高速運行的城市軌道交通車地寬帶無線通信系統(tǒng)研究

邵君

（中鐵二院工程集團有限責任公司 四川省成都市 610031）

目前，國內(nèi)城市軌道交通已開通運行的線路的運行速度主要為100km/h 及以下，為縮短旅行時間，城市軌道交通已逐漸向高速化發(fā)展，近期規(guī)劃建設的線路運行速度提高到140km/h、160km/h 及更高，在高速運行下的乘客信息系統(tǒng)車地傳輸比低速狀態(tài)下的車地傳輸通信面臨更多的問題，如多普勒效應和快速切換帶來的影響是高速環(huán)境下不得不解決的兩個重要的難題。

目前軌道交通大都采用802.11 系列WLAN 技術承載乘客信息系統(tǒng)，基于802.11 系列的WLAN 技術由于其技術標準體制的限制，存在切換頻繁、干擾大、移動場景帶寬小等問題。因此，當列車在140km/h（～48m/s）高速運行時，會帶來諸多的挑戰(zhàn)如多普勒頻移、隧道的多徑效應、切換等，分析和探討如何解決這些挑戰(zhàn)是燃眉之急。

1 高速運行的軌道交通車地寬帶無線通信系統(tǒng)需求

1.1 軌道交通車地寬帶無線通信系統(tǒng)需求

高速運行的城市軌道交通的車地無線通信主要包括CBTC（列車控制業(yè)務）、列車緊急文本下發(fā)業(yè)務、列車運行狀態(tài)監(jiān)測、CCTV 列車視頻監(jiān)控業(yè)務、PIS 系統(tǒng)業(yè)務、集群調(diào)度業(yè)務等，還有車廂內(nèi)乘客上網(wǎng)的需求。

PIS 系統(tǒng)車地實時傳輸?shù)膬?nèi)容一般可分為三類：首先是車載PIS 實時播放視頻信息，從地面到列車上，一般帶寬為5～8Mbps，二類，實時視頻監(jiān)視信息，從列車上到地面，每路帶寬為512kbps～4Mbps，此外還包括車輛狀態(tài)信息，帶寬約為0.2Mbps.系統(tǒng)提供的雙向傳輸?shù)挠行拺坏陀?6Mb/s。在應急情況下,指揮中心需要了解更多的現(xiàn)場情況，需將緊急情況下的車載圖像信息全部上傳，將需要更大的傳輸帶寬。

車廂內(nèi)乘客上網(wǎng)，每節(jié)車廂按照旅客100 人同時接入和并發(fā)應用，車廂接入用戶按照50%并發(fā)訪問外網(wǎng)，每個接入用戶有200kbps 外網(wǎng)訪問帶寬，需要的帶寬為40Mbps。

1.2 高速運行帶來多普勒頻移的影響

多普勒頻移示意圖如圖1 所示。

當終端在運動中通信，尤其是在高速情況下，終端和基站都有直視信號，接收端的信號頻率會發(fā)生變化，稱為多普勒效應。多普勒效應所引起的頻移稱為多普勒頻移（Doppler shift），多普勒頻移計算公式為：

其中：

（2）θ 為終端移動方向和信號傳播方向的角度；

表1：不同頻段系統(tǒng)頻率偏移統(tǒng)計表

圖1：多普勒頻移示意圖

（3）v 是終端運動速度，m/s；

（4）C 為電磁波傳播速度，3×108m/s；

（5）f 為載波頻率。

不同頻段系統(tǒng)頻率偏移統(tǒng)計表如表1。

其實，人們用橡皮擦除鉛筆痕跡到現(xiàn)在只有200多年的歷史。鉛筆和橡皮看似一對密不可分的伙伴，但它們卻不是同時被發(fā)明出來的。在橡皮誕生之前，人們一直用面包擦掉鉛筆的痕跡。柔軟的質地加上適當?shù)酿ば裕姑姘w維可以吸附鉛筆的石墨分子，從而達到擦除鉛筆痕跡的效果。不過，用面包擦除筆跡之后會產(chǎn)生很多黏黏的面包渣，很不衛(wèi)生。在糧食匱乏的年代，這樣使用面包無疑也是一種奢侈的行為。

在實際應用中，若無法從根本上解決多普勒頻移帶來的影響，必然對通信效果造成負面影響，主要如下：

（1）多普勒頻偏引起相位偏轉，影響信道估計，降低接入成功率和上下行吞吐率；

（2）小區(qū)內(nèi)不同用戶多普勒頻偏不同會產(chǎn)生用戶間干擾，降低多用戶上行吞吐率；

（3）影響與鄰區(qū)的頻率同步，降低切換成功率。

2 車地寬帶無線通信系統(tǒng)技術分析

2.1 LTE技術

LTE（Long Term Evolution）長期演進，是3GPP 制定的以OFDM/MIMO 為核心技術的下一代無線技術標準，也被通俗的稱為3.9G，被視作從3G 向4G 演進的主流技術。LTE 技術引入了OFDMA、SC-FDMA 等物理層接入技術，支持MIMO 技術，具有高數(shù)據(jù)速率、分組傳送、延遲降低、廣域覆蓋和向下兼容等優(yōu)勢。在20MHz 頻譜帶寬能夠提供下行100Mbps、上行50Mbps 的峰值速率。LTE 技術目前已經(jīng)成為一個成熟的寬帶無線技術，在全球范圍內(nèi)，已得到了廣泛的應用，整個LTE 產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)相對成熟。

從軌交協(xié)“中城軌[2016]第003 號文‘關于推薦城軌交通項目新建CBTC 系統(tǒng)使用1.8G 專用頻段和LTE 綜合無線通信系統(tǒng)的通知’”發(fā)布后，目前城市軌道交通中，考慮到安全性、穩(wěn)定性和可靠性方面的因素，CBTC 系統(tǒng)均采用1.8GHz 專用頻段LTE 技術組建軌道交通信號系統(tǒng)車地無線通信系統(tǒng)。

2.2 LTE_U技術

LTE_U（Long Term Evolution_Unlicensed）長期演進在非授權頻譜上，非授權頻帶LTE。LTE_U 技術希望通過使用更寬的帶寬來提高網(wǎng)絡的通信能力，系統(tǒng)通過將LTE 的技術引入到非授權頻段上，通過增加系統(tǒng)頻譜資源來提高系統(tǒng)的性能和吞吐量。目前LTE_U的非授權頻帶主要包括2.4GHz（2400 MHz ～2483.5MHz），5G 頻段（5150 MHz ～5250 MHz、5725MHz ～5850 MHz）。

LTE-U 技術充分繼承了LTE 的高性能優(yōu)勢，并結合了WLAN技術易部署的特點，因此，系統(tǒng)具備單站覆蓋距離大、系統(tǒng)抗干擾能力強、高速移動性強、用戶容量大、更高的安全性和可靠性的特點。

2.3 EUHT技術

EUHT enhanced ultra-high throughput（新一代高速寬帶無線移動通信系統(tǒng)）具備完全自主知識產(chǎn)權的核心芯片和整套技術應用標準組成，EUHT 技術是面向軌道交通行業(yè)、具有完全自主知識產(chǎn)權的超高速無線通信技術，該技術解決高速移動情況下的大容量數(shù)據(jù)傳輸難題，具有高可靠性、低時延、大容量及高速移動適應性的是技術優(yōu)勢。該技術在物理層采用MIMIO-OFDM 制式，頻率域子載波間隔78.125KHz，系統(tǒng)設計時采用時分雙工，支持靈活的幀長和幀內(nèi)上下行配比，可針對移動場景調(diào)節(jié)幀結構，達到可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆UHT 支持的技術頻段較多，包括600M～800MHz、3.3G～3.8GHz、5.1G～5.9GHz、8G～10GHz，目前已投入使用的軌道交通線路大都采用5.8G 頻段。

2.4 Wireless Fiber技術

Wireless Fiber 技術采用增強802.11 技術，滿足高速運行的軌道交通車地無線的高容量無線連接和QoS 的需求。Wireless Fiber支持4.9～6GHz 頻段，采用OFDM 技術，增強系統(tǒng)抗干擾能力；系統(tǒng)平均速率為350Mbps/80MHz；支持2*2MIMO 及3*3MIMO，切換時延低，能對不同業(yè)務劃分QoS 優(yōu)先級，保證服務質量。

2.5 WLAN技術

無線局域網(wǎng)（WLAN）的代表是由IEEE 802.11 工作組制定的無線通信系統(tǒng)，從1997年第一代802.11 標準發(fā)布至今已有21年的時間，為適應新業(yè)務的應用，不斷發(fā)展，802.11 系列主要發(fā)布有802.11b、802.11a、802.11g、802.11n、802.11ac、802.11ax 物 理層標準。802.11b 工作在2.4GHz 頻段，可支持最高11Mbps 的共享接入速率；802.11a 工作在5GHz 頻段，其理論速率高達54Mbps；802.11g 采用OFDM 技術，與802.11a 一樣可支持最高54Mbps 的速率，同時它工作在2.4GHz 頻段； 802.11n 工作在 2.4 GHz 或5 GHz，采用MIMO（多入多出）與OFDM（正交頻分復用）技術，可與以前的 IEEE 802.11a/b/g 設備通信兼容；802.11ac 工作于5G 頻段，是在802.11n 基礎上發(fā)展而來，它采用并擴展了源自802.11n的空中接口，每個通道的工作頻寬將由802.11n 的最大40MHz，提升到80MHz 甚至是160MHz。8021.11ax 采用MU-MIMO 及正交頻分多址OFDMA、多AP 空分復用等技術，使網(wǎng)絡的傳輸帶寬及速度得到較大的提升，速率提升到600Mbps，最高到9.6Gbps。

2.6 5G技術

5G 是國際電信聯(lián)盟ITU 制定的第五代移動通信標準，相比于4G，5G 致力于在增強移動寬帶eMBB、海量物聯(lián)mMTC、高可靠低時延uRLLC 等領域為用戶提供服務。2017年12月，NSA（Non-Standalone，非獨立組網(wǎng)）標準第一個版本正式凍結，2018年6月，5G SA 標準凍結。2019年工信部正式向中國移動、聯(lián)通、電信和廣電發(fā)放5G 商用牌照。目前，5G 已完成多個城市的正式商用。相比于4G 技術，5G 在峰值速率、用戶體驗速率、頻譜效率、移動性、時延和連接密度等方面都有較大的改進。

2.7 技術分析比較

從高速運行的城市軌道交通車地寬帶無線通信系統(tǒng)的業(yè)務及帶寬需求、業(yè)務特征及無線通信的演進趨勢各方面進行綜合分析可得出：

（1）LTE 技術能滿足無線通信系統(tǒng)安全、可靠的要求，系統(tǒng)設備的產(chǎn)業(yè)鏈較豐富，但是LTE 技術的專用頻段只有20MHz，首先需滿足信號系統(tǒng)的使用，部分城市無委會批復給軌道交通的使用的頻率只有10MHz 甚至5MHz，僅能滿足信號系統(tǒng)的使用需求；

（2）LTE_U 技術是LTE 技術在非授權頻段上的使用，可解決目前專用頻譜資源匱乏的問題，但是其產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展還需加強，支持該技術的廠商較少；

（3）EUHT 是我國全自主開發(fā)的無線通信技術，系統(tǒng)具有EUHT 采用較大的子載波間隔（78KHz），可以容忍更大的多普勒頻偏，但是存在技術的獨有性；

（4）WLAN 技術移動性差、覆蓋半徑小；

（5）Wireless Fiber 支持高速移動，系統(tǒng)傳輸帶寬也較寬，但是技術具有私有性；

（6）5G 技術支持高速移動，系統(tǒng)傳輸帶寬高，但是目前軌道交通中無專用頻段，5G 如何與軌道交通業(yè)務深度結合需要進一步探究及探討。

3 高速運行的車地寬帶無線通信系統(tǒng)建設建議

高速運行的的城市城市軌道交通車地寬帶無線通信系統(tǒng)主要解決高速移動和大容量傳輸需求的問題，結合前面的分析，綜合考慮車地寬帶無線通信系統(tǒng)在傳輸帶寬、移動性、安全性、可靠性及可實施性方面的要求。特別是在高速移動的線路，列車運行速度快，應充分考慮多普勒頻移的影響。從前面分析看，LTE、LTE_U、EUHT、Wireless Fiber、5G 技術均可滿足其高速移動切換。從工程實施的角度看，應從各線路的頻率規(guī)劃來選擇適合于各線的軌道交通車地無線方案；從技術的發(fā)展趨勢看，5G、Wi-Fi6 作為技術的發(fā)展方向，可為軌道交通車地寬帶通信系統(tǒng)提供可靠的保證。系統(tǒng)能提供大容量的帶寬，可為智慧軌道交通建設提供基礎的傳輸通道，為后續(xù)的智慧化提供基礎。

4 結束語

隨著城市軌道交通向高速化發(fā)展，車地間的無線通信業(yè)務逐漸加大，本文從乘客信息系統(tǒng)的車地無線寬帶業(yè)務的需求出發(fā)，分析了目前適合于高速運行的城市軌道交通的幾種寬帶無線接入技術，為高速運行的城市軌道交通線路的車地無線通信系統(tǒng)選擇提出了建議方案。