轨道交通车地无线通信系统应用需求及主要技术类型分析

范 鑫

(大连地铁运营有限公司，辽宁 大连 116000)

0 引言

本文以轨道交通车地无线通信系统的应用场景及需求演进作为切入点，分析讨论了目前各种应用在轨道交通车地无线通信的技术及相关特点，阐述了一个更低时延、更大带宽、更大连接密度的车地无线系统对轨道交通智慧化转型的重要意义。

1 轨道交通车地无线系统技术介绍

随着无线通信技术的高速发展，轨道交通车地无线技术也在进行着不断的演进，从早期的基于DVB-T和DTMB技术的数字电视技术到基于WLAN802.11n、LTE技术，再到最近主流的基于WLAN802.11ac、EUHT技术，甚至时下刚刚兴起WiFi6和5G技术，这些技术都极大地促进了轨道交通车地无线技术的发展和应用，同时也推动了轨道交通运营管理和服务水平，下文将介绍当前轨道交通中常见的车地无线技术类型并简单分析其主要特点。

1.1 WLAN与WiFi技术

WLAN技术是无线高速数据通信两大主流技术之一，主要是通过无线通信技术将各种计算机终端进行互联，以实现部署设备之间的相互通信和资源共享，替代传统通过通信电缆进行有线连接的方式；WiFi是一个基于IEEE 802.11标准的无线局域网技术，同时也是一个无线网络通信技术的品牌，由WiFi联盟所持有[1]。

在我国轨道交通采用WLAN技术的车地无线系统中，早期开通的线路主要采用802.11a 或802.11g，近期线路主要采用802.11n或802.11ac，同时在2022年初全国首个采用802.11ax技术的车地无线系统大连地铁13号线正式落地。WLAN技术主要优势有：因其工作在2.4 GHz/5.1 GHz/ 5.8 GHz频段，该频段属于IMS频段即公共频段，无需单独申请；具有完备的产业基础，设备采购较为方便，相对成本较低；有强大的技术联盟及众多研发企业做支持，接口标准统一。存在的主要问题是：工作在公共频段，容易受到民用或其他无线设备干扰；同时在802.11ac之前的系统很难克服列车快速移动带来的频移、衰落等问题。

1.2 LTE技术

LTE是由3GPP组织制定的UMTS技术标准的长期演进，见图1。系统采用正交频分复用和多入多出等技术，在20M带宽下，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等多种带宽分配。3GPP标准关于LTE系统同时定义了频分双工和时分双工两种方式，其中TDD-LTE的研究和开发主要从中国发起，我国拥有核心自主产权，在我国已大范围商用，具有较为成熟的产业链，而FDD-LTE是欧洲标准。此外还有LTE-U和LTE-M等技术，其中LTE-U主要是利用聚合载波技术将LTE部署到非授权频谱上，并采用标准LTE空口协议完成通信；而LTE-M则主要是基于TDD-LTE技术[2]。

目前国内已有多条线路的CBTC系统使用的LTE技术。LTE系统的主要优势：具有高带宽、高移动性、长区间覆盖、高扩展性等特点，运行在电信运营级的架构及设备，可解决既有无线系统存在的不稳定、移动性差等问题；同时工信部2015年65号文《工业和信息化部关于重新发布1 785～1 805 MHz频段无线接入系统频率使用事宜的通知》建议1 785～1 805 MHz频段可用于城市轨道交通行业无线系统接入，具有政策支持。存在的主要问题是：受频率资源限制，各地区可申请的资源有限，能批复使用的频宽往往不到20 M[3]。

1.3 EUHT技术

EUHT技术这是一种适合高速移动特性，并提供更大数据传输带宽的技术。它是由新岸线公司主导研发设计的一项全新的无线通信技术和标准，满足国际电信联盟提出的第五代移动通信技术的全部技术要求，技术设计上具有简洁、灵活、高效的特点；技术性能上具有高可靠、低时延、大容量和高速移动适应性等优势。目前在北京、广州等地已经有多条线路应用此技术[4]。

图1 LTE技术的演进

目前EUHT可查的技术资料比较少，但从新岸线官方网站上公布的对比WiFi，4G-LTE，ITU-5G要求的技术参数分析，其主要优势为可靠性更强、数据传输速率更快、端到端时延更低，尤其是对于载体的移动速率支持性更强；主要问题是目前只有一家研发企业拥有此技术，产品来源单一。

2 车地无线系统的技术要求

随着智慧地铁建设在轨道交通中的展开，列车内越来越多的数据需要与地面进行交互，这就意味着车地无线系统在封闭隧道内或者开放的高架区间内，地铁列车在高速运行过程中，必须具备与地面具有稳定、高效的双向数据传输能力，并且也同时需具有安全性、可靠性和高带宽性。

2.1 安全性要求

车地无线系统的安全需求主要指的是车载数据与地面数据交互的安全性。随着互联网规模扩大、电脑及网络技术的普及，承载业务的应用系统及数据存在被攻击和篡改的风险，尤其是涉及面向公共服务的数据。近些年来各种网络安全事件也时有发生，这些都造成了巨大的经济损失和社会影响。所以网络安全是轨道交通车地无线系统的重要需求，应在设计方案时针对系统硬件、软件和组网等环节上进行充分考虑[5]。

2.2 可靠性要求

可靠性是指系统设备在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。车地无线通信系统可靠性需求除包括传统系统设备的随机故障率外，还包括传输数据的稳定性和无线网络的抗干扰性。由于轨道交通行业的特点，车载无线设备需要与轨旁无线设备进行双向不间断通信，因此列车在快速移动的过程中要求系统设备漫游切换的时间要非常短，系统丢包率就成为衡量系统可靠性的重要指标之一；同时由于轨行区内电磁环境复杂，需要系统设备具备极高的抗干扰性，曾经有城市就发生过地铁列车因受无线干扰而逼停列车的情况[6]。

2.3 带宽要求

随着城市轨道交通服务智能化、运营自动化的发展，车载高清多媒体内容在线下发、车载电视监视视频及列车监控管理系统日志数据自动回传等新需求应运而生，尤其是直播视频流和高清视频文件对无线传输的带宽和实时性要求不断加大。相信在未来，轨道交通车地无线通信业务对带宽的需求将越来越大。

3 车地无线通信系统在轨道交通中的实际应用

在轨道交通中，车地无线通信网络主要功能是为地面与列车之间搭建起高效、稳定及动态的网络传输通道。随着轨道交通行业的高速发展，轨道交通列车从单纯的列车运输功能逐步向智慧地铁方向的演进，使车地无线通信功能的需求也越来越大，应用场景也越来越多。目前根据应用场景的不同，车地无线通信系统的功能主要可以分为行车安全类、运维管理类、运营指挥类、公共服务类等。不同的应用类型，与之对应的是不同的车地无线通信业务系统和技术类型，主要分为如下几种。

3.1 基于通信的列车自动控制系统

1999年9月，IEEE将CBTC定义为：“利用高精度的列车定位双向连续、大容量的车地数据通信，车载、地面安全功能处理器实现的一种连续自动列车控制系统”。其主要特点是实现列车和地面设备双向通信，相较于传统基于轨道电路的固定闭塞系统，CBTC系统具有传输信息量大、速度快、同时减少区间敷设电缆数量的优势。在轨道交通中此系统属于信号系统，其主要使用的技术为WLAN或LTE[6]。

3.2 专用无线集群系统

轨道交通专用无线集群系统为轨道交通内部固定用户和移动用户之间以及移动用户之间的语音和数据信息交换提供可靠的通信手段，同时系统具有呼叫、广播、录音、显示、检测和优先权等必要功能。当前，我国专用无线集群主要采用800M TETRA数字集群系统以及基于LTE网络的B-Trunc系统。

3.3 乘客信息系统

轨道交通乘客信息系统是依托多媒体网络技术，以计算机系统为核心，以车站和车载显示终端为媒介向乘客提供信息服务的系统，实现列车紧急文本发送、PIS流媒体传输播放功能，同时还为车载电视监视系统及列车监控管理系统提供列车视频图像和列车告警信息的回传功能。轨道交通乘客信息系统主要使用的技术为WLAN，LTE，EUHT等[7]。

4 结语

近些年来，传输系统的带宽随着高清视频业务的发展而不断加大，同时传统的TDM业务如专用无线及公专电话系统技术逐步向网络化转型，也使轨道交通传输网络更加IP化，业务宽带化。虽然需求能够不断促进的技术的发展，但技术有时候也在倒逼需求的改变。不可否认，在未来的一定时间内，以太网业务与TDM业务仍然会共同存在，但日益增长的TP业务需求与逐渐萎缩的TDM业务之间的平衡矛盾也在加剧。所以未来在TDM业务承载得到满足的条件下，应重点考虑传输系统的安全性、可靠性及质量性，同时也应积极探索改进轨道交通通信传输网络用IP分组交换替代TDM电路交换的内核。