軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)應(yīng)用需求及主要技術(shù)類型分析

范 鑫

(大連地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，遼寧 大連 116000)

0 引言

本文以軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景及需求演進(jìn)作為切入點(diǎn)，分析討論了目前各種應(yīng)用在軌道交通車地?zé)o線通信的技術(shù)及相關(guān)特點(diǎn)，闡述了一個(gè)更低時(shí)延、更大帶寬、更大連接密度的車地?zé)o線系統(tǒng)對(duì)軌道交通智慧化轉(zhuǎn)型的重要意義。

1 軌道交通車地?zé)o線系統(tǒng)技術(shù)介紹

隨著無(wú)線通信技術(shù)的高速發(fā)展，軌道交通車地?zé)o線技術(shù)也在進(jìn)行著不斷的演進(jìn)，從早期的基于DVB-T和DTMB技術(shù)的數(shù)字電視技術(shù)到基于WLAN802.11n、LTE技術(shù)，再到最近主流的基于WLAN802.11ac、EUHT技術(shù)，甚至?xí)r下剛剛興起WiFi6和5G技術(shù)，這些技術(shù)都極大地促進(jìn)了軌道交通車地?zé)o線技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，同時(shí)也推動(dòng)了軌道交通運(yùn)營(yíng)管理和服務(wù)水平，下文將介紹當(dāng)前軌道交通中常見的車地?zé)o線技術(shù)類型并簡(jiǎn)單分析其主要特點(diǎn)。

1.1 WLAN與WiFi技術(shù)

WLAN技術(shù)是無(wú)線高速數(shù)據(jù)通信兩大主流技術(shù)之一，主要是通過無(wú)線通信技術(shù)將各種計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行互聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)部署設(shè)備之間的相互通信和資源共享，替代傳統(tǒng)通過通信電纜進(jìn)行有線連接的方式；WiFi是一個(gè)基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)，同時(shí)也是一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的品牌，由WiFi聯(lián)盟所持有[1]。

在我國(guó)軌道交通采用WLAN技術(shù)的車地?zé)o線系統(tǒng)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(shí)在2022年初全國(guó)首個(gè)采用802.11ax技術(shù)的車地?zé)o線系統(tǒng)大連地鐵13號(hào)線正式落地。WLAN技術(shù)主要優(yōu)勢(shì)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(wú)需單獨(dú)申請(qǐng)；具有完備的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，設(shè)備采購(gòu)較為方便，相對(duì)成本較低；有強(qiáng)大的技術(shù)聯(lián)盟及眾多研發(fā)企業(yè)做支持，接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)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(wú)線設(shè)備干擾；同時(shí)在802.11ac之前的系統(tǒng)很難克服列車快速移動(dòng)帶來(lái)的頻移、衰落等問題。

1.2 LTE技術(shù)

LTE是由3GPP組織制定的UMTS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)期演進(jìn)，見圖1。系統(tǒng)采用正交頻分復(fù)用和多入多出等技術(shù)，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(biāo)準(zhǔn)關(guān)于LTE系統(tǒng)同時(shí)定義了頻分雙工和時(shí)分雙工兩種方式，其中TDD-LTE的研究和開發(fā)主要從中國(guó)發(fā)起，我國(guó)擁有核心自主產(chǎn)權(quán)，在我國(guó)已大范圍商用，具有較為成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，而FDD-LTE是歐洲標(biāo)準(zhǔn)。此外還有LTE-U和LTE-M等技術(shù)，其中LTE-U主要是利用聚合載波技術(shù)將LTE部署到非授權(quán)頻譜上，并采用標(biāo)準(zhǔn)LTE空口協(xié)議完成通信；而LTE-M則主要是基于TDD-LTE技術(shù)[2]。

目前國(guó)內(nèi)已有多條線路的CBTC系統(tǒng)使用的LTE技術(shù)。LTE系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)：具有高帶寬、高移動(dòng)性、長(zhǎng)區(qū)間覆蓋、高擴(kuò)展性等特點(diǎn)，運(yùn)行在電信運(yùn)營(yíng)級(jí)的架構(gòu)及設(shè)備，可解決既有無(wú)線系統(tǒng)存在的不穩(wěn)定、移動(dòng)性差等問題；同時(shí)工信部2015年65號(hào)文《工業(yè)和信息化部關(guān)于重新發(fā)布1 785～1 805 MHz頻段無(wú)線接入系統(tǒng)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(yè)無(wú)線系統(tǒng)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(qū)可申請(qǐng)的資源有限，能批復(fù)使用的頻寬往往不到20 M[3]。

1.3 EUHT技術(shù)

EUHT技術(shù)這是一種適合高速移動(dòng)特性，并提供更大數(shù)據(jù)傳輸帶寬的技術(shù)。它是由新岸線公司主導(dǎo)研發(fā)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)全新的無(wú)線通信技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，滿足國(guó)際電信聯(lián)盟提出的第五代移動(dòng)通信技術(shù)的全部技術(shù)要求，技術(shù)設(shè)計(jì)上具有簡(jiǎn)潔、靈活、高效的特點(diǎn)；技術(shù)性能上具有高可靠、低時(shí)延、大容量和高速移動(dòng)適應(yīng)性等優(yōu)勢(shì)。目前在北京、廣州等地已經(jīng)有多條線路應(yīng)用此技術(shù)[4]。

圖1 LTE技術(shù)的演進(jìn)

目前EUHT可查的技術(shù)資料比較少，但從新岸線官方網(wǎng)站上公布的對(duì)比WiFi，4G-LTE，ITU-5G要求的技術(shù)參數(shù)分析，其主要優(yōu)勢(shì)為可靠性更強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸速率更快、端到端時(shí)延更低，尤其是對(duì)于載體的移動(dòng)速率支持性更強(qiáng)；主要問題是目前只有一家研發(fā)企業(yè)擁有此技術(shù)，產(chǎn)品來(lái)源單一。

2 車地?zé)o線系統(tǒng)的技術(shù)要求

隨著智慧地鐵建設(shè)在軌道交通中的展開，列車內(nèi)越來(lái)越多的數(shù)據(jù)需要與地面進(jìn)行交互，這就意味著車地?zé)o線系統(tǒng)在封閉隧道內(nèi)或者開放的高架區(qū)間內(nèi)，地鐵列車在高速運(yùn)行過程中，必須具備與地面具有穩(wěn)定、高效的雙向數(shù)據(jù)傳輸能力，并且也同時(shí)需具有安全性、可靠性和高帶寬性。

2.1 安全性要求

車地?zé)o線系統(tǒng)的安全需求主要指的是車載數(shù)據(jù)與地面數(shù)據(jù)交互的安全性。隨著互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大、電腦及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，承載業(yè)務(wù)的應(yīng)用系統(tǒng)及數(shù)據(jù)存在被攻擊和篡改的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是涉及面向公共服務(wù)的數(shù)據(jù)。近些年來(lái)各種網(wǎng)絡(luò)安全事件也時(shí)有發(fā)生，這些都造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。所以網(wǎng)絡(luò)安全是軌道交通車地?zé)o線系統(tǒng)的重要需求，應(yīng)在設(shè)計(jì)方案時(shí)針對(duì)系統(tǒng)硬件、軟件和組網(wǎng)等環(huán)節(jié)上進(jìn)行充分考慮[5]。

2.2 可靠性要求

可靠性是指系統(tǒng)設(shè)備在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。車地?zé)o線通信系統(tǒng)可靠性需求除包括傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)備的隨機(jī)故障率外，還包括傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性。由于軌道交通行業(yè)的特點(diǎn)，車載無(wú)線設(shè)備需要與軌旁無(wú)線設(shè)備進(jìn)行雙向不間斷通信，因此列車在快速移動(dòng)的過程中要求系統(tǒng)設(shè)備漫游切換的時(shí)間要非常短，系統(tǒng)丟包率就成為衡量系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)之一；同時(shí)由于軌行區(qū)內(nèi)電磁環(huán)境復(fù)雜，需要系統(tǒng)設(shè)備具備極高的抗干擾性，曾經(jīng)有城市就發(fā)生過地鐵列車因受無(wú)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(wù)智能化、運(yùn)營(yíng)自動(dòng)化的發(fā)展，車載高清多媒體內(nèi)容在線下發(fā)、車載電視監(jiān)視視頻及列車監(jiān)控管理系統(tǒng)日志數(shù)據(jù)自動(dòng)回傳等新需求應(yīng)運(yùn)而生，尤其是直播視頻流和高清視頻文件對(duì)無(wú)線傳輸?shù)膸捄蛯?shí)時(shí)性要求不斷加大。相信在未來(lái)，軌道交通車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)對(duì)帶寬的需求將越來(lái)越大。

3 車地?zé)o線通信系統(tǒng)在軌道交通中的實(shí)際應(yīng)用

在軌道交通中，車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)主要功能是為地面與列車之間搭建起高效、穩(wěn)定及動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)傳輸通道。隨著軌道交通行業(yè)的高速發(fā)展，軌道交通列車從單純的列車運(yùn)輸功能逐步向智慧地鐵方向的演進(jìn)，使車地?zé)o線通信功能的需求也越來(lái)越大，應(yīng)用場(chǎng)景也越來(lái)越多。目前根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，車地?zé)o線通信系統(tǒng)的功能主要可以分為行車安全類、運(yùn)維管理類、運(yùn)營(yíng)指揮類、公共服務(wù)類等。不同的應(yīng)用類型，與之對(duì)應(yīng)的是不同的車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)系統(tǒng)和技術(shù)類型，主要分為如下幾種。

3.1 基于通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)

1999年9月，IEEE將CBTC定義為：“利用高精度的列車定位雙向連續(xù)、大容量的車地?cái)?shù)據(jù)通信，車載、地面安全功能處理器實(shí)現(xiàn)的一種連續(xù)自動(dòng)列車控制系統(tǒng)”。其主要特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)列車和地面設(shè)備雙向通信，相較于傳統(tǒng)基于軌道電路的固定閉塞系統(tǒng)，CBTC系統(tǒng)具有傳輸信息量大、速度快、同時(shí)減少區(qū)間敷設(shè)電纜數(shù)量的優(yōu)勢(shì)。在軌道交通中此系統(tǒng)屬于信號(hào)系統(tǒng)，其主要使用的技術(shù)為WLAN或LTE[6]。

3.2 專用無(wú)線集群系統(tǒng)

軌道交通專用無(wú)線集群系統(tǒng)為軌道交通內(nèi)部固定用戶和移動(dòng)用戶之間以及移動(dòng)用戶之間的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信息交換提供可靠的通信手段，同時(shí)系統(tǒng)具有呼叫、廣播、錄音、顯示、檢測(cè)和優(yōu)先權(quán)等必要功能。當(dāng)前，我國(guó)專用無(wú)線集群主要采用800M TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)以及基于LTE網(wǎng)絡(luò)的B-Trunc系統(tǒng)。

3.3 乘客信息系統(tǒng)

軌道交通乘客信息系統(tǒng)是依托多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)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(wù)的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)列車緊急文本發(fā)送、PIS流媒體傳輸播放功能，同時(shí)還為車載電視監(jiān)視系統(tǒng)及列車監(jiān)控管理系統(tǒng)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(tǒng)主要使用的技術(shù)為WLAN，LTE，EUHT等[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

近些年來(lái)，傳輸系統(tǒng)的帶寬隨著高清視頻業(yè)務(wù)的發(fā)展而不斷加大，同時(shí)傳統(tǒng)的TDM業(yè)務(wù)如專用無(wú)線及公專電話系統(tǒng)技術(shù)逐步向網(wǎng)絡(luò)化轉(zhuǎn)型，也使軌道交通傳輸網(wǎng)絡(luò)更加IP化，業(yè)務(wù)寬帶化。雖然需求能夠不斷促進(jìn)的技術(shù)的發(fā)展，但技術(shù)有時(shí)候也在倒逼需求的改變。不可否認(rèn)，在未來(lái)的一定時(shí)間內(nèi)，以太網(wǎng)業(yè)務(wù)與TDM業(yè)務(wù)仍然會(huì)共同存在，但日益增長(zhǎng)的TP業(yè)務(wù)需求與逐漸萎縮的TDM業(yè)務(wù)之間的平衡矛盾也在加劇。所以未來(lái)在TDM業(yè)務(wù)承載得到滿足的條件下，應(yīng)重點(diǎn)考慮傳輸系統(tǒng)的安全性、可靠性及質(zhì)量性，同時(shí)也應(yīng)積極探索改進(jìn)軌道交通通信傳輸網(wǎng)絡(luò)用IP分組交換替代TDM電路交換的內(nèi)核。