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轨道交通中无线通信技术的应用

发表时间：2020/8/11 来源：《基层建设》2020年第10期作者：顾颖

[导读] 摘要：近年来，随着我国城市化发展进程的加快，政府逐渐提高对轨道交通工程的建设力度，城市轨道交通渐渐成为公众主要的公共交通出行方式，其日均客流量、乘客密度和线路规模均出现较大幅度的增长。

        中铁上海设计院集团有限公司上海 200070
        摘要：近年来，随着我国城市化发展进程的加快，政府逐渐提高对轨道交通工程的建设力度，城市轨道交通渐渐成为公众主要的公共交通出行方式，其日均客流量、乘客密度和线路规模均出现较大幅度的增长。而无线通信技术是作为轨道交通各业务运行的关键所在，本文对该技术的应用情况开展以下探讨。
        关键词：轨道交通；无线通信技术
        一、无线通信技术的应用价值
        以我国上海市城市轨道交通体系发展现状为例，随着城市规模的不断扩大，为有效满足人民群众的交通出行需求、城市轨道交通体系逐渐呈现出网络化运维发展趋势，在这一模式下，轨道交通无线通信系统成为了地铁日常运营的神经系统，承担着列车运行控制、生产运营、企业管理、公众服务等众多业务功能，对无线通信技术的应用，是保障着地铁日常运营的正常开展的基础。
        此外，由于轨道交通车辆的行驶时速较高，传统轨道交通普遍面临着网络不稳定的问题，不但无法为乘客提供舒适的乘车体验，也存在一定的安全隐患。以我国北京市地铁一号线轨道交通系统为例，受多方面因素影响，16年8月出现信号故障、通信服务瘫痪问题，导致大量乘客在各处地铁站点内长时间停留。对无线通信技术的合理应用，将为轨道交通的运营效率与安全系数提供有力保障。
        二、应用在轨道交通业务中的无线通信技术
        1.LTE技术
        LTE（Long Term Evolution，长期演进）是3G系统的演进技术，以MIMO和OFDM技术的使用为代表，系统性能显著提高，包括系统吞吐量、系统时延、高速移动下的接入等，属于新一代无线宽带移动通讯技术。
        在轨道交通业务领域中，对LTE技术的应用，大幅提高了通信传输速率与频谱效率，既有效满足了轨道交通业务的无线高宽带业务需求，同时也具有极为优异的通信抗干扰性能，更为适用于城市轨道交通体系的复杂工作环境当中。目前来看，在我国轨道交通体系发展过程中，LTE技术是应用最为常见的一项无线通信技术，具有移动性能高、系统延迟率低、频段干扰系数小、中断处理复杂性低等诸多应用优势。
        2.TETRA技术
        TETRA是欧洲电信标准协会（ETSI）于1990年开始制定的数字无线电集群通讯标准，并在1997年5月更正为全球集群无线电系统（Terrestrial Trunk Radio System）。TETRA集群系统优势突出：频谱效率高，抗干扰能力强，易于加密，加密方式多。是一种具有“任务关键型”的窄带通信制式。
        3.WLAN技术
        WLAN（Wireless Local Area Network，无线局域网）是一种短距离无线通信技术，它将轨道交通系统中所配置的计算机等设备进行有效互联，从而构建起可实时共享资源与相互通信的网络体系。WLAN系统是基于IEEE802.11标准提供数据业务的网络，目前以802.11AC为主流制式，具备大带宽、频率资源丰富、无线场景使用广泛等特点，且多数城市轨道交通系统为部分无线频段提供相应的通信支持。与传统轨道交通通信系统相比，对WLAN技术的应用，将大幅提高通信传输速率。
        三、无线通信技术在轨道交通业务中的应用实例
        以我国上海市轨道交通为例，无线通信技术承载的具体业务与功能需求、无线通信技术应用可行性与新线组网方案如下。
        1.业务与功能需求
        上海轨道交通需要承载的业务类型如下：列车运行控制业务、列车紧急文本下发业务、车辆视频监控业务、集群调度业务、车辆状态信息业务、车辆乘客信息视频业务、办公及运营对讲、乘客无线数据接入业务等。这些业务可以分为两类：行车安全相关业务和非行车安全相关业务。

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上述业务有的为高可靠性需求，有的是大带宽需求；有的是关键业务，有的则是与运营非关联的增值业务，那么针对这些业务特性，目前主流的无线制式显然无法一家独大地全部包揽下来，所以需要针对各个无线制式的特点进行综合承载，才能完全满足目前上海轨道交通无线业务需求。
        其中，行车安全相关业务应优先安排承载于高可靠的、适应高速运动的、切换性能强的无线制式系统之上，而剩余的业务则可承载于带宽富裕、可靠性相对要求不高的无线制式系统上。
        2.技术应用可行性
        与行车密切相关的业务，优先考虑承载于高可靠性、移动切换性能佳的LTE制式系统上，该制式由3GPP不断派生演进，最初以移动运营商的无线接入为目标，内部架构始终以移动场景为核心进行设计，通过结构优化适配轨道交通应用场景，但其缺点在于频谱资源在政策层面管制分配较为有限，所以无法承载所有业务，因此应优先考虑承载“行车相关业务”。
        WLAN制式以有线IP局域网作为基础，派生出无线接入功能，以大带宽的快速访问和接入为目标，其无线接入协议也从原来802.11a，不断演进至b、g、n，至目前最新的802.11ac。在不断加大无线带宽接入能力的同时，也在不断优化其切换性能，从低速切换向高速切换演进，同时安全访问机制也在不断完善。但由于WLAN制式处于公共频段区，其安全性仍然有所不足，因此可以考虑承载“非行车相关业务”，以其数据IP大流量特性为主，首要满足大带宽、可靠连接不敏感的业务。
        TETRA制式特点在于成熟。虽然是一套窄带数字系统，但其可靠性已经在轨道交通行业中长期使用后得到验证，其唯一的问题在于其窄带特性，面对现在越来越丰富的车地无线数据业务，无法给予有效承载，但它对短数据和语音对讲的优质特性，依然可以为轨道交通日常办公、运营服务，所以可以承载办公及运营对讲业务。
        综上所述，轨道交通中行车关键业务可以承载于独立双网架构LTE制式，非关键业务承载于802.11ac/n的WLAN制式，同时办公及运营对讲业务承载于TETRA制式的综合数字无线承载网络平台。
        3.组网方案
        LTE系统主要由控制中心子系统（核心网子系统）、车站子系统、车载子系统组成。对于信号CBTC系统，需要能够保证其系统的冗余以及单点的故障不影响列车位置的定位。而对于行车调度业务尤其是对于线路上列车的司机调度可靠性，也需要在正线上保证单点故障的情况下，调度业务的正常运行。同时随着全自动驾驶和无人驾驶在上海轨道交通中的应用，LTE网络自身的稳定性、可靠性就显得更为重要。从上述需求角度来看，LTE系统在建设车地无线通信系统时，为增强系统的安全性，须采用A、B双网冗余设计，两张网络完全独立，并行工作，互不影响。
        TETRA系统一般由交换系统、无线覆盖系统和调度系统三部分组成。交换系统由节点服务器、网络管理服务器、数据服务器、电话互联网关等设备组成。无线覆盖系统有基站子系统和天馈分布系统组成。调度系统包括控制中心行车调度台、环控（防灾）调度台、维修调度台，车站固定台。
        上海轨道交通通过整合碎片化的无线局域网WLAN，形成了移动互联网一体化系统（MMIS），承担包括办公运营、企业管理和公众服务等的移动宽带业务。从网络层面，可将MMIS系统结构分为核心服务层、网络汇聚层以及无线接入层共计三层。其中核心服务层主要负责开展鉴权、接口管理、认证审计等工作，由AP控制器、核心交换机等设备构成。网络汇聚层负责将所接收AP数据实时向核心服务层进行上传，主要由交换机设备构成。无线接入层负责供应乘客接入轨道交通通信系统，主要由AP设备以及天线构成。
        结语：在当前轨道交通体系发展背景下，必须深入了解无线通信技术在轨道交通业务领域中的应用特性、主要应用方向以及各项无线通信技术的应用可行性，制定合理的技术应用与轨道交通移动互联网建设方案，为轨道交通业务的发展提供良好基础。
        参考文献：
        [1]熊珂.浅谈无线通信技术在城市轨道交通通信业务中的应用[J].数字技术与应用，2019，37（10）.
        [2]许红珍.无线通信技术在轨道交通通信与信号业务中的应用[J].中国新通信，2019，21（15）.
        [3]周智勇.无线通信技术在城市轨道交通中的应用[J].通讯世界，2015（01）.