地铁无线传输系统的构想

陈志杰

摘要

随着国民经济的发展，城市轨道交通建设如火如荼，保障和提升地铁运营服务的无线通信需求也急剧增加，不同无线技术的特点及有限的频率资源难以满足独立承担起众多的业务需求。本文分析了地铁无线通信系统的现状，对综合利用现有的无线通信技术（系统）及频率资源满足应用业务需求进行了探索。

【关键词】地铁 无线通信 现状 构想

随着国民经济的发展以及信息化程度的快速提高，推动了人们工作生活节奏的迅速加快，交通出行的便捷需求问题日益突显。地铁以其运输量大、速度快、节约土地等优点成为各大中城市解决市民交通出行需求的首先方案，近年来地铁建设如火如荼。作为保障地铁运营指挥、安全防护、安全治理、旅客服务的通信系统在地铁的应用方案也得到不断完善与提高。通信系统中无线通信的应用由最初的专用调度指挥职能得到不断延伸，在这过程中，无线系统的资源综合运用还存在一定的局限性。要充分发挥无线资源的利用效率，在无线传输技术发展的同时，需要冲破传统无线应用系统商业巨头们对传统专用系统的维护，同时通过运用需求推动新运用模式系统设备的实现。

1地铁通信系统的现状

目前地铁通信系统主要应用于地铁运营指挥、安全防护、安全治理等方面，属于地铁运营的神经系统。通信系统主要由公安通信系统、公用通信系统、专用通信系统等三部分组成，而专用的通信系统又分为公务电话、无线通信、闭路电视监控及乘客信息、广播等子系统。专用通信系统作为地铁列车调度及维修调度的通信保障，主要是通过无线传输及识别定位、移动通信来实现。

在有线通信系统中，经过二十多年的演变发展，传输功能己基本独立于各应用子系统，成为一个提供传输通道的公共服务平台，这个传输平台的服务功能随着各个应用系统的加入也不断得到完善，在地铁通信传输中所能提供的传输接口包括：以太网口、2M、64K、RS232、RS488（RS485）等。传输系统自身的诊断、通道的迂回备份、自愈、故障弱化等功能能得到了很好的完善。新应用需求的加入，对传输系统来说，基本只是系统容量与接口配置的调整。

地铁无线通信经历过模拟对讲、模拟集群的技术体制时代，由于技术上的局限性，信号的稳定性和抗干扰能力较差，信号传输质量不高，系统功能较单一，在很大程度上制约着地铁运输的安全性、可靠性以及运输指挥效率的提高。90年代数字集群出世，TETRA系统以其高效、稳定的特点被我国采纳，作为数字集群移动通信的标准体制。之后在新建地铁线路中也迅速被广泛应用。十多年来TETRA系统的成功运用，为地铁的高效、安全运营起到了很好的保障作用。

2地铁无线应用需求

随着地铁建设规模和运营成熟度的不断提高，地铁公司己经有多年使用无线系统应对业务应用的经验。地铁建设方对地铁运营的控制方式、指挥模式、调度指挥的高效直观、地铁运营过程中实时状况的了解以及提升旅客地铁出行的舒适度不断提出新的需求。特别是近年来新的应用需求不断浮出水面。除传统的专用列车调度指挥应用外，还有CBTC车地通信、车载视频监控信息传送、远程维护、列车运行状况实时传送、旅客列车广播以及旅客上网等应用需求。而这些应用中与信号和设备控制调度有关的关键应用是CBTC-“基于无线通信的列车自动控制系统”：这样的应用，总的来说需求带宽不是很高（大约100?500kbps），但需要很高的可用性（至少達到99.99%）、耐用性、可靠性（200字节包长度的分组错误率通常为3～10）和全程良好的通信连续性（移动终端从一个固定无线基地切换到下一个基站的时间要求）。非关键应用：它们与乘客信息、远程维护、车载视频监控、用于跟踪或站台监视的闭路电视、网络接入等有关。这些非关键应用总体上需要更高带宽（车对地、地对车双向都须达到数十兆位/秒的级别），但健壮性约束较低（1M字节的包长度分组错误率大约为2?10），同时不同应用需求，信息的收发对称性需求也不一样。

行驶中的列车作为一个移动体（包括维修作业人员），无线传输成为解决这些应用需求的一个关键技术。在有限的无线频率资源中如何充分提高有限资源的利用效率也是运用无线技术方案的关键。

3地铁无线通信技术的应用

地铁绝大部分为闭合空间的特点，决定了无论是关键应用还是非关键应用，运营商为公众提供服务的无线网络在地铁领域几无可用。目前在我国地铁移动通信中同时应用的无线通信技术、标准有模拟对讲、TETRA、WLAN、LTE以及特殊场合应用的波导技术（仅用于CBTC）、射频标签等。模拟对讲主要是作为地铁移动通信中的应急补充部分依然存在，基本不作为应用系统的整体解决方案来配置，TETRA、WLAN、LTE是目前地铁中支持无线通信的主要解决手段，其中LTE是三者中在轨道交通领域最新出现的技术，也是目前业内关注的热点；TETRA在轨道交通专用无线通信领域应用非常成熟、普遍，但在国产化、互联互通方面仍是大家关注的热点；WLAN在轨道交通领域的应用也非常成熟、广泛，目前仍在积极拓展新应用的接入服务，完善应用效果。这三种不同标准存在各自的优势与缺陷，使得各地铁公司在工程前期设备选型中需要纠结一番。

对己有多条线路开通运行的地铁公司，己经建设了成规模的网络，也培养出完善的自主维修人员队伍，在设备选型时主要从运营安全、系统成熟度、售后服务、开通业绩、维修成本等角度综合出发，要考虑网络互联互通及备件的互通性、维修的延续性。对于新建地铁的城市，在系统技术成熟的前提下可更多地从系统的业务可扩展性考虑。

LTE：“带宽”是最大优势，目前LTE均应用在PIS系统中，有些地铁还同时承载了调度系统或列控系统。也有将多媒体视频调度业务、列车视频监控系统、列车告警系统上传、门禁系统、BAS系统、FAS系统等很多数据都试图在同一张LTE网上承载，实现规模化、低成本建设。

TETRA：完善、稳定是最大优势，窄带的缺点也比较明显。长期以来主要用于承担地铁运行过程中的列车调度、信号传输等要害信息传输任务，是地铁专用通信系统的重要组成部分。在各个地铁的实际应用中，TETRA在各方面的功能比较完善、稳定，深受业主好评。在国内己开通线路的专用无线调度通信系统基本都是采用TETRA，—部分新建招标的线路也仍然会继续采用TETRA。其国产化率底的情况近两年来情况发生了一些变化，不同厂家之间产品之间的互联互通也在推进中。目前轨道交通智能化要求越来越高，所需要实现的空口业务越来越多，靠一张TETRA网，带宽显得很不足，难以满足轨道交通后续发展需求。endprint

WLAN：“宽带”是最大优势，抗干扰性弱是致命缺陷。WLAN是目前轨道交通应用的主要无线通信技术之一，目前技术已经相当成熟，广泛应用于车地通信、PIS、CBTC、地铁商业WIFI等各个业务系统，在各个地铁线路上应用普遍。但是受限于技术本身的一些先天性缺陷，会存在相互干扰的问题影响关键应用的系统安全；WLAN应用于PIS等系统时，会存在在高速移动时视频切换时间比较长、卡片等现象。

从系统的应用效果和技术特点来看，地铁无线应用从TETRA走向LTE成为方向，但是如果要采用LTE，就面临频点申请的问题。虽然国家己经指定1785?1805Mhz频段可用于城市轨道交通行业专用无线通信，但此频段并非轨道交通专用频段，电力、石油等行业专用无线通信网和公众无线通信网同样可以使用。另外地铁移动通信应用需求的爆发式增长，比如为了达到地铁线路自动化改造项目（无人驾驶地铁）中必要的安全级别，对车厢内、轨道旁和站台上所发生的危险活动和不正常事件进行监测和评估，需要安装车载、路旁、站台实时视频监控系统；增强乘客舒适感和旅行体验的非关键应用——比如车上网络连接（在将来的几年间，乘客或许将不能接受无网络连接的情况），以及视频点播或者其他的娱乐设施，可能会成为吸引顾客的必需品；同时，这也会提高运输公司的品牌形象。20M的带宽就是全部能够得到使用，很快也会难以满足应用业务的需求。

另外技术淘汰（特别是在通信技术领域）很快就会到来，而且常常与列车系统的生命周期不匹配。比如铁路GSM-R系统目前还在部署过程中，该产品生命进入末期己经成为基础设施运营公司的重大忧虑。4G技术是否很快被跨越成为需要全程全网的铁路通信人心中抹不去的忧虑。

综上所述，研究如何充分综合利用成熟的资源，同时适应未来无线技术发展演变，满足日益增长的业务需求就成为必然。

4地铁无线传输系统的构想

鉴于无线资源的稀缺和各种技术的不同特点，综合利用不同技术，发挥各自优势，提高频率资源的利用效率是我们需要重点研究的问题。目前在国内有些地方釆用LTE承载CBTC业务及部分宽带业务，TETRA承载窄带语音调度业务，WLAN承载PIDS、WIFI等资源经营业务。这种安排己充分利用现有的可用资源，很大程度上发挥了各自的优势，但是这些资源与承载业务的分配按照固定模式分配，新业务需求出现时，根据业务的关键程度，需要进行承载通道调整时的可操作性不强。

如果按照有线传输的模式来思考，结合无线技术的特点，将无线传输独立于各个应用系统，将不同技术的可用系统进行捆绑聚合，形成能满足不同无线传输需求、基本独立于各应用子系统的无线传输通道公共服务平台，这个传输平台的服务功能随着各个应用系统的加入可以不断完善，提供不同应用系统所需求的传输接口，并可根据应用需求传输信息的特点灵活配置通道的类型和优先等级，使得有限的频率资源和基础设施资源通过动态分配，实现资源的最大利用，同时平台也要考虑类似于5G技术到来时的捆绑聚合。接口协议进行统一规范，最大限度地便捷应用业务对传输通道的申请与释放。

按照这种构想搭建，可以以TETRA和LTE核心网为基础，把WLAN作为无线传输通道的辅助接入，最大限度地利用TETRA成熟的语音调度通信功能，同时利用WLAN的接入来缓解LTE频率资源方面的紧缺，最大限度地满足应用业务对无线传输通道的需求。在设备上开发一套实现多种无线技术（系统）聚合的车载数据（含话音）接口平台，在接口配置上充分研究不同业务的特点，以满足应用业务的需求。平台具有良好的用户界面以方便可靠地实现用户对传输通道的配置，并可根据业务信息的优先等级自动进行传输通道的调配。平台具有良好的自我愈合和自诊断能力。该聚合平台的建立，在既有线路上可以发挥原有TETRA的作用，在新建线路中也可考慮不同无线系统的统一规划，根据无线频率的批准情况、应用业务的需求情况进行分期建设。

参考文献

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[3]张宏颂.地铁无线通信系统现状及未来发展[J].科技中国，2016（04）.endprint