地鐵無線傳輸系統的構想

陳志杰

摘要

隨著國民經濟的發展，城市軌道交通建設如火如荼，保障和提升地鐵運營服務的無線通信需求也急劇增加，不同無線技術的特點及有限的頻率資源難以滿足獨立承擔起眾多的業務需求。本文分析了地鐵無線通信系統的現狀，對綜合利用現有的無線通信技術（系統）及頻率資源滿足應用業務需求進行了探索。

【關鍵詞】地鐵 無線通信 現狀 構想

隨著國民經濟的發展以及信息化程度的快速提高，推動了人們工作生活節奏的迅速加快，交通出行的便捷需求問題日益突顯。地鐵以其運輸量大、速度快、節約土地等優點成為各大中城市解決市民交通出行需求的首先方案，近年來地鐵建設如火如荼。作為保障地鐵運營指揮、安全防護、安全治理、旅客服務的通信系統在地鐵的應用方案也得到不斷完善與提高。通信系統中無線通信的應用由最初的專用調度指揮職能得到不斷延伸，在這過程中，無線系統的資源綜合運用還存在一定的局限性。要充分發揮無線資源的利用效率，在無線傳輸技術發展的同時，需要沖破傳統無線應用系統商業巨頭們對傳統專用系統的維護，同時通過運用需求推動新運用模式系統設備的實現。

1地鐵通信系統的現狀

目前地鐵通信系統主要應用于地鐵運營指揮、安全防護、安全治理等方面，屬于地鐵運營的神經系統。通信系統主要由公安通信系統、公用通信系統、專用通信系統等三部分組成，而專用的通信系統又分為公務電話、無線通信、閉路電視監控及乘客信息、廣播等子系統。專用通信系統作為地鐵列車調度及維修調度的通信保障，主要是通過無線傳輸及識別定位、移動通信來實現。

在有線通信系統中，經過二十多年的演變發展，傳輸功能己基本獨立于各應用子系統，成為一個提供傳輸通道的公共服務平臺，這個傳輸平臺的服務功能隨著各個應用系統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：以太網口、2M、64K、RS232、RS488（RS485）等。傳輸系統自身的診斷、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。新應用需求的加入，對傳輸系統來說，基本只是系統容量與接口配置的調整。

地鐵無線通信經歷過模擬對講、模擬集群的技術體制時代，由于技術上的局限性，信號的穩定性和抗干擾能力較差，信號傳輸質量不高，系統功能較單一，在很大程度上制約著地鐵運輸的安全性、可靠性以及運輸指揮效率的提高。90年代數字集群出世，TETRA系統以其高效、穩定的特點被我國采納，作為數字集群移動通信的標準體制。之后在新建地鐵線路中也迅速被廣泛應用。十多年來TETRA系統的成功運用，為地鐵的高效、安全運營起到了很好的保障作用。

2地鐵無線應用需求

隨著地鐵建設規模和運營成熟度的不斷提高，地鐵公司己經有多年使用無線系統應對業務應用的經驗。地鐵建設方對地鐵運營的控制方式、指揮模式、調度指揮的高效直觀、地鐵運營過程中實時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用需求不斷浮出水面。除傳統的專用列車調度指揮應用外，還有CBTC車地通信、車載視頻監控信息傳送、遠程維護、列車運行狀況實時傳送、旅客列車廣播以及旅客上網等應用需求。而這些應用中與信號和設備控制調度有關的關鍵應用是CBTC-“基于無線通信的列車自動控制系統”：這樣的應用，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（至少達到99.99%）、耐用性、可靠性（200字節包長度的分組錯誤率通常為3～10）和全程良好的通信連續性（移動終端從一個固定無線基地切換到下一個基站的時間要求）。非關鍵應用：它們與乘客信息、遠程維護、車載視頻監控、用于跟蹤或站臺監視的閉路電視、網絡接入等有關。這些非關鍵應用總體上需要更高帶寬（車對地、地對車雙向都須達到數十兆位/秒的級別），但健壯性約束較低（1M字節的包長度分組錯誤率大約為2?10），同時不同應用需求，信息的收發對稱性需求也不一樣。

行駛中的列車作為一個移動體（包括維修作業人員），無線傳輸成為解決這些應用需求的一個關鍵技術。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用無線技術方案的關鍵。

3地鐵無線通信技術的應用

地鐵絕大部分為閉合空間的特點，決定了無論是關鍵應用還是非關鍵應用，運營商為公眾提供服務的無線網絡在地鐵領域幾無可用。目前在我國地鐵移動通信中同時應用的無線通信技術、標準有模擬對講、TETRA、WLAN、LTE以及特殊場合應用的波導技術（僅用于CBTC）、射頻標簽等。模擬對講主要是作為地鐵移動通信中的應急補充部分依然存在，基本不作為應用系統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域最新出現的技術，也是目前業內關注的熱點；TETRA在軌道交通專用無線通信領域應用非常成熟、普遍，但在國產化、互聯互通方面仍是大家關注的熱點；WLAN在軌道交通領域的應用也非常成熟、廣泛，目前仍在積極拓展新應用的接入服務，完善應用效果。這三種不同標準存在各自的優勢與缺陷，使得各地鐵公司在工程前期設備選型中需要糾結一番。

對己有多條線路開通運行的地鐵公司，己經建設了成規模的網絡，也培養出完善的自主維修人員隊伍，在設備選型時主要從運營安全、系統成熟度、售后服務、開通業績、維修成本等角度綜合出發，要考慮網絡互聯互通及備件的互通性、維修的延續性。對于新建地鐵的城市，在系統技術成熟的前提下可更多地從系統的業務可擴展性考慮。

LTE：“帶寬”是最大優勢，目前LTE均應用在PIS系統中，有些地鐵還同時承載了調度系統或列控系統。也有將多媒體視頻調度業務、列車視頻監控系統、列車告警系統上傳、門禁系統、BAS系統、FAS系統等很多數據都試圖在同一張LTE網上承載，實現規?；?、低成本建設。

TETRA：完善、穩定是最大優勢，窄帶的缺點也比較明顯。長期以來主要用于承擔地鐵運行過程中的列車調度、信號傳輸等要害信息傳輸任務，是地鐵專用通信系統的重要組成部分。在各個地鐵的實際應用中，TETRA在各方面的功能比較完善、穩定，深受業主好評。在國內己開通線路的專用無線調度通信系統基本都是采用TETRA，—部分新建招標的線路也仍然會繼續采用TETRA。其國產化率底的情況近兩年來情況發生了一些變化，不同廠家之間產品之間的互聯互通也在推進中。目前軌道交通智能化要求越來越高，所需要實現的空口業務越來越多，靠一張TETRA網，帶寬顯得很不足，難以滿足軌道交通后續發展需求。endprint

WLAN：“寬帶”是最大優勢，抗干擾性弱是致命缺陷。WLAN是目前軌道交通應用的主要無線通信技術之一，目前技術已經相當成熟，廣泛應用于車地通信、PIS、CBTC、地鐵商業WIFI等各個業務系統，在各個地鐵線路上應用普遍。但是受限于技術本身的一些先天性缺陷，會存在相互干擾的問題影響關鍵應用的系統安全；WLAN應用于PIS等系統時，會存在在高速移動時視頻切換時間比較長、卡片等現象。

從系統的應用效果和技術特點來看，地鐵無線應用從TETRA走向LTE成為方向，但是如果要采用LTE，就面臨頻點申請的問題。雖然國家己經指定1785?1805Mhz頻段可用于城市軌道交通行業專用無線通信，但此頻段并非軌道交通專用頻段，電力、石油等行業專用無線通信網和公眾無線通信網同樣可以使用。另外地鐵移動通信應用需求的爆發式增長，比如為了達到地鐵線路自動化改造項目（無人駕駛地鐵）中必要的安全級別，對車廂內、軌道旁和站臺上所發生的危險活動和不正常事件進行監測和評估，需要安裝車載、路旁、站臺實時視頻監控系統；增強乘客舒適感和旅行體驗的非關鍵應用——比如車上網絡連接（在將來的幾年間，乘客或許將不能接受無網絡連接的情況），以及視頻點播或者其他的娛樂設施，可能會成為吸引顧客的必需品；同時，這也會提高運輸公司的品牌形象。20M的帶寬就是全部能夠得到使用，很快也會難以滿足應用業務的需求。

另外技術淘汰（特別是在通信技術領域）很快就會到來，而且常常與列車系統的生命周期不匹配。比如鐵路GSM-R系統目前還在部署過程中，該產品生命進入末期己經成為基礎設施運營公司的重大憂慮。4G技術是否很快被跨越成為需要全程全網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，同時適應未來無線技術發展演變，滿足日益增長的業務需求就成為必然。

4地鐵無線傳輸系統的構想

鑒于無線資源的稀缺和各種技術的不同特點，綜合利用不同技術，發揮各自優勢，提高頻率資源的利用效率是我們需要重點研究的問題。目前在國內有些地方釆用LTE承載CBTC業務及部分寬帶業務，TETRA承載窄帶語音調度業務，WLAN承載PIDS、WIFI等資源經營業務。這種安排己充分利用現有的可用資源，很大程度上發揮了各自的優勢，但是這些資源與承載業務的分配按照固定模式分配，新業務需求出現時，根據業務的關鍵程度，需要進行承載通道調整時的可操作性不強。

如果按照有線傳輸的模式來思考，結合無線技術的特點，將無線傳輸獨立于各個應用系統，將不同技術的可用系統進行捆綁聚合，形成能滿足不同無線傳輸需求、基本獨立于各應用子系統的無線傳輸通道公共服務平臺，這個傳輸平臺的服務功能隨著各個應用系統的加入可以不斷完善，提供不同應用系統所需求的傳輸接口，并可根據應用需求傳輸信息的特點靈活配置通道的類型和優先等級，使得有限的頻率資源和基礎設施資源通過動態分配，實現資源的最大利用，同時平臺也要考慮類似于5G技術到來時的捆綁聚合。接口協議進行統一規范，最大限度地便捷應用業務對傳輸通道的申請與釋放。

按照這種構想搭建，可以以TETRA和LTE核心網為基礎，把WLAN作為無線傳輸通道的輔助接入，最大限度地利用TETRA成熟的語音調度通信功能，同時利用WLAN的接入來緩解LTE頻率資源方面的緊缺，最大限度地滿足應用業務對無線傳輸通道的需求。在設備上開發一套實現多種無線技術（系統）聚合的車載數據（含話音）接口平臺，在接口配置上充分研究不同業務的特點，以滿足應用業務的需求。平臺具有良好的用戶界面以方便可靠地實現用戶對傳輸通道的配置，并可根據業務信息的優先等級自動進行傳輸通道的調配。平臺具有良好的自我愈合和自診斷能力。該聚合平臺的建立，在既有線路上可以發揮原有TETRA的作用，在新建線路中也可考慮不同無線系統的統一規劃，根據無線頻率的批準情況、應用業務的需求情況進行分期建設。

參考文獻

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