶來了一定的壓力。在城市軌道交通領域部署和實現5G網絡通信仍具有挑戰(zhàn)性。

3.2 功能安全和信息安全的融合及挑戰(zhàn)

比起傳統(tǒng)無線通信技術，5G網絡通信安全性更具優(yōu)勢。其提供了支持多種接入方式和接入憑證的統(tǒng)一認證框架，可滿足多種應用場景中的安全保護需求，并為用戶提供隱私保護。由于城市軌道交通是安全苛求系統(tǒng)，隨著其智慧化應用進一步拓展，在要求確保功能安全的前提下，信息安全也已成為城市軌道交通領域重要保障。在智慧地鐵時代，列車一旦受到攻擊，就可能會影響列車的功能安全。例如，當CBTC系統(tǒng)受到無線信號強干擾時，車地間會無法通信，進而影響列車運行。

列車的運行控制和管理在實現智能化后，在更具開放性的同時，也更易受到各種攻擊。為此，在提升智能化管理水平之前必須明確智慧地鐵和全自動無人駕駛系統(tǒng)融合的安全域以及安全域的安全需求，并應在設計和實施時充分關注列車的功能安全與信息安全，完成兩者的統(tǒng)一設計與實現。

4 結語

車地無線通信是城市軌道交通車地通信的重要組成，其安全性、可靠性和可用性直接影響著城市軌道交通運行的穩(wěn)定和安全。本文概述了車地無線通信技術的發(fā)展過程，敘述了當前用于城市軌道交通領域的主要車地無線通信技術，并基于5G進一步提出了未來車地無線通信的主要應用方向和面臨的挑戰(zhàn)，著重探討了功能安全與信息安全融合的應用與挑戰(zhàn)。