轨道交通车地无线通信技术研讨

甘玉玺肖健华金志虎杨宝国何玉军吴少勇杨 瑾康仙慧

（1.中兴通讯股份有限公司，518057，深圳；2.深圳市芽庄电子有限公司，518104，深圳∥第一作者，高级工程师）

轨道交通车地无线通信技术研讨

甘玉玺1肖健华1金志虎2杨宝国1何玉军1吴少勇1杨 瑾1康仙慧1

（1.中兴通讯股份有限公司，518057，深圳；2.深圳市芽庄电子有限公司，518104，深圳∥第一作者，高级工程师）

对WLAN（无线局域网）、GoTa、LTE和LTEGoTa等四种无线通信技术在城市轨道交通车地无线通信中的应用特点进行了分析比较，认为LTE-GoTa具有电信级可靠性、高带宽和强抗干扰能力，无线频点独占、运营级的技术，提供无线集群功能，以及下行40 Mbit/s，上行100 Mbit/s等传输速率的无线宽带，可能是未来10年最佳的车地无线通信技术。

城市轨道交通；车地无线通信；无线局域网；LTE-GoTa

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

2012年11月期间，某地铁公司多趟列车因信号系统自动防护功能作用而产生紧急制动，列车再次起动后只能维持低速运行。为避免对后续正常列车运行造成影响，运营控制中心将部分列车退出服务。初步判断造成此事件的原因是控制列车运行的信号系统受到来自外界不明因素的干扰，导致系统自动产生安全保护。

目前城市轨道交通基本上采用无线局域网（WLAN）技术承载基于通信的列车控制（CBTC）和乘客信息系统（PIS）。信号系统是关系行车安全和提高运行效率的系统，PIS影响乘车环境的舒适度。CBTC信号系统和PIS采用何种车地通信方式和措施来避免干扰，以保证车地通信的可靠性、安全性、实时性、抗干扰、高带宽和电信级的运营等，是城市轨道交通建设必须研究的重要问题。

目前车地无线通信业务的带宽需求为：CBTC信号系统带宽需求为110 kbit/s，PIS的下行带宽需求为10 Mbit/s级别，针对车载监控业务的上行带宽需求为5.25～8 Mbit/s。

1 WLAN

IEEE 802.11又称为无线局域网标准。在无线网络中，侦测碰撞十分不容易，因为是利用CSMA/ CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）存取模式来传输。

在CSMA/CA的载波感应模式中，发送端会先侦测环境，假如频道中没有其他信号传送时，发送端会先等待一段随机时间，之后如果还没有侦测到任何信号传送，发送端就会将封包传送出去。如果一开始就侦测到已经有信号使用了这个频道，发送端就等频道净空，再等待一个随机的后退时间，然后重新进入频道竞争模式，此时遍历过后退的发送端在该模式下会自动提高其使用频道的优先权。该架构可避免有些发送端一直无法取得频道的使用权而无法传送数据。

WLAN定位在网络的接入层。1997年，IEEE 802.11标准定义了单一的MAC层和多样的物理层，先后推出IEEE 802.11a/b/g/n标准。目前，在城市轨道交通试验性应用或做过测试的基本上是基于IEEE 802.11系列标准的技术。表1为IEEE 802.11a/b/g/n标准的比较。由表1可知，2.4 GHz比5 GHz更低的频率意味着更大的覆盖范围；802.11g比802.11a的覆盖范围更大，理论上覆盖范围可增大50%。此外，2.4 GHz的穿透性更好：在室内，2.4 GHz产品对墙的穿透性优于5 GHz。本文仅介绍在城市轨道交通中常用的WLAN技术。

表1 WLAN几种标准比较

1.1 IEEE 802.11b标准

IEEE 802.11b可以支持最高11 Mbit/s的数据传输速率，继承了802.11的无线信号频率标准，采用2.4 GHz直接序列扩频。

802.11 b的工作频段为2 400～2 483.5 MHz，工作频率带宽为83.5 MHz，划分为14个子频道。每个子频道带宽为22 MHz。子频道分配如图1所示。

图1 IEEE 802.11b子频道分配图

在多个频道同时工作的情况下，为保证频道之间不相互干扰，要求两个频道的中心频率间隔不能低于25 MHz。因而，在一个蜂窝区，内直序扩频技术最多可提供3个不重叠的频道同时工作，提供高达33 Mbit/s的吞吐量。例如可用1、6、11三个信道。

802.11 b的优点是成本低，抢占免费使用，信号辐射较好，不容易被阻隔；缺点是带宽速率较低，信号容易受到信道干扰（邻道干扰、同道干扰），系统容量小。

由于使用了第一抢占即享用的2.4 GHz频点，其信号很容易被微波炉、无绳电话或其他电器设备发出的信号所干扰。因此，使用802.11b设备时，根据表1中802.11b传输距离只有300 m及图1的子频道分配，应使802.11b设备与其他设备保持300 m以上的距离并选用不同的子频道，以解决干扰问题。

1.2 IEEE 802.11g标准

IEEE 802.11g标准采用了OFDM技术，数据传输速率可达54 Mbit/s。802.11g结合了802.11a/b两者的优点，既能适应传统的802.11b标准，在2.4 GHz频率下提供11 Mbit/s数据传输率，又符合802.11a标准，在5 GHz频率下提供56 Mbit/s数据传输率。

802.11 g的优点是具备较高的网络速率，信号质量好，不容易被阻隔；缺点是成本比802.11b高，受2.4 G设备干扰较大。我国许多城市如北京、上海、广州等地的地铁车地无线通信多采用此种制式，也有部分地铁采用5.8 G收费频段的802.11a。

1.3 IEEE 802.11n标准

IEEE 802.11n采用智能天线技术，将MIMO（多入多出）与OFDM技术相结合，提高了无线传输质量，使传输速率得到极大提升。其传输速率增加至108 Mbit/s以上，最高可达320 Mbit/s。另外，802.11n采用了一种软件无线电技术，它是一个完全可编程的硬件平台，不同系统的基站和终端都可以通过这一平台的不同软件实现互通和兼容，使得WLAN的兼容性得到极大改善，不但能实现802.11n向前后兼容，且可以实现WLAN与无线广域网络（如3G）的结合。

1.4 总结

WLAN技术具有可移动性、免费低廉和易于部署的优点，随着技术的发展，其在满足城市轨道交通传输带宽要求方面不是问题。但是，WLAN没有考虑高速移动环境的需求，当列车速度超过80 km/h时，其移动性则明显不足，乘客信息系统画面会出现马赛克，因此，WLAN不能满足城市轨道交通列车的快速移动性需求。

2 GoTa

GoTa（Global Open Trunking Architecture）是中国完全拥有自主知识产权、基于CDMA技术的专业数字集群通信系统，已成为国际标准。它具备快速接续、完全信道共享、单载扇下单组成员不受限等特性，完全满足用户对集群调度指挥专业性的需求。GoTa还可以提供短信、无线宽带、定位等丰富的移动通信业务，将个人移动通信和专业集群调度有机结合在一起，顺应数字化信息时代客户对多种多样通信手段的需求。

GoTa数字集群通信系统语音清晰、绿色环保、安全保密、管理方便，可满足企业集团、政府部门日常工作的集群指挥调度需求，有效提高生产、运营、工作和管理效率。GoTa系统具有如下特点：

（1）手机对讲，完美融合：专业集群通信与移动电话整合，配合丰富多彩的数据、短信、定位等业务，顺应客户对通信手段多样化要求的趋势；

（2）一按即通，一呼百应：接续时间快，满足用户快速便捷沟通的通信需求，单站单群组下成员数量不受限制，真正实现一呼百应；

（3）专业调度，功能完备：提供丰富完备的集群调度功能，完全满足客户对调度的专业需求；

（4）通话清晰，安全保密：基于CDMA技术，抗干扰能力强，保密性高，可确保用户尤其是集团用户的使用安全；

（5）技术成熟，价格适中：基于成熟第三代无线通信技术CDMA 2000等主流技术，从2 G的CDMA平滑3 G，因此有效降低资产投入和运营成本，最大限度地保护运营商和用户的投资；

（6）LTE 4G网络平滑演进之路---SDR软基站。

GoTa与TETRA的比较见表2。

表2 GoTa与TETRA比较

由于GoTa的频点需向无线电委员会申请，不会被占用，故可获得大规模电信级应用，完全满足集群功能和CBTC信号在移动情况下需要的110 kbit/s无线带宽。但是，Gota不能满足移动情况时PIS需要的10 Mbit/s级带宽。

3 LTE

TD-LTE（Time Division-Long Term Evolution，长期演进）网络可以实现上下行各近50 Mbit/ s的均衡速率，提供更高速、更丰富的业务体验，满足高清视频监控、高清即摄即传等业务需要［1］。

TD-LTE应用于铁路通信的技术优势包括：

（1）4 G技术：强大的产业链支持，发展空间巨大，无线性能优异，支持面向未来新技术平滑演进；

（2）频谱丰富：支持2.3/2.6/3.5 GHz及特殊频段，频谱资源丰富，TDD（时分双工）频段成本低廉，易获得政府审批通过；

（3）业务领先：高数据传输速率，适合承载高速数据业务，上下行速率可调，易于开展各种新业务；

（4）支持上行30 Mbit/s和下行100 Mbit/s，或者上下行各近50 Mbit/s的传输速率，覆盖广，可实现向LTE-A的平滑演进，保障回传网的低成本建网和运营。

4 LTE-GoTa

随着以LTE为代表的4 G技术的成熟，基于LTE的集群技术的演进路线逐步成熟。

（1）用户对集群调度的精确性、方便性的需求不断增加：听得见→听得见+查得到→听得见+看得清+查得到。

（2）通过技术和平台能力提升达到：语音调度→语音调度+数据业务→多媒体调度+多媒体宽带业务。

组建基于LTE的GoTa 4 G集群系统有三种方案，如图2所示。

图2 基于LTE的GoTa 4G集群系统总体架构

方案1：对于现有LTE网络，只需升级eUTRAN，新增GoTa DSS子系统，即可提供基于LTE的GoTa集群功能。

方案2：对于现有CDMA GoTa网络，支持向LTE GoTa系统的平滑演进，通过增加BBU基带单元BPL和LTE RRU，升级Go Ta DSS子系统，即可提供LTE集群业务。

方案3：LTE eUTRAN和EPC不变，单独增加演进的GoTa DSS子系统，LTE集群业务独立于LTE EPC，实现公网业务和集群业务的隔离。

GoTa 4G系统在轨道交通集群系统和车地无线通信的特点为：

（1）先进技术：主流LTE技术，建设成本低，节省资产投入，继承丰富成熟的4G业务，支持更高的无线宽带，提供更高的安全性和保密性。

（2）集群业务和4G业务结合，继承GoTa所有专业功能，满足对4G宽带业务的需求，满足集群和宽带数据业务融合。

（3）平滑演进：保证向下一代平滑演进，升级成本低，最大限度的保护运营商和用户的投资。

（4）增强集群性能指标：视频群呼每成员最大数据带宽达384 kbit/s，系统同时支持20个128 kbit/s或8个384 kbit/s视频组呼数（10M小区），调度台支持无线方式调度，车载台支持的行车速度为350 km/h，支持LTE空口加密和端到端加密。

基于LTE为代表的4G技术的Go Ta集群系统，一套通信系统既充当了专用通信系统的无线系统，又满足了车地语音通信、CBTC信号系统数据和视频监控的无线宽带传输，节约了投资，也避免了民用WLAN等2.4 GHz或5.8 GHz公用频段的信号干扰问题。

目前，郑州地铁正在实施LTE作为PIS的车地无线通信系统。重庆无线电委员会已批准重庆地铁的LTE车地无线通信测试。

在Wi-Fi干扰影响地铁列车运行倍受广泛关注的今天，LTE-Go Ta较好地解决了安全和干扰问题，具有增强集群性能；在列车以80 km/h以上速度运行的情况下，可提供CBTC需要的110 kbit/s无线带宽，并为PIS提供大于10 Mbit/s的带宽。因此，LTE-GoTa可能是未来10年最佳的车地无线通信技术。

［1］ 柏燕民.中兴通讯率先完成TD-LTE上行64QAM测试［EB/OL］.（2013-02-07）［2013-02-11］.http：∥www.zte.com.cn/cn/ press_center/news/201302/t20130207_386535.html

［2］ 赵麟杰，王志麟，郑国莘.车地无线局域网可靠通信的研究［J］.城市轨道交通研究，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）