軌道交通車地無線通信系統應用需求及主要技術類型分析

范 鑫

(大連地鐵運營有限公司，遼寧 大連 116000)

0 引言

本文以軌道交通車地無線通信系統的應用場景及需求演進作為切入點，分析討論了目前各種應用在軌道交通車地無線通信的技術及相關特點，闡述了一個更低時延、更大帶寬、更大連接密度的車地無線系統對軌道交通智慧化轉型的重要意義。

1 軌道交通車地無線系統技術介紹

隨著無線通信技術的高速發展，軌道交通車地無線技術也在進行著不斷的演進，從早期的基于DVB-T和DTMB技術的數字電視技術到基于WLAN802.11n、LTE技術，再到最近主流的基于WLAN802.11ac、EUHT技術，甚至時下剛剛興起WiFi6和5G技術，這些技術都極大地促進了軌道交通車地無線技術的發展和應用，同時也推動了軌道交通運營管理和服務水平，下文將介紹當前軌道交通中常見的車地無線技術類型并簡單分析其主要特點。

1.1 WLAN與WiFi技術

WLAN技術是無線高速數據通信兩大主流技術之一，主要是通過無線通信技術將各種計算機終端進行互聯，以實現部署設備之間的相互通信和資源共享，替代傳統通過通信電纜進行有線連接的方式；WiFi是一個基于IEEE 802.11標準的無線局域網技術，同時也是一個無線網絡通信技術的品牌，由WiFi聯盟所持有[1]。

在我國軌道交通采用WLAN技術的車地無線系統中，早期開通的線路主要采用802.11a 或802.11g，近期線路主要采用802.11n或802.11ac，同時在2022年初全國首個采用802.11ax技術的車地無線系統大連地鐵13號線正式落地。WLAN技術主要優勢有：因其工作在2.4 GHz/5.1 GHz/ 5.8 GHz頻段，該頻段屬于IMS頻段即公共頻段，無需單獨申請；具有完備的產業基礎，設備采購較為方便，相對成本較低；有強大的技術聯盟及眾多研發企業做支持，接口標準統一。存在的主要問題是：工作在公共頻段，容易受到民用或其他無線設備干擾；同時在802.11ac之前的系統很難克服列車快速移動帶來的頻移、衰落等問題。

1.2 LTE技術

LTE是由3GPP組織制定的UMTS技術標準的長期演進，見圖1。系統采用正交頻分復用和多入多出等技術，在20M帶寬下，能提供下行100 Mbps，上行50 Mbps的峰值速率，支持1.4 MHz，3 MHz，5 MHz，10 MHz，15 MHz和20 MHz等多種帶寬分配。3GPP標準關于LTE系統同時定義了頻分雙工和時分雙工兩種方式，其中TDD-LTE的研究和開發主要從中國發起，我國擁有核心自主產權，在我國已大范圍商用，具有較為成熟的產業鏈，而FDD-LTE是歐洲標準。此外還有LTE-U和LTE-M等技術，其中LTE-U主要是利用聚合載波技術將LTE部署到非授權頻譜上，并采用標準LTE空口協議完成通信；而LTE-M則主要是基于TDD-LTE技術[2]。

目前國內已有多條線路的CBTC系統使用的LTE技術。LTE系統的主要優勢：具有高帶寬、高移動性、長區間覆蓋、高擴展性等特點，運行在電信運營級的架構及設備，可解決既有無線系統存在的不穩定、移動性差等問題；同時工信部2015年65號文《工業和信息化部關于重新發布1 785～1 805 MHz頻段無線接入系統頻率使用事宜的通知》建議1 785～1 805 MHz頻段可用于城市軌道交通行業無線系統接入，具有政策支持。存在的主要問題是：受頻率資源限制，各地區可申請的資源有限，能批復使用的頻寬往往不到20 M[3]。

1.3 EUHT技術

EUHT技術這是一種適合高速移動特性，并提供更大數據傳輸帶寬的技術。它是由新岸線公司主導研發設計的一項全新的無線通信技術和標準，滿足國際電信聯盟提出的第五代移動通信技術的全部技術要求，技術設計上具有簡潔、靈活、高效的特點；技術性能上具有高可靠、低時延、大容量和高速移動適應性等優勢。目前在北京、廣州等地已經有多條線路應用此技術[4]。

圖1 LTE技術的演進

目前EUHT可查的技術資料比較少，但從新岸線官方網站上公布的對比WiFi，4G-LTE，ITU-5G要求的技術參數分析，其主要優勢為可靠性更強、數據傳輸速率更快、端到端時延更低，尤其是對于載體的移動速率支持性更強；主要問題是目前只有一家研發企業擁有此技術，產品來源單一。

2 車地無線系統的技術要求

隨著智慧地鐵建設在軌道交通中的展開，列車內越來越多的數據需要與地面進行交互，這就意味著車地無線系統在封閉隧道內或者開放的高架區間內，地鐵列車在高速運行過程中，必須具備與地面具有穩定、高效的雙向數據傳輸能力，并且也同時需具有安全性、可靠性和高帶寬性。

2.1 安全性要求

車地無線系統的安全需求主要指的是車載數據與地面數據交互的安全性。隨著互聯網規模擴大、電腦及網絡技術的普及，承載業務的應用系統及數據存在被攻擊和篡改的風險，尤其是涉及面向公共服務的數據。近些年來各種網絡安全事件也時有發生，這些都造成了巨大的經濟損失和社會影響。所以網絡安全是軌道交通車地無線系統的重要需求，應在設計方案時針對系統硬件、軟件和組網等環節上進行充分考慮[5]。

2.2 可靠性要求

可靠性是指系統設備在規定的條件下和規定的時間內，完成規定功能的能力。車地無線通信系統可靠性需求除包括傳統系統設備的隨機故障率外，還包括傳輸數據的穩定性和無線網絡的抗干擾性。由于軌道交通行業的特點，車載無線設備需要與軌旁無線設備進行雙向不間斷通信，因此列車在快速移動的過程中要求系統設備漫游切換的時間要非常短，系統丟包率就成為衡量系統可靠性的重要指標之一；同時由于軌行區內電磁環境復雜，需要系統設備具備極高的抗干擾性，曾經有城市就發生過地鐵列車因受無線干擾而逼停列車的情況[6]。

2.3 帶寬要求

隨著城市軌道交通服務智能化、運營自動化的發展，車載高清多媒體內容在線下發、車載電視監視視頻及列車監控管理系統日志數據自動回傳等新需求應運而生，尤其是直播視頻流和高清視頻文件對無線傳輸的帶寬和實時性要求不斷加大。相信在未來，軌道交通車地無線通信業務對帶寬的需求將越來越大。

3 車地無線通信系統在軌道交通中的實際應用

在軌道交通中，車地無線通信網絡主要功能是為地面與列車之間搭建起高效、穩定及動態的網絡傳輸通道。隨著軌道交通行業的高速發展，軌道交通列車從單純的列車運輸功能逐步向智慧地鐵方向的演進，使車地無線通信功能的需求也越來越大，應用場景也越來越多。目前根據應用場景的不同，車地無線通信系統的功能主要可以分為行車安全類、運維管理類、運營指揮類、公共服務類等。不同的應用類型，與之對應的是不同的車地無線通信業務系統和技術類型，主要分為如下幾種。

3.1 基于通信的列車自動控制系統

1999年9月，IEEE將CBTC定義為：“利用高精度的列車定位雙向連續、大容量的車地數據通信，車載、地面安全功能處理器實現的一種連續自動列車控制系統”。其主要特點是實現列車和地面設備雙向通信，相較于傳統基于軌道電路的固定閉塞系統，CBTC系統具有傳輸信息量大、速度快、同時減少區間敷設電纜數量的優勢。在軌道交通中此系統屬于信號系統，其主要使用的技術為WLAN或LTE[6]。

3.2 專用無線集群系統

軌道交通專用無線集群系統為軌道交通內部固定用戶和移動用戶之間以及移動用戶之間的語音和數據信息交換提供可靠的通信手段，同時系統具有呼叫、廣播、錄音、顯示、檢測和優先權等必要功能。當前，我國專用無線集群主要采用800M TETRA數字集群系統以及基于LTE網絡的B-Trunc系統。

3.3 乘客信息系統

軌道交通乘客信息系統是依托多媒體網絡技術，以計算機系統為核心，以車站和車載顯示終端為媒介向乘客提供信息服務的系統，實現列車緊急文本發送、PIS流媒體傳輸播放功能，同時還為車載電視監視系統及列車監控管理系統提供列車視頻圖像和列車告警信息的回傳功能。軌道交通乘客信息系統主要使用的技術為WLAN，LTE，EUHT等[7]。

4 結語

近些年來，傳輸系統的帶寬隨著高清視頻業務的發展而不斷加大，同時傳統的TDM業務如專用無線及公專電話系統技術逐步向網絡化轉型，也使軌道交通傳輸網絡更加IP化，業務寬帶化。雖然需求能夠不斷促進的技術的發展，但技術有時候也在倒逼需求的改變。不可否認，在未來的一定時間內，以太網業務與TDM業務仍然會共同存在，但日益增長的TP業務需求與逐漸萎縮的TDM業務之間的平衡矛盾也在加劇。所以未來在TDM業務承載得到滿足的條件下，應重點考慮傳輸系統的安全性、可靠性及質量性，同時也應積極探索改進軌道交通通信傳輸網絡用IP分組交換替代TDM電路交換的內核。