城市轨道交通中的无线网络技术

城市轨道交通中的无线网络技术摘要：随着城市轨道交通的高速发展，地铁线路与日俱增，人们在地铁上的通信需求、地铁运营的生产指挥、列车运行的安全监控等产生了大量的通信需求。

关键词：无线网络技术；城轨信号系统；车地通信；应用1.地铁无线通信系统综述1.1公网通信公网通信主要是国内移动、联通、电信等服务商为地铁乘客、工作人员提供的公共通信网络，一般是在地铁站内布设无线基站，在地铁线路利用漏缆、天线等进行覆盖，为用户提供无线数据、语音通信服务；有些车站还建设了WiFi网络，乘客使用更加便捷。

这些设备一般由公共网络服务商进行建设、维护、管理。

1.2地铁专用无线通信系统现阶段我国地铁运营中使用的专用无线系统多采用TETRA（Terrestrial Trunked RAdio）数字集群系统，该系统主要负责在地铁运营生产、应急指挥工作中固定人员（调度员、值班员）与流动人员（司机、维修人员、列检人员等）之间相互的通话。

TETRA数字集群通信系统具有兼容性强、辐射范围广的应用优势。

从系统构成来看，它主要由移动台和网络基础设施组成。

在实际应用中，前者可分为车载移动台、固定移动台和便携式移动台，分别负责不同的工作内容；后者可分为三部分：交换控制系统、基站系统和调度台系统。

TETRA数字集群系统能够快速完成数据采集、数据整理、数据传输等工作，从而提高系统的运行效果。

1.3车地通信系统车地通信系统主要包括列车控制信息、列车运行数据、车厢内乘客视频信息、多媒体信息等的传递，其中CBTC(Communication Based Train Control System）信号控制系统是近年来飞速发展的新技术应用，随着通信技术特别是无线电技术飞速发展，CBTC系统日渐成熟并得以广泛应用。

轨旁设备与列车之间需要许多数据实时交换业务来实现列车自动驾驶、自动防护等功能，车地无线通信技术至少需达到列车高速行驶中快速切换漫游、带宽满足使用等要求。

新建地铁项目广泛采用基于IEEE802.11g的WLAN技术和TD-LTE+技术，同时也在积极研究实践新兴的wifi6和5G传输技术在城轨信号系统的应用。

1.4地铁无线通信系统覆盖地铁运营正在向高度自动化、智慧化发展，需要利用物联网技术将轨道交通各种设备设施、运营部门、运营人员紧密联系到一起，组成一个庞大的管理网络，整个地铁线路需要布设大量的无线通信设备，实现全域无线网络覆盖，以满足运营生产、乘客服务的的通信需求。

一方面，便捷完善的通信网络可以让乘客在乘坐地铁时进行通信，使用电子设备进行休闲娱乐。

另一方面，由于现在任何设备的运行都依赖于信息和数据，只有建立合理的无线通信网络才能维持地铁管理办法系统的良好运行。

合理铺设无线网络系统的首要要求是合理规划网络覆盖范围、信号模式、覆盖设备、设备安装模式等，尽可能地实现无死角的网络覆盖。

一般来说，无线覆盖一般包括地铁站台、站厅、设备区和隧道区间，覆盖设备有漏缆、定向天线、全向天线等，信号包括公网通信（4G、5G）、车地通信、智能网通信等不同信号模式。

2.WLAN技术和TD-LTE技术在地铁车地通信中的应用现状随着轨道交通网络越来越密集，智能运维的要求越来越高，防恐要求也有很大提高，信息技术的迅猛发展并在地铁领域广泛应用，车地通信系统在地铁运营中尤为突出。

车地通信系统中的数据通信子系统(DCS)能够为车地系统内各子系统及设备提供安全高效的数据通信服务。

DCS有线网络使用IEEE802.3通信协议，无线网络一般采用基于IEEE802.11g的WLAN技术或者TD-LTE技术提供安全的车地无线通信。

有的城市早期建设的地铁线路车地通信采用的是WLAN技术，有的新建线路车地通信使用TD-LTE技术。

目前，采用WLAN技术的线路有不同程度出现车地通信异常，造成列车在上线过程中不能正常建立CBTC驾驶模式、EB(紧急制动)等异常现象，且多为通信质量问题，但是现场排查设备硬件均工作正常；采用TD-LTE技术线路通信质量稳定，暂未发现类似异常现象。

车地通信故障即车载DCS设备与轨旁DCS设备连接中断，导致信号车载子系统部分功能失效并直接对正线运营造成影响。

具体影响包括：故障列车无法建立CBTC模式，需人工驾驶；ATS（Automatic Train Supervision列车自动监控）无法实现对故障列车的早晚点自动调整；ATS无法实现对故障列车的扣车、跳停等操作；故障列车到站后车门、站台门不能联动；故障列车无法进行自动折返（ATB Automatic Train Backing）；列车运行中发生故障将直接紧急制动（EB Emergency Braking）;故障列车前后信号机点灯；无法通过FTM（Factory Test Mode）工作站、ATS工作站及维护支持终端监控故障列车设备状态。

选择更优的车地通信技术方案对保证列车安全、稳定运行具有重要意义。

3.车地通信无线网络的技术应用3.1基于TD-LTE的无线传输技术LTE系统与漏缆相结合，具有无线覆盖均匀、带宽高的特点。

可提供统一的车地宽带无线网络，提供快速可靠的高带宽车地无线传输，承载信号系统、乘客信息系统PIS（Passenger Information System）、闭路电视监控系统CCTV （Closed Circuit Television）等数据业务，能够在高速运行状态下承载满足宽带、稳定性、服务质量保证和实时性要求的列控信息（双向）无线数据业务。

车载信号网络由遥控射频单元RRU（Remote Radio Unit)/轨旁天线和分组核心网EPC（Evolved Packet Core ）/轨旁天线组成。

LTE综合无线网络保持冗余结构，由红色网络和蓝色网络组成，满足信号系统的安全设计要求，并能保证单个网络故障不影响列车运行和信号系统稳定性。

TD-LTE技术能够适应地铁列车的高速运行环境，具有以下优点：（1）采用漏缆技术，实现统一无线覆盖，无需沿轨道铺设有源设备，降低维护难度；（2）车地无线数据传输采用专用频段，可避免商用无线网络设备的干扰；（3）可根据传输的业务类型设置优先级，以保证信号系统列车控制信息的优先传输；（4）可为PIS、CCTV、车辆状态信息等分配部分频段，节省车地无线网络建设投资。

因此，与WLAN技术相比，TD-LTE更适合城市轨道列车高速移动和复杂隧道环境的特点，但仍存在一个不足，即如果核心网络故障将导致全线车地通信故障，只能降级。

3.2 WiFi6和5G通信技术目前，正在探索WiFi6和5G新技术在城市轨道交通信号系统的应用。

这两种技术都可以提高传输速率，可以应用于自动驾驶线路以提高运行稳定性，也可以应用于智能维修领域，将列车运行数据实时传输到地面并进行实时分析。

WiFi6技术可以减少拥塞，最大传输速率为9.6Gbps,使用OFDMA（正交频分多址）技术，工作频带为2.4GHz和5GHz。

与5G技术相比，建设成本和实施难度都较低。

通过网络建设可以实现实时传输，传输速率也能满足使用要求。

目前，深圳地铁14、16号线和杭州地铁3号线已投入研究和应用。

新建地铁项目也在与国内信号系统设备制造商合作，开展了利用5G技术实现各种车地系统数据传输的研究。

通过实验，100m内的传输速率可高达1.7Gbit/s，一天的信号车载日志可在几秒钟内完成，车载视频到控制中心的传输可在三分钟内完成，有效解决了车载日志长时间人工下载的问题，大幅度降低设备损耗和劳动力消耗。

该技术的缺点是建设成本高，技术应用仍处于研究阶段，只能用于定点倾倒，只能在固定地点实现无线传输。

经过优化，有望解决车地视频数据转储和运行数据下载问题。

3.3基于802.11g的WLAN技术车地双向通信网络使用基于IEEE802.11g标准的WLAN技术，采用OFDM(正交频分复用技术)的调制解调方式,工作在2.4GHz频段，实行双网并行设计，包括A网和B网。

这两张网各自独立工作，分别由两套相同的硬件设备构成，有线传输信道和无线传输信道各自独立占用22MHz的信道带宽。

信号系统的相关安全信息和非安全信息能够同时通过A网和B网传输，传输数据速率最大为54Mbps(实际小包不小于1Mbps)。

为适应列车高速运行的需要，无线通信设备移动切换采用无缝切换，在列车行进速度不大于120km/h时，能够保证动态切换时间不超过50ms。

3.4同频干扰控制为了妥善解决这一问题，深圳交通管理处特地申请了一个专用频段。

新频段的使用必须要慎重，应该对其进行深入的研究分析。

从实际情况而言，专用频段使用的案例比较少，社会中的供应商数量有限，且后续的维护成本非常高，新频段申请的流程较为繁琐，还需要对地铁及通信信息频繁地进行测试，在测试合格以后才能够投入使用，这期间需要经历较长的周期。

相同站台更换乘车站，物理空间开放的程度比较高，可以直接在通信系统的频段内进行合理的细分，但是假若基于不同的线路，则可能会导致电缆泄露、干扰、电磁波外泄等问题出现。

扩频技术也可以有效地解决通信系统受干扰问题。

通信系统在发送通信信号时，频率的带宽必然会大于最小带宽，且信号发射端口还会对编码进行调制，促使接收端口可以接收到信号，简单而言就是针对于不同的通信系统编制不同的扩频编码，可以有效地避免干扰现象出现。

常用的扩频方法主要是有两种，即调频扩频与直序扩频。

本文对这两种扩频方法进行简单的介绍。

跳频扩频（FHSS），这种扩频方法是利用移频键控进行调制，促使频率实现跳频。

举例说明：CBTC通信系统中，跳频扩频会将频段划分为79个信号通道，每一个信号通道的带宽控制在1MHz，可以实现多个信号同时发送信号，但是为了确保信号接收端与发送端的信号通信顺序的合理性，两个端口应该使用相同的PN频码，跳频扩频之所以能够获得广泛的运用，主要是因为其自身具备强大的抗干扰能力。

由于适用于2.4 GHz频段的通信系统数量庞大，导致电磁环境越来越复杂，载波频率的序列种类不断的增多，可以有效地降低城市交通通信系统对其他通信信息的干扰性。

直序扩频（DSSS），这种扩频技术是借助扩频序列扩展发射端口的频谱，当通信信号经过发射端口的扩频处理以后，信号的频谱会被扩展，结合香农原理来看，由于信号的容量是稳定不变的，当带宽越宽时，那么系统的信噪比就会越低，这就意味着信号可以直接混合在噪声内，利用低信噪比完成信号输送，同时也不会对其他通信系统造成影响。

结论经过对目前采用较多的基于WLAN的车地通信技术和TD-LTE技术进行应用分析，根据实际应用效果发现采用基于TD-LTE技术的车地无线通信状态更加稳定，故障率更低。

LTE系统有效解决了传统WLAN技术场强覆盖不均匀、同频干扰等问题。

新一代通信技术5G和wifi6在城轨信号系统的应用具有一定前景，目前尚处于探索阶段，对未来改变数据传输模式、实现智能化运维具有十分重要的意义。