地铁信号、PIS、CCTV、公众WIFI网络融合的探讨

地铁信号、PIS、CCTV、公众WIFI网络融合的探讨
作者：赵红田昊陈新
来源：《现代城市轨道交通》2019年第05期
摘要：无线通信是地铁多种系统信息交互的重要手段和方法，地铁中能用到无线通信网络的系统有信号、PIS、CCTV、公众 WIFI，为满足在数据安全、延迟时间、传输模式、无缝性、可靠性和可用性方面多种不同的通信需求，文章重点探讨以上系统的网络融合方案。

关键词：地铁;无线通信;网络融合;PIS;CCTV;WIFI
中图分类号：U285.2
0 引言
目前，轨道交通行业对无线通信的需求越来越高，其中地铁行业中信号系统、乘客信息系统（PIS）、车载视频监视系统（CCTV）、公众WIFI都基于无线通信网络进行传输。

这些系統常见的承载方式有无线局域网（WLAN）、LTE、超高速无线通信（EUHT）3种，而WLAN、LTE更多的用于信号车地无线传输系统中，还可同时承载PIS、CCTV的车地通信业务，提供满足地铁运营中的列车控制、乘客资讯、列车视频监视等多种需求。

由于网络融合可在单一网络上使用多种通信模式，以实现在其各自独立的基础设施上所不具备的便利性和灵活性，因此文章针对无线通信的常用传输承载方式进行分析说明，并对地铁无线通信网络应用融合进行探讨。

1 地铁无线通信网络简介
1.1 无线局域网WLAN
WLAN是基于IEEE802.11系列的无线通信系统，WLAN初期是作为有线局域网的延伸，逐渐发展为“公共无线局域网”来满足用户对数据及图像通信的需求。

现以PIS车地通信带宽需求为例，表1是满足PIS车地通信带宽需求常用的802.11系列中4个标准的主要技术参数比较。

802.11a使用了5.8 GHz的频谱，与802.11g不可兼容。

使用的5.8 GHz频谱干扰较少，可提供更多的非重叠频道，传输速度较高，但由于技术复杂，且频谱资源需要申请，使用并不普及。

技术特点分析：WLAN技术在带宽上可满足需求，但是在列车快速移动时，系统需要较大的控制信息开销以克服因快速移动带来的频移、衰落等，有效带宽较低，在电磁环境较为复杂的地面/高架线路易受干扰，实际效率会降低。

例如，WLAN公共频段用于信号CBTC系统车地通信时也出现由于干扰导致车地无线丢失的问题，同时WLAN在高速移动性和切换能力的先天劣势明显。

1.2 LTE
LTE 是基于正交频分复用多址接入（OFDMA）的先进无线通信技术，LTE技术有效避开了2.4 GHz公用频段，此标准可有效保证车地无线传输系统的数据安全性。

LTE技术的承载频点在1.8 GHz频段，此频段带宽为20 MHz，为交通、电力、石油等行业使用频段。

LTE 技术在设计时充分考虑了高吞吐率的需求，能有效提高数据速率、频谱效率和抗干扰性，在技术要求20 MHz（1 785～1 805 MHz）带宽组网的情况下，峰值速率可实现下行 100 Mbit/s、上行 50 Mbit/s的要求。

同时，由于技术层面采用扁平化架构，大大降低了控制和用户平面产生的延时。

1.3 超高速无线通信系统EUHT
EUHT技术作为国内完全自主研发的无线通信系统，突破了“移动宽带一体化”的技术瓶颈，具备更强大的功能，此系统容量高、切换成功率高，同时高速移动适应性更好，数据传输带宽更大，网络漫游切换性能更稳定。

EUHT技术目前在部分高铁线路上进行了试验，实现了列车在250～360 km/h移动场景情况下的方便可靠使用，它的工作频段为5.8 GHz，带宽为40 MHz（支持80 MHz），系统平均可实现时延4.2 ms（上下行平均），带宽需求满足30路车厢视频回传，同时为乘客上网预留条件。

1.4 公众WIFI
地铁WIFI的建设充分考虑了乘客的体验性，可考虑通过商用通信3G/4G转换WIFI方式建设，也可以由地铁公司自行建设，表2为不同建设方式的对比。

2 融合方案对比
基于无线网络应用融合的要求，将信号、PIS、CCTV、公众WIFI的无线网络进行融合，使用综合承载，考虑以下2种方案。

2.1 PIS/CCTV和公众WIFI的双网融合
本方案为信号CBTC系统单独组网，采用WLAN或EUHT的方案实现PIS及CCTV与公众WIFI的双网融合。

此种方案的优点是避免干扰信号系统，CBTC系统无线通信采用LTE方案。

WLAN与EUHT在双网融合模式下的技术关键点如表3所示。

PIS及CCTV和公众WIFI双网融合采用WLAN 802.11ac标准或EUHT的5.8 GHz频段可以轻松实现高性能无线访问接入点（AP）、乘客高速上网、PIS和高清监控视频的需求。

该系统需要同时服务于PIS系统、CCTV系统与乘客WIFI上网系统，由于共享无线数据通道和带宽资源，需要对系统进行安全隔离并分配好各业务的带宽以满足3个系统同时运作的需求，可通过限定每个服务集标识（SSID）带宽和每个用户的带宽、限定车厢内每个AP热点的最大带宽，采用QoS分级控制，可避免WIFI热点业务对PIS和CCTV业务的干扰，有效保证PIS和CCTV业务带宽需求。

本方案共用1套设备，投资成本较低，运营阶段的管理模式较复杂。

现以天津地铁为例，分析通信及信号专业区间无线设备对车地无线通信的需求，如表4所示。

车载PIS系统由控制中心向列车下行发送1路标清视频信息，带宽约6 Mbps;车载CCTV 系统设计为两端司机室3个摄像头，每客室4个摄像头，目前考虑每列车上传2路标清图像至控制中心，2路图像共占4 Mbps带宽/列车。

从列表中可以体现出地铁业务对车地无线通信的高要求。

综上所述，考虑到频率资源及车地之间不断增长的带宽需求，为了满足PIS和车载CCTV 车地双向数据通信以及应急情况下的图像使用与存储、行车观察和乘客上网的需要，PIS及CCTV与公众WIFI的双网融合方案暂推荐采用EUHT。

2.2 信号、PIS/CCTV、公众WIFI三网融合方案
本方案是将信号的CBTC系统、PIS/CCTV、公众WIFI进行三网融合，采用LTE或EUHT方案实现。

LTE与EUHT在三网融合模式下的技术关键点如表5所示。

在近期国内建设的25条地铁中，共有14条线采用了LTE作为PIS和CCTV车地数据传输方案，有11条线选择了PIS、CCTV及信号系统综合承载，但融合公众WIFI尚未有工程实施案例。

EUHT技术作为一种新型互联网宽带通信技术，目前只在广州地铁承载了车地无线PIS及CCTV业务，对信号和公众WIFI尚未有工程实施案例。

现以南京地铁宁高二期为例，LTE为信号CBTC系统业务提供所需的车地数据通信通道，同时LTE系统还承载PIS、CCTV等业务，CBTC的交换机与LTE系统A、B网核心路由器设备通过标准的100/1 000 Mbps以太网接口互联，通过专用无线通信系统漏缆和天线来传递点对点的以太网信息数据，信号系统对LTE系统承载CBTC车地业务的技术要求及主要技术参数
说明如下：
（1）列车控制业务要求LTE系統的可用性不低于99.99%;
（2）列车控制业务要求列车运行速度200 km/h时，能够满足性能要求;
（3）列车控制业务要求通信系统单路单向传输时延不超过150 ms的概率不小于98%，不超过2 s的概率不小于99.92%;
（4）列车控制业务要求丢包率不超过1%，通信中断时间不超过2 s的概率不小于99.99%;
综上所述，PIS及CCTV与信号的CBTC系统三网融合方案暂推荐采用LTE。

3 结束语
稳定的融合网络具有良好的灵活性和可靠性并有助于节省成本，文章通过对无线通信的常用传输承载方式进行分析说明，对比分析了PIS/CCTV和公众WIFI的双网融合，以及信号、PIS/CCTV、公众WIFI三网融合方案，为今后地铁建设中进行无线网络融合提供参考和借鉴。

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收稿日期 2019-02-14
责任编辑胡姬。