軌道交通車地?zé)o線通信技術(shù)研討

甘玉璽肖健華金志虎楊寶國(guó)何玉軍吳少勇楊 瑾康仙慧

（1.中興通訊股份有限公司，518057，深圳；2.深圳市芽莊電子有限公司，518104，深圳∥第一作者，高級(jí)工程師）

軌道交通車地?zé)o線通信技術(shù)研討

甘玉璽1肖健華1金志虎2楊寶國(guó)1何玉軍1吳少勇1楊 瑾1康仙慧1

（1.中興通訊股份有限公司，518057，深圳；2.深圳市芽莊電子有限公司，518104，深圳∥第一作者，高級(jí)工程師）

對(duì)WLAN（無(wú)線局域網(wǎng)）、GoTa、LTE和LTEGoTa等四種無(wú)線通信技術(shù)在城市軌道交通車地?zé)o線通信中的應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行了分析比較，認(rèn)為L(zhǎng)TE-GoTa具有電信級(jí)可靠性、高帶寬和強(qiáng)抗干擾能力，無(wú)線頻點(diǎn)獨(dú)占、運(yùn)營(yíng)級(jí)的技術(shù)，提供無(wú)線集群功能，以及下行40 Mbit/s，上行100 Mbit/s等傳輸速率的無(wú)線寬帶，可能是未來(lái)10年最佳的車地?zé)o線通信技術(shù)。

城市軌道交通；車地?zé)o線通信；無(wú)線局域網(wǎng)；LTE-GoTa

First-author's address ZTE，518057，Shenzhen，China

2012年11月期間，某地鐵公司多趟列車因信號(hào)系統(tǒng)自動(dòng)防護(hù)功能作用而產(chǎn)生緊急制動(dòng)，列車再次起動(dòng)后只能維持低速運(yùn)行。為避免對(duì)后續(xù)正常列車運(yùn)行造成影響，運(yùn)營(yíng)控制中心將部分列車退出服務(wù)。初步判斷造成此事件的原因是控制列車運(yùn)行的信號(hào)系統(tǒng)受到來(lái)自外界不明因素的干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生安全保護(hù)。

目前城市軌道交通基本上采用無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)承載基于通信的列車控制（CBTC）和乘客信息系統(tǒng)（PIS）。信號(hào)系統(tǒng)是關(guān)系行車安全和提高運(yùn)行效率的系統(tǒng)，PIS影響乘車環(huán)境的舒適度。CBTC信號(hào)系統(tǒng)和PIS采用何種車地通信方式和措施來(lái)避免干擾，以保證車地通信的可靠性、安全性、實(shí)時(shí)性、抗干擾、高帶寬和電信級(jí)的運(yùn)營(yíng)等，是城市軌道交通建設(shè)必須研究的重要問(wèn)題。

目前車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)的帶寬需求為：CBTC信號(hào)系統(tǒng)帶寬需求為110 kbit/s，PIS的下行帶寬需求為10 Mbit/s級(jí)別，針對(duì)車載監(jiān)控業(yè)務(wù)的上行帶寬需求為5.25～8 Mbit/s。

1 WLAN

IEEE 802.11又稱為無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，偵測(cè)碰撞十分不容易，因?yàn)槭抢肅SMA/ CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）存取模式來(lái)傳輸。

在CSMA/CA的載波感應(yīng)模式中，發(fā)送端會(huì)先偵測(cè)環(huán)境，假如頻道中沒有其他信號(hào)傳送時(shí)，發(fā)送端會(huì)先等待一段隨機(jī)時(shí)間，之后如果還沒有偵測(cè)到任何信號(hào)傳送，發(fā)送端就會(huì)將封包傳送出去。如果一開始就偵測(cè)到已經(jīng)有信號(hào)使用了這個(gè)頻道，發(fā)送端就等頻道凈空，再等待一個(gè)隨機(jī)的后退時(shí)間，然后重新進(jìn)入頻道競(jìng)爭(zhēng)模式，此時(shí)遍歷過(guò)后退的發(fā)送端在該模式下會(huì)自動(dòng)提高其使用頻道的優(yōu)先權(quán)。該架構(gòu)可避免有些發(fā)送端一直無(wú)法取得頻道的使用權(quán)而無(wú)法傳送數(shù)據(jù)。

WLAN定位在網(wǎng)絡(luò)的接入層。1997年，IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)定義了單一的MAC層和多樣的物理層，先后推出IEEE 802.11a/b/g/n標(biāo)準(zhǔn)。目前，在城市軌道交通試驗(yàn)性應(yīng)用或做過(guò)測(cè)試的基本上是基于IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)。表1為IEEE 802.11a/b/g/n標(biāo)準(zhǔn)的比較。由表1可知，2.4 GHz比5 GHz更低的頻率意味著更大的覆蓋范圍；802.11g比802.11a的覆蓋范圍更大，理論上覆蓋范圍可增大50%。此外，2.4 GHz的穿透性更好：在室內(nèi)，2.4 GHz產(chǎn)品對(duì)墻的穿透性優(yōu)于5 GHz。本文僅介紹在城市軌道交通中常用的WLAN技術(shù)。

表1 WLAN幾種標(biāo)準(zhǔn)比較

1.1 IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)

IEEE 802.11b可以支持最高11 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，繼承了802.11的無(wú)線信號(hào)頻率標(biāo)準(zhǔn)，采用2.4 GHz直接序列擴(kuò)頻。

802.11 b的工作頻段為2 400～2 483.5 MHz，工作頻率帶寬為83.5 MHz，劃分為14個(gè)子頻道。每個(gè)子頻道帶寬為22 MHz。子頻道分配如圖1所示。

圖1 IEEE 802.11b子頻道分配圖

在多個(gè)頻道同時(shí)工作的情況下，為保證頻道之間不相互干擾，要求兩個(gè)頻道的中心頻率間隔不能低于25 MHz。因而，在一個(gè)蜂窩區(qū)，內(nèi)直序擴(kuò)頻技術(shù)最多可提供3個(gè)不重疊的頻道同時(shí)工作，提供高達(dá)33 Mbit/s的吞吐量。例如可用1、6、11三個(gè)信道。

802.11 b的優(yōu)點(diǎn)是成本低，搶占免費(fèi)使用，信號(hào)輻射較好，不容易被阻隔；缺點(diǎn)是帶寬速率較低，信號(hào)容易受到信道干擾（鄰道干擾、同道干擾），系統(tǒng)容量小。

由于使用了第一搶占即享用的2.4 GHz頻點(diǎn)，其信號(hào)很容易被微波爐、無(wú)繩電話或其他電器設(shè)備發(fā)出的信號(hào)所干擾。因此，使用802.11b設(shè)備時(shí)，根據(jù)表1中802.11b傳輸距離只有300 m及圖1的子頻道分配，應(yīng)使802.11b設(shè)備與其他設(shè)備保持300 m以上的距離并選用不同的子頻道，以解決干擾問(wèn)題。

1.2 IEEE 802.11g標(biāo)準(zhǔn)

IEEE 802.11g標(biāo)準(zhǔn)采用了OFDM技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)54 Mbit/s。802.11g結(jié)合了802.11a/b兩者的優(yōu)點(diǎn)，既能適應(yīng)傳統(tǒng)的802.11b標(biāo)準(zhǔn)，在2.4 GHz頻率下提供11 Mbit/s數(shù)據(jù)傳輸率，又符合802.11a標(biāo)準(zhǔn)，在5 GHz頻率下提供56 Mbit/s數(shù)據(jù)傳輸率。

802.11 g的優(yōu)點(diǎn)是具備較高的網(wǎng)絡(luò)速率，信號(hào)質(zhì)量好，不容易被阻隔；缺點(diǎn)是成本比802.11b高，受2.4 G設(shè)備干擾較大。我國(guó)許多城市如北京、上海、廣州等地的地鐵車地?zé)o線通信多采用此種制式，也有部分地鐵采用5.8 G收費(fèi)頻段的802.11a。

1.3 IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)

IEEE 802.11n采用智能天線技術(shù)，將MIMO（多入多出）與OFDM技術(shù)相結(jié)合，提高了無(wú)線傳輸質(zhì)量，使傳輸速率得到極大提升。其傳輸速率增加至108 Mbit/s以上，最高可達(dá)320 Mbit/s。另外，802.11n采用了一種軟件無(wú)線電技術(shù)，它是一個(gè)完全可編程的硬件平臺(tái)，不同系統(tǒng)的基站和終端都可以通過(guò)這一平臺(tái)的不同軟件實(shí)現(xiàn)互通和兼容，使得WLAN的兼容性得到極大改善，不但能實(shí)現(xiàn)802.11n向前后兼容，且可以實(shí)現(xiàn)WLAN與無(wú)線廣域網(wǎng)絡(luò)（如3G）的結(jié)合。

1.4 總結(jié)

WLAN技術(shù)具有可移動(dòng)性、免費(fèi)低廉和易于部署的優(yōu)點(diǎn)，隨著技術(shù)的發(fā)展，其在滿足城市軌道交通傳輸帶寬要求方面不是問(wèn)題。但是，WLAN沒有考慮高速移動(dòng)環(huán)境的需求，當(dāng)列車速度超過(guò)80 km/h時(shí)，其移動(dòng)性則明顯不足，乘客信息系統(tǒng)畫面會(huì)出現(xiàn)馬賽克，因此，WLAN不能滿足城市軌道交通列車的快速移動(dòng)性需求。

2 GoTa

GoTa（Global Open Trunking Architecture）是中國(guó)完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、基于CDMA技術(shù)的專業(yè)數(shù)字集群通信系統(tǒng)，已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。它具備快速接續(xù)、完全信道共享、單載扇下單組成員不受限等特性，完全滿足用戶對(duì)集群調(diào)度指揮專業(yè)性的需求。GoTa還可以提供短信、無(wú)線寬帶、定位等豐富的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)，將個(gè)人移動(dòng)通信和專業(yè)集群調(diào)度有機(jī)結(jié)合在一起，順應(yīng)數(shù)字化信息時(shí)代客戶對(duì)多種多樣通信手段的需求。

GoTa數(shù)字集群通信系統(tǒng)語(yǔ)音清晰、綠色環(huán)保、安全保密、管理方便，可滿足企業(yè)集團(tuán)、政府部門日常工作的集群指揮調(diào)度需求，有效提高生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)、工作和管理效率。GoTa系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

（1）手機(jī)對(duì)講，完美融合：專業(yè)集群通信與移動(dòng)電話整合，配合豐富多彩的數(shù)據(jù)、短信、定位等業(yè)務(wù)，順應(yīng)客戶對(duì)通信手段多樣化要求的趨勢(shì)；

（2）一按即通，一呼百應(yīng)：接續(xù)時(shí)間快，滿足用戶快速便捷溝通的通信需求，單站單群組下成員數(shù)量不受限制，真正實(shí)現(xiàn)一呼百應(yīng)；

（3）專業(yè)調(diào)度，功能完備：提供豐富完備的集群調(diào)度功能，完全滿足客戶對(duì)調(diào)度的專業(yè)需求；

（4）通話清晰，安全保密：基于CDMA技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，保密性高，可確保用戶尤其是集團(tuán)用戶的使用安全；

（5）技術(shù)成熟，價(jià)格適中：基于成熟第三代無(wú)線通信技術(shù)CDMA 2000等主流技術(shù)，從2 G的CDMA平滑3 G，因此有效降低資產(chǎn)投入和運(yùn)營(yíng)成本，最大限度地保護(hù)運(yùn)營(yíng)商和用戶的投資；

（6）LTE 4G網(wǎng)絡(luò)平滑演進(jìn)之路---SDR軟基站。

GoTa與TETRA的比較見表2。

表2 GoTa與TETRA比較

由于GoTa的頻點(diǎn)需向無(wú)線電委員會(huì)申請(qǐng)，不會(huì)被占用，故可獲得大規(guī)模電信級(jí)應(yīng)用，完全滿足集群功能和CBTC信號(hào)在移動(dòng)情況下需要的110 kbit/s無(wú)線帶寬。但是，Gota不能滿足移動(dòng)情況時(shí)PIS需要的10 Mbit/s級(jí)帶寬。

3 LTE

TD-LTE（Time Division-Long Term Evolution，長(zhǎng)期演進(jìn)）網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)上下行各近50 Mbit/ s的均衡速率，提供更高速、更豐富的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，滿足高清視頻監(jiān)控、高清即攝即傳等業(yè)務(wù)需要［1］。

TD-LTE應(yīng)用于鐵路通信的技術(shù)優(yōu)勢(shì)包括：

（1）4 G技術(shù)：強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)鏈支持，發(fā)展空間巨大，無(wú)線性能優(yōu)異，支持面向未來(lái)新技術(shù)平滑演進(jìn)；

（2）頻譜豐富：支持2.3/2.6/3.5 GHz及特殊頻段，頻譜資源豐富，TDD（時(shí)分雙工）頻段成本低廉，易獲得政府審批通過(guò)；

（3）業(yè)務(wù)領(lǐng)先：高數(shù)據(jù)傳輸速率，適合承載高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，上下行速率可調(diào)，易于開展各種新業(yè)務(wù)；

（4）支持上行30 Mbit/s和下行100 Mbit/s，或者上下行各近50 Mbit/s的傳輸速率，覆蓋廣，可實(shí)現(xiàn)向LTE-A的平滑演進(jìn)，保障回傳網(wǎng)的低成本建網(wǎng)和運(yùn)營(yíng)。

4 LTE-GoTa

隨著以LTE為代表的4 G技術(shù)的成熟，基于LTE的集群技術(shù)的演進(jìn)路線逐步成熟。

（1）用戶對(duì)集群調(diào)度的精確性、方便性的需求不斷增加：聽得見→聽得見+查得到→聽得見+看得清+查得到。

（2）通過(guò)技術(shù)和平臺(tái)能力提升達(dá)到：語(yǔ)音調(diào)度→語(yǔ)音調(diào)度+數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)→多媒體調(diào)度+多媒體寬帶業(yè)務(wù)。

組建基于LTE的GoTa 4 G集群系統(tǒng)有三種方案，如圖2所示。

圖2 基于LTE的GoTa 4G集群系統(tǒng)總體架構(gòu)

方案1：對(duì)于現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)，只需升級(jí)eUTRAN，新增GoTa DSS子系統(tǒng)，即可提供基于LTE的GoTa集群功能。

方案2：對(duì)于現(xiàn)有CDMA GoTa網(wǎng)絡(luò)，支持向LTE GoTa系統(tǒng)的平滑演進(jìn)，通過(guò)增加BBU基帶單元BPL和LTE RRU，升級(jí)Go Ta DSS子系統(tǒng)，即可提供LTE集群業(yè)務(wù)。

方案3：LTE eUTRAN和EPC不變，單獨(dú)增加演進(jìn)的GoTa DSS子系統(tǒng)，LTE集群業(yè)務(wù)獨(dú)立于LTE EPC，實(shí)現(xiàn)公網(wǎng)業(yè)務(wù)和集群業(yè)務(wù)的隔離。

GoTa 4G系統(tǒng)在軌道交通集群系統(tǒng)和車地?zé)o線通信的特點(diǎn)為：

（1）先進(jìn)技術(shù)：主流LTE技術(shù)，建設(shè)成本低，節(jié)省資產(chǎn)投入，繼承豐富成熟的4G業(yè)務(wù)，支持更高的無(wú)線寬帶，提供更高的安全性和保密性。

（2）集群業(yè)務(wù)和4G業(yè)務(wù)結(jié)合，繼承GoTa所有專業(yè)功能，滿足對(duì)4G寬帶業(yè)務(wù)的需求，滿足集群和寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)融合。

（3）平滑演進(jìn)：保證向下一代平滑演進(jìn)，升級(jí)成本低，最大限度的保護(hù)運(yùn)營(yíng)商和用戶的投資。

（4）增強(qiáng)集群性能指標(biāo)：視頻群呼每成員最大數(shù)據(jù)帶寬達(dá)384 kbit/s，系統(tǒng)同時(shí)支持20個(gè)128 kbit/s或8個(gè)384 kbit/s視頻組呼數(shù)（10M小區(qū)），調(diào)度臺(tái)支持無(wú)線方式調(diào)度，車載臺(tái)支持的行車速度為350 km/h，支持LTE空口加密和端到端加密。

基于LTE為代表的4G技術(shù)的Go Ta集群系統(tǒng)，一套通信系統(tǒng)既充當(dāng)了專用通信系統(tǒng)的無(wú)線系統(tǒng)，又滿足了車地語(yǔ)音通信、CBTC信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控的無(wú)線寬帶傳輸，節(jié)約了投資，也避免了民用WLAN等2.4 GHz或5.8 GHz公用頻段的信號(hào)干擾問(wèn)題。

目前，鄭州地鐵正在實(shí)施LTE作為PIS的車地?zé)o線通信系統(tǒng)。重慶無(wú)線電委員會(huì)已批準(zhǔn)重慶地鐵的LTE車地?zé)o線通信測(cè)試。

在Wi-Fi干擾影響地鐵列車運(yùn)行倍受廣泛關(guān)注的今天，LTE-Go Ta較好地解決了安全和干擾問(wèn)題，具有增強(qiáng)集群性能；在列車以80 km/h以上速度運(yùn)行的情況下，可提供CBTC需要的110 kbit/s無(wú)線帶寬，并為PIS提供大于10 Mbit/s的帶寬。因此，LTE-GoTa可能是未來(lái)10年最佳的車地?zé)o線通信技術(shù)。

［1］ 柏燕民.中興通訊率先完成TD-LTE上行64QAM測(cè)試［EB/OL］.（2013-02-07）［2013-02-11］.http：∥www.zte.com.cn/cn/ press_center/news/201302/t20130207_386535.html

［2］ 趙麟杰，王志麟，鄭國(guó)莘.車地?zé)o線局域網(wǎng)可靠通信的研究［J］.城市軌道交通研究，2012（1）：45.

On Train Wayside Wireless Communication Technology in Urban Rail Transit

Gan Yuxi，Xiao Jianhua，Jin Zhihu，Yang Baoguo，He Yujun，Wu Shaoyong，Yang Jin，Kang Xianhui

The communication system that providesrailway transmission for signal system demands anti-interference，stability，high bandwidth and high reliability，to ensure traffic safely and improve rail transport capacity.Four kinds of wireless communication technology，such as WLAN，GoTa，LTE and LTEGoTa Trunking System are compared，among them LTEGoTa can provide with carrierclass reliability，high bandwidth and strong anti-interference ability，its frequency point has deployed exclusively with telecom technology，providing wireless trunking with 40 Mbit/s downlink and 100 Mbit/s uplink wireless broadband，so it might become the best selection of wireless communication technology between train and wayside in the coming ten years.

urban rail transit；wireless communication between trains and land；WLAN；LTE-GoTa

U 231.7

2013-02-02）