城市軌道交通車地無線通信系統發展分析

萬鵬

摘要：城市軌道交通車地無線通信系統是傳統電信移動通信業務在軌道交通行業應用的延伸，伴隨電信移動通信技術的發展，城市軌道交通車地無線通信技術也同步得到了發展，本文力求從城市軌道交通車地無線通信業務需求和技術發展兩方面因素分析，來展望城市軌道交通車地無線通信系統未來的發展趨勢。

關鍵詞：車地無線;寬帶;5G;

一、引言

城市軌道交通車地無線通信系統是為固定用戶（控制中心、車站、車輛段、停車場）和移動用戶（運行列車、地面移動用戶）之間通信需求，以及運行列車和地面設備之間通信需求而設立的，伴隨自動駕駛、安防要求提升和不斷增長的智能化運維需求的增加，對車地無線通信系統的高可靠、大帶寬、低時延等的要求也不斷提高，本文力求通過對城市軌道交通車地無線通信系統的現狀分析，結合近年來新技術、新設備在車地無線通信系統的應用，探討城市軌道交通車地無線通信系統的發展。

二、城市軌道交通車地無線通信業務需求分析

城市軌道交通車地無線通信系統主要滿足以下業務需求：無線調度電話、列車CBTC信息、列車運行狀態信息、列車火災報警信息、列車緊急文本信息、車載PIS直播業務、列車CCTV上傳業務等，這些業務需求對帶寬、時延和丟包率等指標要求都不同，同時根據影響行車的重要性分為安全業務和非安全業務。如何合理構建一套或多套車地無線通信系統，需要綜合考慮在滿足業務需求的情況下，還要充分兼顧經濟性、頻譜利用等因素。

三、傳統車地無線通信系統應用特點和現狀

目前，應用于城市軌道交通行業的車地無線通信系統主要有WLAN、RailView、LTE和EUHT等。

1、WLAN

WLAN一直是承載PIS和CCTV的主流車地無線通信技術，其技術標準主要有IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g、IEEE802.11n和IEEE802.11ac等。采用IEEE802.11n和IEEE802.11ac，靜態理論有效帶寬可達數百兆，該技術在國內各城市軌道交通中應用較多，開發成本及建設風險小，但從已開通工程實際應用情況看，效果并不十分理想，主要表現在高速適應性差（目前，采用WLAN技術的地鐵項目，設計最高速度是80km/h），AP無線切換時丟包，易受干擾，安全性低等。WLAN設備廠家有華三、銳捷等。

2、RAILVIEW

RAILVIEW是根據軌道交通特點和PIS系統車地無線傳輸專門研發的基于DVB—T的無線寬帶傳輸技術。RAILVIEW采用COFDM編碼正交頻分復用調制技術和分集接收技術，具有帶寬大（每1MHZ頻率能提供2Mbps的數據傳輸帶寬），覆蓋距離廣（單AP覆蓋半徑達到1Km）的特點，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設備廠家是烽火通信。

3、LTE

LTE技術在20MHZ頻譜帶寬下，理論上能夠提供下行100Mbps，上行50Mbps的峰值速度;系統延遲低（內部單向傳輸時延低于5ms）;支持成對或非成對頻譜，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用。工作在5.8GHz的LTE-U已有經過高速測試，尚未有應用案例。LTE設備廠家有華為、中興等。

4、EUHT

EUHT（Enhanced Ultra-High Throughput，增強型超高吞吐）是結合未來移動通信系統高可靠、低時延、高移動性等需求設計的無線通信系統。EUHT系統已于2017年6月完成京津城際鐵路高速試驗，測試各項指標較LTE-U系統好，EUHT系統已中標廣州地鐵14號線及知識城支線，其中知識城支線計劃2017年底開通運營。EUHT設備廠家只有廣東新岸線。

三、LTE和EUHT技術特點和優劣點分析

隨著城市軌道交通設計時速不斷提升，以及車地無線通信承載業務的不斷擴充，LTE和EUHT在兼顧高速和大帶寬兩方面的優勢凸顯出來，那么這兩種技術各有哪些特點和優勢呢，本節將著重進行分析。

1、LTE的技術特點分析

LTE基于3GPP系列標準，在電信公網中已得到廣泛應用，在系統應用中關注的空口Uu，基站與核心網接口S1，基站之間的接口X2都是標準化接口，各供應商設備在這些接口上可以互通。依據使用的頻段不同，LTE又可細分為LTE-M（1.8GHz）和LTE-U（5.8GHz），其中LTE-M已在國內城市軌道交通中十幾條線路中得到應用，LTE-U尚未有應用案例。

1）LTE的關鍵技術一：eMBMS

eMBMS關注小區邊緣，全線路保持PIS恒定速率

ü同一線路所有小區在相同時間相同頻率上發送相同內容，鄰區無干擾，覆蓋重疊區有分集增益。

ü15dB SINR即可提供接近最優的速率，可滿足?PIS高清化需求。

ü空口組播，單小區列車數量空口組播容量不受限，方便在單洞雙線等各種覆蓋場景下部署。

2）LTE的關鍵技術二：可靠性

核心設備采用電信級設備，在公網已廣泛使用，支持紅藍雙網雙活全備份，核心網異地容災，RRU支持雙CPRI連接、單CPRI故障迅速倒換等多項技術，可靠性得到驗證。

3）LTE的關鍵技術三：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系統中無CBTC明文傳輸，杜絕被竊聽、篡改的可能。

4）LTE的關鍵技術四：高移動性

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

2、EUHT的技術特點分析

1）核心芯片具有完全知識產權

已經授權或申請國家發明專利52項，其中國際PCT專利36項，覆蓋保護了EUHT核心技術

2）EUHT具有高可靠、低時延、大容量及高速移動適應性的技術優勢

可適應300—500km/h速度下超寬帶數據傳輸，切換成功率：100%?數據丟包率： <4.1‰;平均傳輸時延：5-6ms;平均吞吐率：150Mbps

3）可根據軌道交通需求，定制化無線組網方案，實現更優的網絡性能

EUHT準同頻組網方案

（1）軌旁沿線EBU1，EBU2和EBU3分別使用F1，F2，F1頻率，列車的車頭、車尾各部署一臺EAU（車載終端），EBU和EAU都采用定向天線;

（2）通過設計精良的切換機制，使列車運行在兩個EBU之間時，車頭EAU接入列車運行方向的前方EBU，車尾EAU接入列車運行方向的后方EBU。

（3）達到了地面網絡和車載終端雙重冗余，即單個基站或單個車載終端故障都不造成業務中斷。

綜合比較LTE和EUHT兩種車地無線系統方案來看，LTE在產品成熟度方面具有一定優勢，而EUHT在超高速、大帶寬需求環境下更具有優勢，各地城市軌道交通項目可根據實際情況進行選擇。

四、面向未來的車地無線通信技術展望

目前電信5G設備建設已經全面鋪開，5G技術已經逐步發展成熟，同時6G技術也在研發過程中。城市軌道交通車地無線通信要積極跟進，特別是5G面向萬物互聯的應用場景與車車通信的需求非常契合，一旦相關技術和條件成熟，對于城市軌道交通車地通信技術的發展會是很大的促進。