探討無線通信技術應用于軌道交通通信、信號業務

韓賀亮 呂崢

摘 要：目前，國內的城市軌道交通建設處于迅猛發展時期，各大城市相繼開展線路施工建設。隨著越來越多的城市軌道交通建設規劃獲批，帶來更大規模的軌道交通建設工作。在通信信號領域，隨著無線電技術飛速發展后，各廠商開始孜孜不倦地研發一種基于無線通信的列車自動控制系統。針對軌道交通通信、信號業務需求特點，在技術和可用性層面上對LTE技術、WLAN技術進行了描述及分析，使軌道交通通信、信號系統中車地無線系統的建設規劃更為合理，高效。

關鍵詞：無線通信技術；軌道交通；通信

隨著軌道交通的快速發展，建立安全可靠、高效穩定的車地無線通信系統是提高運營效率、管理質量、用戶體驗的必要手段。地面與高速行駛車輛（時速80km/h）之間的數據傳輸通道需要在高速移動的狀態下，具備優秀的快速接入性、實時傳輸性、帶寬調整性和抗干擾性等特點。本文結合軌道交通通信、信號業務需求和車地無線的技術特點，分析不同無線技術在軌道交通通信、信號車地無線承載業務中的適用范圍。

一、在軌道交通使用環境下無線通信技術分析

目前，應用于軌道交通通信、信號的主流無線通信技術有基于802.11ac的WLAN及LTE兩種，代表著未來的發展方向和趨勢。以下將結合軌道交通的實際應用情況對兩種技術進行介紹。

1.基于802.11ac的WLAN技術介紹。

IEEE802.11ac，是 一 個802.11無 線 局 域 網（WLAN）通信標準。WLAN標準從1997年第一代頒布以來，經歷了802.11、802.11b、802.11g/a、802.11n、802.11ac的發展過程。結合軌道交通的環境特性，其主要技術特性如下：

（1） 在軌道交通領域，系統可支持2.4GHz/5.1GHz/5.8GHz無線頻段，具備更多的選擇，且工作在ISM頻段（公用頻率），對于頻率使用只需要進行報備，無需專項申請。

（2）WLAN技術網絡架構基于數據鏈路層，系統開銷小，采用最高至256-QAM的調整方式，理論上在160MHz的無線頻率資源，靜止狀態可提供不小于1Gbit/s的傳輸速率。實際軌道交通環境列車運動狀態下的平均傳輸速率300Mbit/s；頻普轉換率接近到1：1：85，業務的帶寬支持能力強。

（3）網絡架構采用雙向非對稱設計、上、下行采用統一正交頻分復用（OFDM）技術，但系統采用競爭接入模式，業務的接入無法有效實現保障性的帶寬控制，多業務的QOS保障存在局限性，同時也無法實現針對業務進行上下、下行數據的按需靈活配置；整體的業務保障性能力一般。

2.TD-LTE技術介紹

LTE是由3GPP組織制定的通用移動通信系統技術標準的長期演進。LTE系統引入了OFDM和MIMO等關鍵技術，顯著增加了頻譜效率和數據傳輸速率，在20MHz頻譜帶寬，2×2MIMO天線的模式下，理論下行最大傳輸速率為201Mbit/s，但根據實際組網以及終端能力限制，一般認為下行峰值速率為100Mbit/s，上行為50Mbit/s。目前LTE技術逐步應用在軌道交通行業，通過1.8GHz頻帶進行通信。結合軌道交通的環境特性，其主要技術特性如下：

（1）在軌道交通領域，系統僅支持1.8GHz專用頻率，選擇較為單一。使用1.8GHz頻率時需要進行專項申請，一般在合法的情況下能夠爭取到10MHz的頻率帶寬。系統頻率使用限制大，但專用頻率不易受到干擾，可靠性非常高。

（2）TD-LTE技術網絡架構基于網絡層，系統開銷相對較大，采用64-QAM調整方式下靜止狀態下頻譜轉化率可達到1：5，運動狀態下利用率接近1：1：5，采用10MHz的無線頻率資源，靜止狀態可提供不小于50Mbit/s的傳輸速率，運動狀態下的邊緣有效傳輸帶寬可達15Mbit/s。

（3）網絡架構采用雙向非對稱設計，上行采用單載波頻分多址（SC-FDMA），下行采用正交頻分多址（OFDMA）。LTE總共7種上下行子幀配比，業務的需求配合非常靈活。

（4）系統采用TDD（時分雙工）方式，同時引入同步時鐘系統，能夠在有效劃分業務的同時，確保各業務的QOS。業務保障性能力強。

二、對軌道交通信號、通信各業務承載采用無線技術的建議

1.對于軌道交通各項需求級別最高

帶寬需求一般的列車控制信號業務，采用獨立車地無線網絡建設，采用在1.8GHz特殊頻率下工作的LTE技術。通過A/B雙網的組網方式，形成冗余配置，建設思路如下：

（1）控制中心配置單核心EPC熱備模式或獨立雙EPC核心網設備，確保整體系統的管理安全。

（2）車站配置兩套以太網交換機及對應的BBU設備用于信號處理。

（3）區間軌旁獨立鋪設一根泄露電纜，同時與800MHz專用調度TETRA系統泄漏電纜合路，組成冗余的無線覆蓋介質，同時結合漏纜布置原則和RRU覆蓋范圍，設置若干RRU用于無線信號的覆蓋。

（4）車載設備CPE車頭、車尾按照信號廠商的情況，分別配置主、備一套或兩套無線終端設備，實現車載部分的冗余配置。

2.對于軌道交通各項需求級別一般

帶寬需求較大的業務如：車載視頻監控、視頻廣告、運營信息、輛狀態信息等，利于建設成本考慮，建議采用車地無線網絡綜合承載的建設模式，采用在5.8GHz頻率下工作的WLAN（802.11ac）技術。通過單網的組網方式，建設思路如下：

（1）控制中心配置單核心設備，關鍵模塊（管理、電源）熱備模式，確保整體系統的管理安全。

（2）車站配置單臺太網交換機關鍵模塊（管理、電源）熱備模式，用于無線覆蓋設備的接入。

（3）采用5GHz或5.8GHz無線頻段，根據頻率報備和業務帶寬需求情況，采用40MHz、80MHz或160MHz組網；在40MHz的模式下可轉換平均75Mbit/s的傳輸帶寬，在80MHz的模式下可轉換平均150Mbit/s的傳輸帶寬，在160MHz的模式下可轉換平均300Mbit/s的傳輸帶寬，完全滿足車載視頻監控、視頻廣告、運營信息、輛狀態信息等業務傳輸帶寬不小于65Mbit/s的需求，同時進行了帶寬預留。

三、結語

目前，各地軌道交通建設蓬勃發展，而車地無線系統作為地鐵運用部門便民服務及保障安全的一個關鍵環節得到極大的重視。本文針對現有軌道交通信號、通信中重要業務特性和主流無線技術體系進行了分析，并結合實際的無線頻率使用情況，將業務和無線技術進行了合理的配對，使車地無線系統整體的規劃更為切合實際，同時也為軌道交通業務后期的發展預留了想象的空間。

參考文獻：

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[2]文豪.淺談軌道交通信號系統無線傳輸應用[J]. 科技創新導報，2016，05：10-11.