地鐵PIS車地無線技術方案研究

田海超，于孝安，王 通，張勝陽

（1. 中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081；2. 杭州華三通信技術有限公司 北京分部，北京 100052）

軌道交通信息系統

地鐵PIS車地無線技術方案研究

田海超1，于孝安1，王 通2，張勝陽1

（1. 中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081；2. 杭州華三通信技術有限公司 北京分部，北京 100052）

車地無線技術方案會直接影響地鐵PIS的最終運行效果。隨著國內城市地鐵線路的不斷建設以及技術的不斷發展進步，對于PIS中車地無線技術方案的選擇成為地鐵通信系統從業人員關注的重點。本文著重介紹了當前國內地鐵PIS中的車地無線技術方案，并針對PIS當前及未來業務需求、應用現狀及技術原理進行分析，提出了適合于PIS業務需求的技術方案。

PIS；車地無線；數字電視；LTE；WLAN

車地無線通信作為乘客信息系統（以下簡稱PIS）中重要的組成部分，其主要功能就是列車在快速移動過程中，為車 -地以及地 -車之間的各種數據信息、視頻信息和控制信息提供傳輸通道，這也是PIS 相對于其他系統所特有的需求。而 PIS 的實施，尤其是車地無線部分往往面臨著比其他系統復雜得多的物理環境。另外，隨著高清視頻的不斷發展及地鐵運營的需求增加，對車地無線服務的需求量也不斷增大。因此，如何選擇能夠提供穩定的車地無線服務的集成方案是當前亟需解決的重要課題。

1 PIS車地無線技術要求

當前地鐵 PIS 在車地無線通信方面主要關注下面6個問題。

1.1 帶寬

網絡承載的數據不僅是數據信息，還包括視頻和音頻信息，因此對通信帶寬有著較高的要求，當前地鐵運營要求車地無線網絡至少提供 15 Mbps 以上的帶寬。

1.2 漫游

列車在高速移動情況下，車載無線設備需要不斷地與軌旁的無線設備進行通信，考慮到 PIS 的車地無線主要為視頻數據的雙向傳輸，因此即便是短暫的通信中斷也會嚴重影響視頻的播放效果，因此要求漫游切換時間非常短。

1.3 丟包率

因為數據的丟包會對視頻播放的效果影響嚴重，所以本系統需要對無線通信的丟包率有嚴格的控制，一般為小于 1%。

1.4 抗干擾

PIS 系統的車地無線網絡的運行環境比較復雜，同時會與其他系統（如信號系統的 CBTC 系統等）的無線網絡有所疊加，因此必須保證 PIS 系統的無線信號和專用無線系統場強能夠在全線無縫覆蓋，同時避免對地鐵其它系統產生相互干擾。

1.5 管理維護

因為 PIS 是旅客乘坐地鐵出行的一個重要窗口，所以對車地無線通信維護管理的要求非常高。

1.6 環境適應性

因為車地無線的安裝環境為多振動、潮濕等復雜的環境下，所以對設備的可靠性相對其他系統的要求就會高很多。

針對上述需求，在已經完成建設和正在建設的城市地鐵線路中，PIS 的車地無線網絡主要采用數字電視、LTE、WLAN 這 3種技術方案進行建設。

2 PIS車地無線方案應用現狀及技術分析

2.1 數字電視

目前，基于數字電視技術構建地鐵PIS 車地無線方案的主要有 2 種 :（1）基于 DVB-T 技術 ；（2）基于數字電視技術為地鐵行業定制開發的解決方案。

在 DVB-T 技術下，要求獨立設置基站并借助軌道交通民用通信移動信號引入（POI）系統的漏纜通道?；?DVB-T 的移動電視系統采用廣播電視頻率，并不易受到干擾，同時不會影響其他無線系統，實現了視頻信號實時播放。但是，該技術僅僅實現了控制中心到列車的單向數據傳輸，即實現了 PIS 系統資訊節目的下傳，而無法實現車載視頻上傳控制中心的功能和車載無線設備的網絡管理功能，無法滿足軌道交通運營管理要求。并且，該方案需要獨立建設，占用漏纜資源，各建設方協調難度大，產權不清晰，對無線信號覆蓋要求高，而漏纜覆蓋受到公網運營商的制約，很難實現最優的覆蓋效果。更適合地面部分的傳輸，沒有針對適應地鐵使用環境的定制開發，缺乏 QoS 保障機制。地鐵 PIS 數字電視方案拓撲圖如圖1所示。

當前，地鐵線路中應用的數字電視方案一般都是基于地面數字電視廣播（DTMB，Digital Television Terrestrial Multimedia Broadcasting）的以太網無線寬帶傳輸網絡。該系統繼承新的時域同步正交頻分復用（TDS-OFDM，Time Domain Synchronous-Orthogonal Frequency Division Multiplexing）調制和單頻網組網覆蓋核心技術，可進行雙向傳輸、媒體流轉化為標準以太網數據包的定制開發、引用智能多天線技術提高數據接收的可靠性、進行數據包的分集處理支持多頻段定制開發，滿足不同運營者的需求。

圖1 地鐵PIS數字電視方案拓撲

DTMB是一種具有我國自主知識產權的地面數字電視傳輸標準。根據地面數字多媒體電視廣播的服務需求、傳輸條件和信道特征，DTMB傳輸系統采用了創新的 TDS-OFDM 調制方式。使用特殊設計的PN 序列作為同步信號填充 OFDM 保護間隔，實現了快速穩健的同步和高效的信道估計，提高了頻譜效率。在抗多信道噪聲、多徑、多普勒衰落、時鐘恢復、傳輸效率等方面優于其它地面數字電視傳輸國際標準，具備良好的性能。DTMB高度靈活的操作模式，使其具有很強的移動接受能力。

2.2 LTE

長期演進（LTE，Long Term Evolution）采用 OFDM 和MIMO 作 為 其 無 線網絡演進的唯一標準。在 20 MHz 頻譜帶寬下能夠提供理論上下行 100 Mbit/s 與上 行 50 Mbit/s 的 峰值速率。時分長期演進（TD-LTE，Time Division Long Term Evolution） 用 時 間來分離接收和發送信道，接收和發送使用同一頻率載波的不同時隙作為信道的承載，其單方向的資源在時間上是不連續的，時間資源在兩個方向上進行分配，可以比較好地適應地鐵PIS 車地間的非對稱業務需求。地鐵 PIS TD-LTE 方案拓撲圖如圖2所示。

圖2 地鐵PIS TD-LTE方案拓撲

圖3 地鐵PIS WLAN方案拓撲

TD-LTE 方案采用 車 站 部 署 BBU，軌 旁 部 署 RRU 的 方式實現無線信號的覆蓋，對于隧道可以采用漏纜方式，對于地面或者高架段可以采用天線方式。在漏纜的使用方式上，也可采用與民用無線共用的方式，以節省建設成本。但是，這樣可能存在業務系統的產權不明確的問題。RRU具備單通道 20 W 的發射功率，可以實現 1 200 m 的單小區覆蓋能力，可大幅減少軌道沿線有源設備部署數量，也可減少列車行進過程中的切換次數。如果車站間距大于相鄰車站RRU的覆蓋能力，需要進行加裝RRU，采用將RRU拉遠到隧道中。另外，車載終端TAU 的發射功率也在 2 W 左右，相對于其他應用方案中的無線設備，其發射功率會大很多。

LTE 方案實施較為復雜，由于采用時分技術，TDD-LTE 對時鐘精度要求高（50 ppb），根據 GB 50157 地鐵設計規范，一級母鐘精度達到 100 ppb 級別，但各車站二級母鐘精度在 1 000 ppb 級別，無法滿足 TD-LTE 要求，只能各車站單獨建立高精度時鐘系統從GPS取時鐘，增加額外設備和復雜的工程施工成本。在運營商，也需要配備專門人員來維護LTE 設備，對于運營維護的要求較高。

2.3 WLAN

WLAN 是地鐵 PIS 車地無線中應用最為廣泛的技術方案，也是目前在 PIS 車地無線領域應用業績最廣、技術最為成熟的方案。地鐵 PIS TD-LTE 方案拓撲圖如圖3所示。

車地無線高帶寬不僅可以承載更多車到地的高清監控視頻，而且也可以承擔更多的業務，如車廂無線熱點覆蓋業務，為地鐵帶來更多的運營方式和利益增長點。另外，采用 WLAN 技術主要工作在 2.4G 和 5 G 頻段，該頻段屬于 ISM 頻段，無需授權許可即可使用，所以，不必承擔頻段占用費用，可以免費使用，這將給地鐵 PIS 的后續運營節省大量的運營成本。高帶寬提供能力以及豐富的免費頻帶資源都是 WLAN 技術在地鐵 PIS 的車地無線方案中相對于數字電視和 LTE 技術的重要優勢。

2.4 技術方案對比

通過對數字電視、LTE、WLAN 這 3種在地鐵PIS 中的技術方案進行分析，可得出如表 1 中的結論。

3 結束語

通過對數字電視、LTE、WLAN 在地鐵 PIS 車地無線應用方案的分析，可以看出，WLAN作為目前技術最為成熟、應用文案例最為廣泛的車地無線方 案，相對于其他技術具備很大的優勢。隨著地鐵行業頻段的確定以及后續 802.11ac 標準的應用，WLAN方案將能夠發揮更大的優勢，為地鐵車地無線帶來更高更加穩定的帶寬，不僅能夠滿足當前 PIS 業務系統的需要，同時也可以滿足其他涉及車地無線業務的承載，為地鐵運營方創造更大的價值，同時也為廣大乘客帶來更好的乘坐體驗。

表1 車地無線技術方案對比

[1] 張甲文 . 基于 DVB 標準的車 - 地無線通信技術在地鐵中的應用 [J]. 現代城市軌道交通 , 2012（1）.

[2] 楊文超，楊維康，郜煥平 . DTMB 車載數字電視終端與實現 [J]. 電子產品世界，2008（4）.

[3] 陳其銘，張炎炎，潘 毅，孫 煉 . TD-LTE 系統內抗干擾技術 [J]. 電信科學 , 2010（11）.

責任編輯 方 圓

Scheme of train-ground wireless communication for metro PIS

TIAN Haichao1, YU Xiao,an1, WANG Tong2, ZHANG Shengyang1
( 1. Institute of Computing Technologies, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China; 2. Beijing Branch, Huasan Communication Technology Co. Ltd., Beijing 100052, China )

The train-ground wireless scheme would decide the running effect of metro PIS. With the development of domestic metro construction and technical improvement, the choice of PIS train-ground wireless scheme became the key content of metro communication system employee who should think about. The current domestic metro PIS trainground wireless scheme was introduced emphatically. According to the current and future service demands, the status of application, the technical principle, the proper scheme that adapted PIS service demands was put forward nally.

PIS; train-ground wireless; digital TV; LTE; WLAN

U231.7∶TP39

：A

1005-8451（2015）01-0046-04

2014-07-21

田海超，工程師；于孝安，工程師。