浅谈现代城市轨道交通无线通信技术与应用

摘要：随着我国国民经济持续稳定向前发展，工业化进程加快，致使现代城市化速度不断加速，城市规模急剧扩张，人口飞速增加。居民出行频繁导致客运需求急剧增长。发展城市轨道交通不仅能有效改善城市的交通环境，而且还有助于城市建设和经济的发展。为了保证建成后的轨道交通能安全、高效的运营，就必须建立可靠的、易扩充的、独立的通信网，传输和处理轨道交通运营所需的各种信息。本文就现代城市轨道交通无线通信技术与应用进行论述。

关键词：现代城市；轨道交通；无线通信；技术；应用

Abstract: with the China's national sustainable economic development forward, to speed up the process of industrialization, urbanization rate the modern has been accelerating, the size of city radical expansion, the population grew rapidly. Residents to travel frequently passenger demand has increased dramatically. Urban rail transit development not only can effectively improve the traffic in the city environment, but also to the urban construction and economic development. In order to guarantee after completion of the rail transit safe and efficient operation can, must establish reliable, easy to expand and independent communications network, the transmission and processing of rail transit operation all kinds of information. This paper modern urban rail transit wireless communication technology and application were discussed.

Key words: the modern city; Rail traffic; Wireless communication; Technology; application

中图分类号： U213.2文献标识码：A 文章编号：

引言

随着经济的发展，轨道交通已成为现代化城市理想的交通工具，在我国的人口密集及经济增长较快的几个大城市中，如北京、上海、广州、天津、南京等地的轨道交通发展很快。城市轨道交通是解决大城市交通拥挤的一种有效措施。目前，在我国已兴起了建设城市轨道交通的高潮。

城市轨道交通的运营离不开大量信息的交互，专用的通信系统是必不可少的，其中无线调度通信系统则是提高运输效率、确保行车安全及应对突发事件的必要手段。城市轨道无线通信系统是一个专用性很强、可靠性要求高、接口复杂的多动能调度系统，一般包括正线无线列调、维修、公安、环境控制等系统以及车辆段无线系统。

一、当下使用的无线系统

当下国内城市轨道交通行业存在的信号和通信系统都是相对独立的，随后产生的新兴无线通信的应用都各自成系统、相对独立，基本都使用各自不同的无线通信网络。而无线通信技术主要有：TETRA（数字集群）、GSM、CDMA、3G、WLAN、Wi-Fi、WiMAX、DVB-T等。前3种制式均是使用广泛且十分成熟的无线技术，但均存在传输速率低、且接入公网存在安全、干扰等问题，不能满足城市轨道交通的使用需要。DVB-T数字视频广播是为了数字电视信号在地面传播而开发的，具有容量大、接入方便等特点，其技术使用于下行高速数据的传输，可以工作在多个频点，减少无线频段干扰。场强覆盖可以采用小功率、大密度的方式，因此符合轨道交通的无线通信需求，但由于其上行速率较低，对车载CCTV不适用。

本文就3G、WLAN、Wi-Fi、WiMax无线通信技术进行论述。

1.1 3G技术

3G（第三代移动通信技术）有3种制式：TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000。国家工业和信息部已于2009年1月7日正式向3家移动运营商：中国移动、中国联通和中国电信发放了3G运营牌照。3G能够处理图像视频、音乐等多媒体形式，提供了网页浏览、会议电话、电子商务等多种信息服务。多媒体业务是3G数据业务的重点，其传输速率要求为高速移动时能够达到144 kb/s，慢速移动时为384 kb/s，静止状态为2 Mb/s，其上行速率达到几十kb/s，但仍然不能满足车载CCTV、PIDS系统所需速率，同时3G属于公网应用范畴，因此不适用于城市轨道交通行业。

1.2 WLAN无线局域网

基于WLAN（无线局域网络）的多媒体信息传输，基于802.11协议族。IEEE802.11a规定的频点为5 GHz，适合于室内及移动环境，传输速度为1～2 Mb/s。IEEE 802.11b工作于2.4 GHz频点，IEEE 802.11e及IEEE 802.11g是下一代无线LAN标准，被称为无线LAN标准方式IEEE 802.11的扩展标准，是在现有的802.11b及802.11a的MAC层追加了QoS功能及安全功能的标准。

当下中国城市轨道交通都是使用WLAN的标准和技术，如果想进一步接入更多的子系统，比如VoIP电话、CCTV等，WLAN的容量和性能就会受到限制。

1.3 Wi-Fi

Wi-Fi全称Wireless Fidelity（无线保真技术），与蓝牙技术一样，同属于短距离无线技术。典型的CBTC是基于802.11b无线网络规范，该技术使用的是2.4 GHz附近的频段，最高带宽为11 Mb/s，在信号较弱或有干扰的情况下，带宽可调整为5.5，2和1 Mb/s，带宽的自动调整有效地保障了网络的稳定性和可靠性，同时也与已有的各种802.11DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum直接序列扩频）设备兼容。其主要特性为速度快，可靠性高，在开放性区域，通讯距离可达305 m，在封闭性区域，通讯距离为76～122 m，方便与现有的有线以太网络整合，组网成本更低。

2007年9月，深圳地铁采用思科统一无线解决方案，为地铁1号线列车的安全防护系统项目搭建无线宽带传输网络，使得列车无论在站台位置还是高速运行中，都可以在地面与列车之间实现清晰的数字视频流实时播放、控制中心对车厢内的情况观察、列车火灾报警信息实时上传等功能。它是国内首个成功部署Wi-Fi技术同时实现视频上下行传输的城市轨道交通无线通信项目，为利用Wi-Fi技术进行实时视频信息传输开创了先河。乘客可以在车厢内看到高品质、不间断的数字电视节目，并能够接收地铁公司天气情况、重要新闻、紧急疏散提示等消息。深圳地铁运营中心控制室人员可以通过大屏幕看到运行中每列车每节车厢内上传的实时视频图像及火灾报警等多种安防信息，同时列车司机也可以随时调用前方站台的图像，为安全行车提供更好的保障。

1.4 WiMAX

WiMAX（Worldwide Interoperability forMicrowave Access微波存取全球互通）是近年来出现的一种无线宽带接入技术。WiMAX采用多载波调制技术，能够提供高速数据业务，并且具有频谱资源利用率高，覆盖范围广（传输距离可达数十公里）等特点。

Wi-Fi是目前无线接入的主流标准，全面兼容现有Wi-Fi的WiMAX，对比于Wi-Fi的802.11X标准，WiMAX就是802.16x。与前者相比，WiMAX具有更远的传输距离、更宽的频段选择以及更高的接入速度等，预计在未来几年内将成为无线网络的一个主流标准。

二、TRainCom®系统

TRainCom®系统是专为地铁无线通信应用而设计的。虽然在建的中国城市轨道交通均是使用本地无线局域网（WLAN）的标准和技术，而且典型的CBTC是基于众所周知的802.11b标准。但人们有意或无意中忽略了WLAN的技术并不适用于高速移动状况下的无线通信。研究表明，WLAN带宽和切换时间都会在高速移动的状况下受到非常大的影响。

针对整合系统的解决思路，德国的得力风根公司是一家军用通讯技术科技公司，研制了TRainCom®（德国得力风根无线电通讯系统），它把信号和通信系统集成于一套系统之中，并且拥有进一步融入更多子系统功能的、成熟的无线通信产品。下面就其系统特点加以论述。

（1）16 Mb/s全双工无线电链路―频分双工。TRainCom®使用全双工数据传输模式保证列车上传与下传互相分开，上下行数据能同时传输而且不会互相干扰：同一时刻在每个方向都是16 Mb/s，在半双工模式下能达到32 Mb/s。协议开销占10%，是802.11g 40%的协议消耗的四分之一。

（2）完全基于IP―可以集成其他的子系统。所有基于IP的协议，可以直接与VoIP、IP摄像头、WLAN接入点连接。对于只提供串行接口的子系统，如RS232、RS422，这些串行数据流将被转换成IP数据包进行传输。如有需要，其他的接口类型也能够接入。

（3）全移动性―带宽独立于列车的运行速度。TRainCom®无线电系统的数据传输速率与列车的行驶速度无关，得力风根公司在上海磁悬浮列车（500 km/h）上服务的系统实际应用以及在地铁的实际测试已得到证明。WLAN技术在列车高速移动时数据传输速率会急剧衰弱，TRainCom®所使用的无线通信协议是该公司专门为高速移动的列车系统开发的，采用防止多普勒频移和扩散的特殊调制模式和多径接收机制，当无线电信号衰弱时，数据传输速率能始终保持全双工16 Mb/s。

（4）QoS―完全实现可配置的功能。普通的基于IP的网络都是尽力交付，所有数据共享网络容量，没有数据包的优先权。对车载互联网，PIDS之类典型的数据应用通常不会产生问题，但对于语音通话和视频等需要实时传输，对时延敏感的应用会产生QoS的问题。当网络容量有限的时候，更会产生竞争带宽引起的时延和数据丢失的现象，因此服务质量保证显得更为重要。

TRainCom®的QoS机制不但保证高优先级和实时业务的性能，在网络容量有限的情况下也能保证每种数据业务的最小带宽。鉴于列车控制的重要性，最高优先级始终为CBTC保留，视频和语音业务一般设为中优先级，乘客信息和车载互联网为低优先级。

（5）高可靠性。由于所有的基站工作在同一个频率，几乎没有切换时间。使用一个无线电信道能达到99.9%的可靠性，使用双信道可靠性更高，2个Rx链路时即使单个故障也不会造成数据服务供应中断，4个Rx链路时更能容许同时发生两处故障。同时在中心控制单元CRCU中使用冗余服务器，当一个服务器发生故障时能自动切换到另一个服务器继续工作，以此保证运营的稳定性。

（6）安全性强。TRainCom®基于Linux硬盘加密和防火墙，中心控制单元CRCU文件系统可以得到Linux专用dm加密的保护。在车辆上，专用的网关计算机作为记录状态的数据包筛选防火墙。可以提供包括星形电话PBX和web服务器功能的外部服务。另外，CRCU可以作为轨旁网络的记录状态的数据包筛选防火墙。另外，通过将唯一的标识号分配给所有组件，预防从无线电组件对无线电系统未经授权的访问或错误访问。只有分控制单元DRCU列出的这些组件才有权访问无线电系统以及互相通信。

（7）抗干扰性好。TRainCom®工作在5.8G频段，不会产生如2.4G的严重频带拥挤现象，也不会干扰轨旁GSM，WLAN系统。对于同频干扰，每个收发器均能够通过度量RSSI来监视其接收的信号质量，进而检测干扰。使用RSSI可知道列车系统位置操作员检测并定位射频干涉。

三、结束语

轨道交通无线通信担负着提高地铁运营效率、保障行车安全的重要使命。因此, 轨道交通无线通信系统应该确保高通信质量和全线场强覆盖。现代城市轨道交通的趋势，列车无线通信系统将会向着高带宽、多功能、智能化的方向发展。若有足够的带宽，整合通信和信号系统，并且智能化地分配其所占的带宽，该产品将会完全改变当下地铁市场信号和通信的格局。当下城市轨道交通的信号和通信系统都是相对独立的，地铁项目所需的投资就会很大，并且日后的维护费用也会增加。因此可以考虑将通信和信号整合到一套系统之中。

第一作者简介：姓名（叶志文）、出生年（1978年）、性别（男）、民族（汉）、籍贯（广东）、职称（工程师）、学位（学士）、研究方向（轨道交通机电设备）。

第二作者简介：姓名（戴淑怡）、出生年（1984年）、性别（女）、民族（汉）、籍贯（广东）、职称（助理工程师）、学位（学士）、研究方向（通信工程）。