地鐵無線傳輸系統(tǒng)的構(gòu)想

陳志杰

摘要

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市軌道交通建設(shè)如火如荼，保障和提升地鐵運(yùn)營服務(wù)的無線通信需求也急劇增加，不同無線技術(shù)的特點及有限的頻率資源難以滿足獨立承擔(dān)起眾多的業(yè)務(wù)需求。本文分析了地鐵無線通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀，對綜合利用現(xiàn)有的無線通信技術(shù)（系統(tǒng)）及頻率資源滿足應(yīng)用業(yè)務(wù)需求進(jìn)行了探索。

【關(guān)鍵詞】地鐵 無線通信 現(xiàn)狀 構(gòu)想

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及信息化程度的快速提高，推動了人們工作生活節(jié)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(yùn)輸量大、速度快、節(jié)約土地等優(yōu)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(shè)如火如荼。作為保障地鐵運(yùn)營指揮、安全防護(hù)、安全治理、旅客服務(wù)的通信系統(tǒng)在地鐵的應(yīng)用方案也得到不斷完善與提高。通信系統(tǒng)中無線通信的應(yīng)用由最初的專用調(diào)度指揮職能得到不斷延伸，在這過程中，無線系統(tǒng)的資源綜合運(yùn)用還存在一定的局限性。要充分發(fā)揮無線資源的利用效率，在無線傳輸技術(shù)發(fā)展的同時，需要沖破傳統(tǒng)無線應(yīng)用系統(tǒng)商業(yè)巨頭們對傳統(tǒng)專用系統(tǒng)的維護(hù)，同時通過運(yùn)用需求推動新運(yùn)用模式系統(tǒng)設(shè)備的實現(xiàn)。

1地鐵通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀

目前地鐵通信系統(tǒng)主要應(yīng)用于地鐵運(yùn)營指揮、安全防護(hù)、安全治理等方面，屬于地鐵運(yùn)營的神經(jīng)系統(tǒng)。通信系統(tǒng)主要由公安通信系統(tǒng)、公用通信系統(tǒng)、專用通信系統(tǒng)等三部分組成，而專用的通信系統(tǒng)又分為公務(wù)電話、無線通信、閉路電視監(jiān)控及乘客信息、廣播等子系統(tǒng)。專用通信系統(tǒng)作為地鐵列車調(diào)度及維修調(diào)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(xiàn)。

在有線通信系統(tǒng)中，經(jīng)過二十多年的演變發(fā)展，傳輸功能己基本獨立于各應(yīng)用子系統(tǒng)，成為一個提供傳輸通道的公共服務(wù)平臺，這個傳輸平臺的服務(wù)功能隨著各個應(yīng)用系統(tǒng)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(wǎng)口、2M、64K、RS232、RS488（RS485）等。傳輸系統(tǒng)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(yīng)用需求的加入，對傳輸系統(tǒng)來說，基本只是系統(tǒng)容量與接口配置的調(diào)整。

地鐵無線通信經(jīng)歷過模擬對講、模擬集群的技術(shù)體制時代，由于技術(shù)上的局限性，信號的穩(wěn)定性和抗干擾能力較差，信號傳輸質(zhì)量不高，系統(tǒng)功能較單一，在很大程度上制約著地鐵運(yùn)輸?shù)陌踩浴⒖煽啃砸约斑\(yùn)輸指揮效率的提高。90年代數(shù)字集群出世，TETRA系統(tǒng)以其高效、穩(wěn)定的特點被我國采納，作為數(shù)字集群移動通信的標(biāo)準(zhǔn)體制。之后在新建地鐵線路中也迅速被廣泛應(yīng)用。十多年來TETRA系統(tǒng)的成功運(yùn)用，為地鐵的高效、安全運(yùn)營起到了很好的保障作用。

2地鐵無線應(yīng)用需求

隨著地鐵建設(shè)規(guī)模和運(yùn)營成熟度的不斷提高，地鐵公司己經(jīng)有多年使用無線系統(tǒng)應(yīng)對業(yè)務(wù)應(yīng)用的經(jīng)驗。地鐵建設(shè)方對地鐵運(yùn)營的控制方式、指揮模式、調(diào)度指揮的高效直觀、地鐵運(yùn)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(yīng)用需求不斷浮出水面。除傳統(tǒng)的專用列車調(diào)度指揮應(yīng)用外，還有CBTC車地通信、車載視頻監(jiān)控信息傳送、遠(yuǎn)程維護(hù)、列車運(yùn)行狀況實時傳送、旅客列車廣播以及旅客上網(wǎng)等應(yīng)用需求。而這些應(yīng)用中與信號和設(shè)備控制調(diào)度有關(guān)的關(guān)鍵應(yīng)用是CBTC-“基于無線通信的列車自動控制系統(tǒng)”：這樣的應(yīng)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(dá)到99.99%）、耐用性、可靠性（200字節(jié)包長度的分組錯誤率通常為3～10）和全程良好的通信連續(xù)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(guān)鍵應(yīng)用：它們與乘客信息、遠(yuǎn)程維護(hù)、車載視頻監(jiān)控、用于跟蹤或站臺監(jiān)視的閉路電視、網(wǎng)絡(luò)接入等有關(guān)。這些非關(guān)鍵應(yīng)用總體上需要更高帶寬（車對地、地對車雙向都須達(dá)到數(shù)十兆位/秒的級別），但健壯性約束較低（1M字節(jié)的包長度分組錯誤率大約為2?10），同時不同應(yīng)用需求，信息的收發(fā)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(yè)人員），無線傳輸成為解決這些應(yīng)用需求的一個關(guān)鍵技術(shù)。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(yùn)用無線技術(shù)方案的關(guān)鍵。

3地鐵無線通信技術(shù)的應(yīng)用

地鐵絕大部分為閉合空間的特點，決定了無論是關(guān)鍵應(yīng)用還是非關(guān)鍵應(yīng)用，運(yùn)營商為公眾提供服務(wù)的無線網(wǎng)絡(luò)在地鐵領(lǐng)域幾無可用。目前在我國地鐵移動通信中同時應(yīng)用的無線通信技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)有模擬對講、TETRA、WLAN、LTE以及特殊場合應(yīng)用的波導(dǎo)技術(shù)（僅用于CBTC）、射頻標(biāo)簽等。模擬對講主要是作為地鐵移動通信中的應(yīng)急補(bǔ)充部分依然存在，基本不作為應(yīng)用系統(tǒng)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(lǐng)域最新出現(xiàn)的技術(shù)，也是目前業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點；TETRA在軌道交通專用無線通信領(lǐng)域應(yīng)用非常成熟、普遍，但在國產(chǎn)化、互聯(lián)互通方面仍是大家關(guān)注的熱點；WLAN在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用也非常成熟、廣泛，目前仍在積極拓展新應(yīng)用的接入服務(wù)，完善應(yīng)用效果。這三種不同標(biāo)準(zhǔn)存在各自的優(yōu)勢與缺陷，使得各地鐵公司在工程前期設(shè)備選型中需要糾結(jié)一番。

對己有多條線路開通運(yùn)行的地鐵公司，己經(jīng)建設(shè)了成規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，也培養(yǎng)出完善的自主維修人員隊伍，在設(shè)備選型時主要從運(yùn)營安全、系統(tǒng)成熟度、售后服務(wù)、開通業(yè)績、維修成本等角度綜合出發(fā)，要考慮網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通及備件的互通性、維修的延續(xù)性。對于新建地鐵的城市，在系統(tǒng)技術(shù)成熟的前提下可更多地從系統(tǒng)的業(yè)務(wù)可擴(kuò)展性考慮。

LTE：“帶寬”是最大優(yōu)勢，目前LTE均應(yīng)用在PIS系統(tǒng)中，有些地鐵還同時承載了調(diào)度系統(tǒng)或列控系統(tǒng)。也有將多媒體視頻調(diào)度業(yè)務(wù)、列車視頻監(jiān)控系統(tǒng)、列車告警系統(tǒng)上傳、門禁系統(tǒng)、BAS系統(tǒng)、FAS系統(tǒng)等很多數(shù)據(jù)都試圖在同一張LTE網(wǎng)上承載，實現(xiàn)規(guī)?；?、低成本建設(shè)。

TETRA：完善、穩(wěn)定是最大優(yōu)勢，窄帶的缺點也比較明顯。長期以來主要用于承擔(dān)地鐵運(yùn)行過程中的列車調(diào)度、信號傳輸?shù)纫π畔鬏斎蝿?wù)，是地鐵專用通信系統(tǒng)的重要組成部分。在各個地鐵的實際應(yīng)用中，TETRA在各方面的功能比較完善、穩(wěn)定，深受業(yè)主好評。在國內(nèi)己開通線路的專用無線調(diào)度通信系統(tǒng)基本都是采用TETRA，—部分新建招標(biāo)的線路也仍然會繼續(xù)采用TETRA。其國產(chǎn)化率底的情況近兩年來情況發(fā)生了一些變化，不同廠家之間產(chǎn)品之間的互聯(lián)互通也在推進(jìn)中。目前軌道交通智能化要求越來越高，所需要實現(xiàn)的空口業(yè)務(wù)越來越多，靠一張TETRA網(wǎng)，帶寬顯得很不足，難以滿足軌道交通后續(xù)發(fā)展需求。endprint

WLAN：“寬帶”是最大優(yōu)勢，抗干擾性弱是致命缺陷。WLAN是目前軌道交通應(yīng)用的主要無線通信技術(shù)之一，目前技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，廣泛應(yīng)用于車地通信、PIS、CBTC、地鐵商業(yè)WIFI等各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)，在各個地鐵線路上應(yīng)用普遍。但是受限于技術(shù)本身的一些先天性缺陷，會存在相互干擾的問題影響關(guān)鍵應(yīng)用的系統(tǒng)安全；WLAN應(yīng)用于PIS等系統(tǒng)時，會存在在高速移動時視頻切換時間比較長、卡片等現(xiàn)象。

從系統(tǒng)的應(yīng)用效果和技術(shù)特點來看，地鐵無線應(yīng)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(jīng)指定1785?1805Mhz頻段可用于城市軌道交通行業(yè)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(yè)專用無線通信網(wǎng)和公眾無線通信網(wǎng)同樣可以使用。另外地鐵移動通信應(yīng)用需求的爆發(fā)式增長，比如為了達(dá)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(nèi)、軌道旁和站臺上所發(fā)生的危險活動和不正常事件進(jìn)行監(jiān)測和評估，需要安裝車載、路旁、站臺實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)；增強(qiáng)乘客舒適感和旅行體驗的非關(guān)鍵應(yīng)用——比如車上網(wǎng)絡(luò)連接（在將來的幾年間，乘客或許將不能接受無網(wǎng)絡(luò)連接的情況），以及視頻點播或者其他的娛樂設(shè)施，可能會成為吸引顧客的必需品；同時，這也會提高運(yùn)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(yīng)用業(yè)務(wù)的需求。

另外技術(shù)淘汰（特別是在通信技術(shù)領(lǐng)域）很快就會到來，而且常常與列車系統(tǒng)的生命周期不匹配。比如鐵路GSM-R系統(tǒng)目前還在部署過程中，該產(chǎn)品生命進(jìn)入末期己經(jīng)成為基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營公司的重大憂慮。4G技術(shù)是否很快被跨越成為需要全程全網(wǎng)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(yīng)未來無線技術(shù)發(fā)展演變，滿足日益增長的業(yè)務(wù)需求就成為必然。

4地鐵無線傳輸系統(tǒng)的構(gòu)想

鑒于無線資源的稀缺和各種技術(shù)的不同特點，綜合利用不同技術(shù)，發(fā)揮各自優(yōu)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(nèi)有些地方釆用LTE承載CBTC業(yè)務(wù)及部分寬帶業(yè)務(wù)，TETRA承載窄帶語音調(diào)度業(yè)務(wù)，WLAN承載PIDS、WIFI等資源經(jīng)營業(yè)務(wù)。這種安排己充分利用現(xiàn)有的可用資源，很大程度上發(fā)揮了各自的優(yōu)勢，但是這些資源與承載業(yè)務(wù)的分配按照固定模式分配，新業(yè)務(wù)需求出現(xiàn)時，根據(jù)業(yè)務(wù)的關(guān)鍵程度，需要進(jìn)行承載通道調(diào)整時的可操作性不強(qiáng)。

如果按照有線傳輸?shù)哪Ｊ絹硭伎?，結(jié)合無線技術(shù)的特點，將無線傳輸獨立于各個應(yīng)用系統(tǒng)，將不同技術(shù)的可用系統(tǒng)進(jìn)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(yīng)用子系統(tǒng)的無線傳輸通道公共服務(wù)平臺，這個傳輸平臺的服務(wù)功能隨著各個應(yīng)用系統(tǒng)的加入可以不斷完善，提供不同應(yīng)用系統(tǒng)所需求的傳輸接口，并可根據(jù)應(yīng)用需求傳輸信息的特點靈活配置通道的類型和優(yōu)先等級，使得有限的頻率資源和基礎(chǔ)設(shè)施資源通過動態(tài)分配，實現(xiàn)資源的最大利用，同時平臺也要考慮類似于5G技術(shù)到來時的捆綁聚合。接口協(xié)議進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范，最大限度地便捷應(yīng)用業(yè)務(wù)對傳輸通道的申請與釋放。

按照這種構(gòu)想搭建，可以以TETRA和LTE核心網(wǎng)為基礎(chǔ)，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(diào)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(yīng)用業(yè)務(wù)對無線傳輸通道的需求。在設(shè)備上開發(fā)一套實現(xiàn)多種無線技術(shù)（系統(tǒng)）聚合的車載數(shù)據(jù)（含話音）接口平臺，在接口配置上充分研究不同業(yè)務(wù)的特點，以滿足應(yīng)用業(yè)務(wù)的需求。平臺具有良好的用戶界面以方便可靠地實現(xiàn)用戶對傳輸通道的配置，并可根據(jù)業(yè)務(wù)信息的優(yōu)先等級自動進(jìn)行傳輸通道的調(diào)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(fā)揮原有TETRA的作用，在新建線路中也可考慮不同無線系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)劃，根據(jù)無線頻率的批準(zhǔn)情況、應(yīng)用業(yè)務(wù)的需求情況進(jìn)行分期建設(shè)。

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