探討城市軌道交通無線通信技術

成錦

【摘要】下文主要根據(jù)筆者多年工作經驗及對通信技術的了解介紹了當前應用較多的幾種無線通信標準及其在地鐵中的應用，那么我們從實際出發(fā)，通過地鐵隧道區(qū)間內不同無線組網方式的比較分析，推出了一種新的商用通信系統(tǒng)的無線引入方式，用以減少無線干擾。通過對無線標準的研究，選擇了能夠滿足地鐵通信系統(tǒng)、信號系統(tǒng)和乘客資訊系統(tǒng)（PIS）功能需求的802.1lg標準。

【關鍵詞】無線通信；技術；組網

【中圖分類號】TN921 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）01—0172-02

1 前言

伴隨著我國科技與經濟的不斷發(fā)展與進步，我國地鐵行業(yè)也在不斷發(fā)展改進，其中通信技術承擔著提高地鐵運營效率、保障行車安全的重要任務。那么，地鐵無線通信系統(tǒng)應該確保高通信質量和全線場強全覆蓋。同時，通過高清晰數(shù)字視頻通信，使各級行車指揮調度對列車車載電話、車廂內電視圖像以及行駛列車對前方車站客流情況進行實時監(jiān)視。列車無線通信所提供的車地之間的數(shù)據(jù)傳輸通道必須兼?zhèn)涓邤?shù)據(jù)容量號快速移動性能。

2 無線通信標準及其應用

目前，國內地鐵行業(yè)使用的無線通信技術主要有以下幾種。

2.1 TETRA技術

TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)是歐洲電信標準協(xié)會（ETSI）制訂的唯一支持數(shù)字集群專用移動通信的開放標準，可以在同一平臺上提供指揮調度、數(shù)據(jù)傳輸及電話服務，并具有公開、開放的優(yōu)點，其功能特點：①提供必要的帶寬，無需通過用戶接口即可同時發(fā)送或接收話音和數(shù)據(jù)；②支持數(shù)字圖形、圖像傳輸、電子郵件等多種數(shù)據(jù)通信；③動態(tài)分配帶寬，一個通信鏈路最多容納4個時隙；④每個時隙的通信能力為7.2k bit/s，總體傳輸速率可達28.8kbit/s；⑤在一個物理信道機內可容納4個時分信道，可在不同的時隙內接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，頻譜利用率高；⑥具有話音和數(shù)據(jù)加密功能，支持開放式信道信令。即允許來自不同廠商的產品進入同一個公共通信信道。

2.2 3G技術

第三代移動通信（3G）能夠在20 MHz頻譜帶寬提供下行100Mbit/s、上行50 Mbit/s的峰值傳輸速率；改善小區(qū)邊緣用戶的性能；提高小區(qū)容量；降低系統(tǒng)延遲，用戶平面內部單向傳輸時延低于5 ms，控制平面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)遷移時間低于50 ms，從駐留狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時間小于100 ms；支持100 km半徑的小區(qū)覆蓋；能夠為3 50 km/h高速移動用戶提供大于100 kbit/s的接入服務；支持成對或非成對頻譜，并可靈活配置1.25 20 MHz多種帶寬。

2.3 WLAN技術

無線局域網（WLAN）的主要標準是IEEE802.11，具體包括IEEE802.11b、802.11a和802.11g等。802.11b通常也被稱為wi-Fi（WirelessFidelity），工作在2.4GHz頻段，可支持最高11Mbit/s的共享接入速率；802.11a工作在5.8GHz頻段，其速率高達54Mbit/s，分頻采用OFDM（正交頻分復用）技術，但最高速率的無障礙接入距離降到30-50m；802.11g也采用OFDM技術，與802.11a一樣可支持最高54Mbit/s的速率，同時它工作在2.4GHz頻段，因此，可以做到與802.11b兼容，而最高速率是802.11b的5倍。

2.4 WiMAX技術

WiMAx是建立在IEEE 802.16和ETSI HiperMAN無線城域網標準基礎上，支持點對點或點對多點的網絡結構，可選擇在需執(zhí)照頻段或免執(zhí)照的頻譜中操作。它可為固定站提供達50 km的寬帶無線接入，可為移動站提供5-15 km的寬帶無線接入。但WiMAx核心網絡的標準至今仍在制定和完善中，空中接口標準也存在信令開銷大的問題，由于目前尚未通過中國通信標準委員會審定，未被頻率分配，技術開展緩慢。

2.5 DVB-T技術

數(shù)字視頻地面廣播（DVB-T）是DVB一系列標準中的一個標準，用于地面開路數(shù)字電視系統(tǒng)，采用國際標準的MPEG-2編碼，COFDM（編碼正交頻分復用）調制方式。在地鐵列車運行過程中連續(xù)不斷地接收到由泄漏電纜或地面發(fā)射基站發(fā)射的實時信號，通過數(shù)字機頂盒進行解碼，并轉換為模擬復合視頻和音頻信號，再經過視音頻分配器輸出到終端顯示屏上。DVB-T具有容量大、接入方便等特點，其技術使用于下行高速數(shù)據(jù)的傳輸，可以工作在多個頻點，減少無線頻段干擾。

2.6 Mesh技術

無線Mesh網絡所需設備小巧輕便，易于安裝。由于其路由選擇特性使得鏈路中斷，所以局部擴容和升級不會影響整個網絡的運行。在Mesh網絡中，數(shù)據(jù)通過中間節(jié)點進行多跳轉發(fā)，每一跳至少都會帶來一些延遲，隨著無線Mesh網絡規(guī)模的擴大，跳接越多，積累的總延遲就會越大，一些對通信延遲要求高的應用（如話音或流媒體應用等），可能面臨無法接受的延遲過長的問題。目前，解決這一問題主要是增加Mesh節(jié)點以及合適的網絡協(xié)議。盡管在有線網絡中使用的各種端到端安全技術（如虛擬專用網VPN）同樣可以用來解決無線Mesh的安全問題，但正如Internet一樣，安全是選擇無線Mesh網絡不容忽視的問題。

2.7 TRainCom

TRainCom無線電系統(tǒng)是一種適用于各種數(shù)據(jù)服務和運用的列車無線電系統(tǒng)。與現(xiàn)行的其他列車無線電系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)能提供更多的帶寬。全雙工模式下總數(shù)據(jù)傳輸速率高達16 Mbit/s（取決于無線通信系統(tǒng)的架構）。由于系統(tǒng)結構和構造可升級，無線通信系統(tǒng)幾乎適用于所有列車系統(tǒng)——輕軌車、高速列車和高速磁懸浮列車。TRainCom是一套交鑰匙系統(tǒng)。而且，符合列車市場要求的CCTV和VoIP模塊也可有多種應用。

3 無線組網

地鐵無線信號覆蓋主要是站廳、站臺以及隧道區(qū)間。站廳及站臺區(qū)域多呈長條形，且站廳支柱及其他障礙物較多，為此，站廳層和站臺層多采用天線覆蓋。隧道區(qū)間無線信號的覆蓋是關鍵，隧道區(qū)間中無線組網的方式主要有裂縫波導、漏泄電纜和無線電臺等。

3.1 裂縫波導

裂縫波導網主要由中空鋁質矩形管（WG）、無線接入設備（TRE）、波導管連接器（TGC）、雙面連接法蘭（DFL）、末端負載等組成。波導信息網移動站由車載計算機、車載無線電臺、數(shù)據(jù)采集卡、窄縫探測接收器等組成。信號傳輸是通過中心控制室、車站計算機、車載計算機、車載電臺和列車上的定向天線發(fā)射和接收信號，軌旁單元通過同軸電纜與裂縫波導連接，以裂縫波導為載體雙向傳輸列車實時信息。

3.2 漏泄電纜

漏泄電纜系統(tǒng)的基本結構通常采用基站與漏纜中繼方式。全線通常設1個控制中心，1個或若干個基站，1個無線移動交換機，基站信道數(shù)根據(jù)用戶數(shù)及話務量大小靈活配置，動態(tài)分配。調度員發(fā)出的信息經控制中心及無線移動交換機傳至基站，基站各無線信道發(fā)射機通過合路器、光電轉換器、光分路器與光纜相接，基站發(fā)出的信息通過光纜傳送至各車站中繼器，由中繼器將信號放大后饋送至全線漏泄同軸電纜輻射出去，使列車司機、車站值班員、手持臺持有者能很好地收到來自控制中心的信息。反過來，列車司機、車站值班員、手持臺持有者發(fā)出的信息由漏泄同軸電纜接收后傳送至中繼器，中繼器將信號放大后經光電轉換設備、光合路器與光纜相連，通過光纜將信息傳送至基站，再由基站經控制中心及無線移動交換機傳至控制中心。需要說明的是，有時無線覆蓋是直接由基站將電信號傳至漏泄同軸電纜等終端設備進行無線信號覆蓋的，不需要經過具備光電轉換功能的中繼設備，這主要取決于無線場強覆蓋的范圍和距離。

3.3 無線電臺

無線電臺組網方式是指利用1根光纜將每兩站一區(qū)間上下行隧道組成一個封閉的光環(huán)網，通過以太網與車站無線網絡交換機及隧道接入點（AP）連接。控制中心發(fā)出的信息經骨干網傳輸?shù)杰囌咀酉到y(tǒng)，再從車站交換機發(fā)送到隧道區(qū)間交換機，由隧道區(qū)間交換機把信息下發(fā)到連接到該交換機的所有AP上，最后通過AP與地鐵列車相互通信。

4 應用方案

到目前為止，地鐵行業(yè)無論是在通信系統(tǒng)的無線引入、PIS的無線布網還是信號系統(tǒng)的無線組網以及使用的標準方面并沒有形成一套成熟的系統(tǒng)。各種不同的無線引入、組網方式和標準都在試驗中。

4.1 建議在車站的站廳層和站臺層分別加裝手機信號接入設備，直接與控制中心連接；在車廂內同樣加裝手機信號接入設備，通過和乘客資訊系統(tǒng)（PIS）或信號系統(tǒng)使用同一個無線通信信道傳輸?shù)杰囌??？刂浦行呐c運營商連接，這樣一來就可以減少商用通信系統(tǒng)的引入設備，大大地減少了干擾源特別是區(qū)間隧道內的干擾。

4.2 無線標準的選擇

地鐵在追求性能的同時更應該注重的是穩(wěn)定和成熟。目前能夠滿足802.11a標準系列的產品比較少，布置密度大，TRainCom無線電系統(tǒng)則屬于私有的技術，不具備開放性，對其二次開發(fā)、升級與維護等均需要依賴技術持有方；其他的無線標準不是傳輸?shù)膸捫?，無法滿足地鐵的功能需求，就是技術標準還不夠成熟。目前國內絕大多數(shù)城市地鐵都是采用WLAN技術。

其中，城軌信號CBTC系統(tǒng)和乘客資訊系統(tǒng)（PIS）都使用同一個WLAN無線標準，802.11g無線標準只有3個互不干擾的信道，由于信號系統(tǒng)是保證列車的行車安全，必須保證其帶寬，所以，一般信號系統(tǒng)分配2個信道，PIS系統(tǒng)占1個信道。

雖然PIS系統(tǒng)只使用1個信道，但是實踐證明基本上能夠滿足地鐵功能的需求。西門子（SIEMENS）在北京地鐵10號線測試PIS系統(tǒng)中無線傳輸系統(tǒng)的帶寬，其中信號系統(tǒng)也是使用802.11g標準，并且由于其重要性占用了1和11信道。這樣PIS系統(tǒng)只能使用其中的6信道，經過測試在移動的狀態(tài)下有15M bit/s，靜止的狀態(tài)下可達到20 Mbit/s。

如果兩條線的信號系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)都是采用802.11g標準，那么會在換乘站有比較大的同頻干擾，所以在采用標準和分配信道的時候應該綜合考慮整個地鐵網。

5 總結

總得來說，不難看出，隨著研究的不斷深入，運用于地鐵的無線通信系統(tǒng)也不斷完善，提高了數(shù)據(jù)業(yè)務，加強了網絡傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。今后，在現(xiàn)代技術的不斷發(fā)展下，地鐵的無線通信系統(tǒng)將有更大的發(fā)展，地鐵運營商根據(jù)其運營特點，結合自身發(fā)展實際，可以選擇最優(yōu)方案。地鐵通信系統(tǒng)的設計方案逐漸優(yōu)化，突破傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)的局限性，突出其便捷性和高速型。在地鐵建設中做好通信工程的設計施工技術管理，對落實完成設計指標，達到和發(fā)揮其功能要求，節(jié)約管理成本，有效推進整個工程建設進度等至關重要。