地鐵無線傳輸系統(tǒng)的構(gòu)想

陳志杰

摘要

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市軌道交通建設(shè)如火如荼，保障和提升地鐵運(yùn)營服務(wù)的無線通信需求也急劇增加，不同無線技術(shù)的特點(diǎn)及有限的頻率資源難以滿足獨(dú)立承擔(dān)起眾多的業(yè)務(wù)需求。本文分析了地鐵無線通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀，對綜合利用現(xiàn)有的無線通信技術(shù)（系統(tǒng)）及頻率資源滿足應(yīng)用業(yè)務(wù)需求進(jìn)行了探索。

【關(guān)鍵詞】地鐵 無線通信 現(xiàn)狀 構(gòu)想

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及信息化程度的快速提高，推動(dòng)了人們工作生活節(jié)奏的迅速加快，交通出行的便捷需求問題日益突顯。地鐵以其運(yùn)輸量大、速度快、節(jié)約土地等優(yōu)點(diǎn)成為各大中城市解決市民交通出行需求的首先方案，近年來地鐵建設(shè)如火如荼。作為保障地鐵運(yùn)營指揮、安全防護(hù)、安全治理、旅客服務(wù)的通信系統(tǒng)在地鐵的應(yīng)用方案也得到不斷完善與提高。通信系統(tǒng)中無線通信的應(yīng)用由最初的專用調(diào)度指揮職能得到不斷延伸，在這過程中，無線系統(tǒng)的資源綜合運(yùn)用還存在一定的局限性。要充分發(fā)揮無線資源的利用效率，在無線傳輸技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，需要沖破傳統(tǒng)無線應(yīng)用系統(tǒng)商業(yè)巨頭們對傳統(tǒng)專用系統(tǒng)的維護(hù)，同時(shí)通過運(yùn)用需求推動(dòng)新運(yùn)用模式系統(tǒng)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)。

1地鐵通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀

目前地鐵通信系統(tǒng)主要應(yīng)用于地鐵運(yùn)營指揮、安全防護(hù)、安全治理等方面，屬于地鐵運(yùn)營的神經(jīng)系統(tǒng)。通信系統(tǒng)主要由公安通信系統(tǒng)、公用通信系統(tǒng)、專用通信系統(tǒng)等三部分組成，而專用的通信系統(tǒng)又分為公務(wù)電話、無線通信、閉路電視監(jiān)控及乘客信息、廣播等子系統(tǒng)。專用通信系統(tǒng)作為地鐵列車調(diào)度及維修調(diào)度的通信保障，主要是通過無線傳輸及識(shí)別定位、移動(dòng)通信來實(shí)現(xiàn)。

在有線通信系統(tǒng)中，經(jīng)過二十多年的演變發(fā)展，傳輸功能己基本獨(dú)立于各應(yīng)用子系統(tǒng)，成為一個(gè)提供傳輸通道的公共服務(wù)平臺(tái)，這個(gè)傳輸平臺(tái)的服務(wù)功能隨著各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的加入也不斷得到完善，在地鐵通信傳輸中所能提供的傳輸接口包括：以太網(wǎng)口、2M、64K、RS232、RS488（RS485）等。傳輸系統(tǒng)自身的診斷、通道的迂回備份、自愈、故障弱化等功能能得到了很好的完善。新應(yīng)用需求的加入，對傳輸系統(tǒng)來說，基本只是系統(tǒng)容量與接口配置的調(diào)整。

地鐵無線通信經(jīng)歷過模擬對講、模擬集群的技術(shù)體制時(shí)代，由于技術(shù)上的局限性，信號(hào)的穩(wěn)定性和抗干擾能力較差，信號(hào)傳輸質(zhì)量不高，系統(tǒng)功能較單一，在很大程度上制約著地鐵運(yùn)輸?shù)陌踩浴⒖煽啃砸约斑\(yùn)輸指揮效率的提高。90年代數(shù)字集群出世，TETRA系統(tǒng)以其高效、穩(wěn)定的特點(diǎn)被我國采納，作為數(shù)字集群移動(dòng)通信的標(biāo)準(zhǔn)體制。之后在新建地鐵線路中也迅速被廣泛應(yīng)用。十多年來TETRA系統(tǒng)的成功運(yùn)用，為地鐵的高效、安全運(yùn)營起到了很好的保障作用。

2地鐵無線應(yīng)用需求

隨著地鐵建設(shè)規(guī)模和運(yùn)營成熟度的不斷提高，地鐵公司己經(jīng)有多年使用無線系統(tǒng)應(yīng)對業(yè)務(wù)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。地鐵建設(shè)方對地鐵運(yùn)營的控制方式、指揮模式、調(diào)度指揮的高效直觀、地鐵運(yùn)營過程中實(shí)時(shí)狀況的了解以及提升旅客地鐵出行的舒適度不斷提出新的需求。特別是近年來新的應(yīng)用需求不斷浮出水面。除傳統(tǒng)的專用列車調(diào)度指揮應(yīng)用外，還有CBTC車地通信、車載視頻監(jiān)控信息傳送、遠(yuǎn)程維護(hù)、列車運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)傳送、旅客列車廣播以及旅客上網(wǎng)等應(yīng)用需求。而這些應(yīng)用中與信號(hào)和設(shè)備控制調(diào)度有關(guān)的關(guān)鍵應(yīng)用是CBTC-“基于無線通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)”：這樣的應(yīng)用，總的來說需求帶寬不是很高（大約100?500kbps），但需要很高的可用性（至少達(dá)到99.99%）、耐用性、可靠性（200字節(jié)包長度的分組錯(cuò)誤率通常為3～10）和全程良好的通信連續(xù)性（移動(dòng)終端從一個(gè)固定無線基地切換到下一個(gè)基站的時(shí)間要求）。非關(guān)鍵應(yīng)用：它們與乘客信息、遠(yuǎn)程維護(hù)、車載視頻監(jiān)控、用于跟蹤或站臺(tái)監(jiān)視的閉路電視、網(wǎng)絡(luò)接入等有關(guān)。這些非關(guān)鍵應(yīng)用總體上需要更高帶寬（車對地、地對車雙向都須達(dá)到數(shù)十兆位/秒的級(jí)別），但健壯性約束較低（1M字節(jié)的包長度分組錯(cuò)誤率大約為2?10），同時(shí)不同應(yīng)用需求，信息的收發(fā)對稱性需求也不一樣。

行駛中的列車作為一個(gè)移動(dòng)體（包括維修作業(yè)人員），無線傳輸成為解決這些應(yīng)用需求的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。在有限的無線頻率資源中如何充分提高有限資源的利用效率也是運(yùn)用無線技術(shù)方案的關(guān)鍵。

3地鐵無線通信技術(shù)的應(yīng)用

地鐵絕大部分為閉合空間的特點(diǎn)，決定了無論是關(guān)鍵應(yīng)用還是非關(guān)鍵應(yīng)用，運(yùn)營商為公眾提供服務(wù)的無線網(wǎng)絡(luò)在地鐵領(lǐng)域幾無可用。目前在我國地鐵移動(dòng)通信中同時(shí)應(yīng)用的無線通信技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)有模擬對講、TETRA、WLAN、LTE以及特殊場合應(yīng)用的波導(dǎo)技術(shù)（僅用于CBTC）、射頻標(biāo)簽等。模擬對講主要是作為地鐵移動(dòng)通信中的應(yīng)急補(bǔ)充部分依然存在，基本不作為應(yīng)用系統(tǒng)的整體解決方案來配置，TETRA、WLAN、LTE是目前地鐵中支持無線通信的主要解決手段，其中LTE是三者中在軌道交通領(lǐng)域最新出現(xiàn)的技術(shù)，也是目前業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點(diǎn)；TETRA在軌道交通專用無線通信領(lǐng)域應(yīng)用非常成熟、普遍，但在國產(chǎn)化、互聯(lián)互通方面仍是大家關(guān)注的熱點(diǎn)；WLAN在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用也非常成熟、廣泛，目前仍在積極拓展新應(yīng)用的接入服務(wù)，完善應(yīng)用效果。這三種不同標(biāo)準(zhǔn)存在各自的優(yōu)勢與缺陷，使得各地鐵公司在工程前期設(shè)備選型中需要糾結(jié)一番。

對己有多條線路開通運(yùn)行的地鐵公司，己經(jīng)建設(shè)了成規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，也培養(yǎng)出完善的自主維修人員隊(duì)伍，在設(shè)備選型時(shí)主要從運(yùn)營安全、系統(tǒng)成熟度、售后服務(wù)、開通業(yè)績、維修成本等角度綜合出發(fā)，要考慮網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通及備件的互通性、維修的延續(xù)性。對于新建地鐵的城市，在系統(tǒng)技術(shù)成熟的前提下可更多地從系統(tǒng)的業(yè)務(wù)可擴(kuò)展性考慮。

LTE：“帶寬”是最大優(yōu)勢，目前LTE均應(yīng)用在PIS系統(tǒng)中，有些地鐵還同時(shí)承載了調(diào)度系統(tǒng)或列控系統(tǒng)。也有將多媒體視頻調(diào)度業(yè)務(wù)、列車視頻監(jiān)控系統(tǒng)、列車告警系統(tǒng)上傳、門禁系統(tǒng)、BAS系統(tǒng)、FAS系統(tǒng)等很多數(shù)據(jù)都試圖在同一張LTE網(wǎng)上承載，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、低成本建設(shè)。

TETRA：完善、穩(wěn)定是最大優(yōu)勢，窄帶的缺點(diǎn)也比較明顯。長期以來主要用于承擔(dān)地鐵運(yùn)行過程中的列車調(diào)度、信號(hào)傳輸?shù)纫π畔鬏斎蝿?wù)，是地鐵專用通信系統(tǒng)的重要組成部分。在各個(gè)地鐵的實(shí)際應(yīng)用中，TETRA在各方面的功能比較完善、穩(wěn)定，深受業(yè)主好評(píng)。在國內(nèi)己開通線路的專用無線調(diào)度通信系統(tǒng)基本都是采用TETRA，—部分新建招標(biāo)的線路也仍然會(huì)繼續(xù)采用TETRA。其國產(chǎn)化率底的情況近兩年來情況發(fā)生了一些變化，不同廠家之間產(chǎn)品之間的互聯(lián)互通也在推進(jìn)中。目前軌道交通智能化要求越來越高，所需要實(shí)現(xiàn)的空口業(yè)務(wù)越來越多，靠一張TETRA網(wǎng)，帶寬顯得很不足，難以滿足軌道交通后續(xù)發(fā)展需求。endprint

WLAN：“寬帶”是最大優(yōu)勢，抗干擾性弱是致命缺陷。WLAN是目前軌道交通應(yīng)用的主要無線通信技術(shù)之一，目前技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，廣泛應(yīng)用于車地通信、PIS、CBTC、地鐵商業(yè)WIFI等各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，在各個(gè)地鐵線路上應(yīng)用普遍。但是受限于技術(shù)本身的一些先天性缺陷，會(huì)存在相互干擾的問題影響關(guān)鍵應(yīng)用的系統(tǒng)安全；WLAN應(yīng)用于PIS等系統(tǒng)時(shí)，會(huì)存在在高速移動(dòng)時(shí)視頻切換時(shí)間比較長、卡片等現(xiàn)象。

從系統(tǒng)的應(yīng)用效果和技術(shù)特點(diǎn)來看，地鐵無線應(yīng)用從TETRA走向LTE成為方向，但是如果要采用LTE，就面臨頻點(diǎn)申請的問題。雖然國家己經(jīng)指定1785?1805Mhz頻段可用于城市軌道交通行業(yè)專用無線通信，但此頻段并非軌道交通專用頻段，電力、石油等行業(yè)專用無線通信網(wǎng)和公眾無線通信網(wǎng)同樣可以使用。另外地鐵移動(dòng)通信應(yīng)用需求的爆發(fā)式增長，比如為了達(dá)到地鐵線路自動(dòng)化改造項(xiàng)目（無人駕駛地鐵）中必要的安全級(jí)別，對車廂內(nèi)、軌道旁和站臺(tái)上所發(fā)生的危險(xiǎn)活動(dòng)和不正常事件進(jìn)行監(jiān)測和評(píng)估，需要安裝車載、路旁、站臺(tái)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)；增強(qiáng)乘客舒適感和旅行體驗(yàn)的非關(guān)鍵應(yīng)用——比如車上網(wǎng)絡(luò)連接（在將來的幾年間，乘客或許將不能接受無網(wǎng)絡(luò)連接的情況），以及視頻點(diǎn)播或者其他的娛樂設(shè)施，可能會(huì)成為吸引顧客的必需品；同時(shí)，這也會(huì)提高運(yùn)輸公司的品牌形象。20M的帶寬就是全部能夠得到使用，很快也會(huì)難以滿足應(yīng)用業(yè)務(wù)的需求。

另外技術(shù)淘汰（特別是在通信技術(shù)領(lǐng)域）很快就會(huì)到來，而且常常與列車系統(tǒng)的生命周期不匹配。比如鐵路GSM-R系統(tǒng)目前還在部署過程中，該產(chǎn)品生命進(jìn)入末期己經(jīng)成為基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營公司的重大憂慮。4G技術(shù)是否很快被跨越成為需要全程全網(wǎng)的鐵路通信人心中抹不去的憂慮。

綜上所述，研究如何充分綜合利用成熟的資源，同時(shí)適應(yīng)未來無線技術(shù)發(fā)展演變，滿足日益增長的業(yè)務(wù)需求就成為必然。

4地鐵無線傳輸系統(tǒng)的構(gòu)想

鑒于無線資源的稀缺和各種技術(shù)的不同特點(diǎn)，綜合利用不同技術(shù)，發(fā)揮各自優(yōu)勢，提高頻率資源的利用效率是我們需要重點(diǎn)研究的問題。目前在國內(nèi)有些地方釆用LTE承載CBTC業(yè)務(wù)及部分寬帶業(yè)務(wù)，TETRA承載窄帶語音調(diào)度業(yè)務(wù)，WLAN承載PIDS、WIFI等資源經(jīng)營業(yè)務(wù)。這種安排己充分利用現(xiàn)有的可用資源，很大程度上發(fā)揮了各自的優(yōu)勢，但是這些資源與承載業(yè)務(wù)的分配按照固定模式分配，新業(yè)務(wù)需求出現(xiàn)時(shí)，根據(jù)業(yè)務(wù)的關(guān)鍵程度，需要進(jìn)行承載通道調(diào)整時(shí)的可操作性不強(qiáng)。

如果按照有線傳輸?shù)哪Ｊ絹硭伎迹Y(jié)合無線技術(shù)的特點(diǎn)，將無線傳輸獨(dú)立于各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，將不同技術(shù)的可用系統(tǒng)進(jìn)行捆綁聚合，形成能滿足不同無線傳輸需求、基本獨(dú)立于各應(yīng)用子系統(tǒng)的無線傳輸通道公共服務(wù)平臺(tái)，這個(gè)傳輸平臺(tái)的服務(wù)功能隨著各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的加入可以不斷完善，提供不同應(yīng)用系統(tǒng)所需求的傳輸接口，并可根據(jù)應(yīng)用需求傳輸信息的特點(diǎn)靈活配置通道的類型和優(yōu)先等級(jí)，使得有限的頻率資源和基礎(chǔ)設(shè)施資源通過動(dòng)態(tài)分配，實(shí)現(xiàn)資源的最大利用，同時(shí)平臺(tái)也要考慮類似于5G技術(shù)到來時(shí)的捆綁聚合。接口協(xié)議進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范，最大限度地便捷應(yīng)用業(yè)務(wù)對傳輸通道的申請與釋放。

按照這種構(gòu)想搭建，可以以TETRA和LTE核心網(wǎng)為基礎(chǔ)，把WLAN作為無線傳輸通道的輔助接入，最大限度地利用TETRA成熟的語音調(diào)度通信功能，同時(shí)利用WLAN的接入來緩解LTE頻率資源方面的緊缺，最大限度地滿足應(yīng)用業(yè)務(wù)對無線傳輸通道的需求。在設(shè)備上開發(fā)一套實(shí)現(xiàn)多種無線技術(shù)（系統(tǒng)）聚合的車載數(shù)據(jù)（含話音）接口平臺(tái)，在接口配置上充分研究不同業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，以滿足應(yīng)用業(yè)務(wù)的需求。平臺(tái)具有良好的用戶界面以方便可靠地實(shí)現(xiàn)用戶對傳輸通道的配置，并可根據(jù)業(yè)務(wù)信息的優(yōu)先等級(jí)自動(dòng)進(jìn)行傳輸通道的調(diào)配。平臺(tái)具有良好的自我愈合和自診斷能力。該聚合平臺(tái)的建立，在既有線路上可以發(fā)揮原有TETRA的作用，在新建線路中也可考慮不同無線系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)劃，根據(jù)無線頻率的批準(zhǔn)情況、應(yīng)用業(yè)務(wù)的需求情況進(jìn)行分期建設(shè)。

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