轨道交通通信传输技术的发展分析

周鸿

[摘 要]目前，国内的城市轨道交通建设处于迅猛发展时期，各大城市相继开展线路施工建设。随着越来越多的城市轨道交通建设规划获批，带来更大规模的轨道交通建设工作。在通信信号领域，随着无线电技术飞速发展后，各厂商开始孜孜不倦地研发一种基于无线通信的列车自动控制系统。针对轨道交通通信、信号业务需求特点，在技术和可用性层面上对LTE技术、WLAN技术进行了描述及分析，使轨道交通通信、信号系统中车地无线系统的建设规划更为合理，高效。

[关键词]无线通信技术；轨道交通；通信

中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）25-0150-01

1 引言

随着轨道交通的快速发展，建立安全可靠、高效稳定的车地无线通信系统是提高运营效率、管理质量、用户体验的必要手段。地面与高速行驶车辆（时速80km/h）之间的数据传输通道需要在高速移动的状态下，具备优秀的快速接入性、实时传输性、带宽调整性和抗干扰性等特点。本文结合轨道交通通信、信号业务需求和车地无线的技术特点，分析不同无线技术在轨道交通通信、信号车地无线承载业务中的适用范围。

2 在轨道交通使用环境下无线通信技术分析

目前，应用于轨道交通通信、信号的主流无线通信技术有基于802.11ac的WLAN及LTE两种，代表着未来的发展方向和趋势。以下将结合轨道交通的实际应用情况对两种技术进行介绍。

2.1 基于802.11ac的WLAN技术介绍

IEEE802.11ac，是 一 个802.11无 线 局 域 网（WLAN）通信标准。WLAN标准从1997年第一代颁布以来，经历了802.11、802.11b、802.11g/a、802.11n、802.11ac的发展过程。结合轨道交通的环境特性，其主要技术特性如下：

（1） 在轨道交通领域，系统可支持2.4GHz/5.1GHz/5.8GHz无线频段，具备更多的选择，且工作在ISM频段（公用频率），对于频率使用只需要进行报备，无需专项申请；

（2）WLAN技术网络架构基于数据链路层，系统开销小，采用最高至256-QAM的调整方式，理论上在160MHz的无线频率资源，静止状态可提供不小于1Gbit/s的传输速率。实际轨道交通环境列车运动状态下的平均传输速率300Mbit/s；频普转换率接近到1：1：85，业务的带宽支持能力强。

（3）网络架构采用双向非对称设计、上、下行采用统一正交频分复用（OFDM）技术，但系统采用竞争接入模式，业务的接入无法有效实现保障性的带宽控制，多业务的QOS保障存在局限性，同时也无法实现针对业务进行上下、下行数据的按需灵活配置；整体的业务保障性能力一般。

2.2 TD-LTE技术介绍

LTE是由3GPP组织制定的通用移动通信系统技术标准的长期演进。LTE系统引入了OFDM和MIMO等关键技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率，在20MHz频谱带宽，2×2MIMO天线的模式下，理论下行最大传输速率为201Mbit/s，但根据实际组网以及终端能力限制，一般认为下行峰值速率为100Mbit/s，上行为50Mbit/s。目前LTE技术逐步应用在轨道交通行业，通过1.8GHz频带进行通信。结合轨道交通的环境特性，其主要技术特性如下：

（1）在轨道交通领域，系统仅支持1.8GHz专用频率，选择较为单一。使用1.8GHz频率时需要进行专项申请，一般在合法的情况下能够争取到10MHz的频率带宽。系统频率使用限制大，但专用频率不易受到干扰，可靠性非常高。

（2）TD-LTE技术网络架构基于网络层，系统开销相对较大，采用64-QAM调整方式下静止状态下频谱转化率可达到1：5，运动状态下利用率接近1：1：5，采用10MHz的无线频率资源，静止状态可提供不小于50Mbit/s的传输速率，运动状态下的边缘有效传输带宽可达15Mbit/s。

（3）网络架构采用双向非对称设计，上行采用单载波频分多址（SC-FDMA），下行采用正交频分多址（OFDMA）。LTE总共7种上下行子帧配比，业务的需求配合非常灵活。

（4）系统采用TDD（时分双工）方式，同时引入同步时钟系统，能够在有效划分业务的同时，确保各业务的QOS。业务保障性能力强。

3 对轨道交通信号、通信各业务承载采用无线技术的建议

（1）对于轨道交通各项需求级别最高，带宽需求一般的列车控制信号业务，采用独立车地无线网络建设，采用在1.8GHz特殊频率下工作的LTE技术。通过A/B双网的组网方式，形成冗余配置，建设思路如下：

a.控制中心配置单核心EPC热备模式或独立双EPC核心网设备，确保整体系统的管理安全。

b.车站配置两套以太网交换机及对应的BBU设备用于信号处理。

c.区间轨旁独立铺设一根泄露电缆，同时与800MHz专用调度TETRA系统泄漏电缆合路，组成冗余的无线覆盖介质，同时结合漏缆布置原则和RRU覆盖范围，设置若干RRU用于无线信号的覆盖。

d.车载设备CPE车头、车尾按照信号厂商的情况，分别配置主、备一套或两套无线终端设备，实现车载部分的冗余配置。

（2）对于轨道交通各项需求级别一般，带宽需求较大的业务如：车载视频监控、视频广告、运营信息、辆状态信息等，利于建设成本考虑，建议采用车地无线网络综合承载的建设模式，采用在5.8GHz频率下工作的WLAN（802.11ac）技术。通过单网的组网方式，建设思路如下：

a.控制中心配置单核心设备，关键模块（管理、电源）热备模式，确保整体系统的管理安全。

b.车站配置单台太网交换机关键模块（管理、电源）热备模式，用于无线覆盖设备的接入。

c.采用5GHz或5.8GHz无线频段，根据频率报备和业务带宽需求情况，采用40MHz、80MHz或160MHz组网；在40MHz的模式下可转换平均75Mbit/s的传输带宽，在80MHz的模式下可转换平均150Mbit/s的传输带宽，在160MHz的模式下可转换平均300Mbit/s的传输带宽，完全满足车载视频监控、视频广告、运营信息、辆状态信息等业务传输带宽不小于65Mbit/s的需求，同时进行了带宽预留。

4 结束语

目前，各地轨道交通建设蓬勃发展，而车地无线系统作为地铁运用部门便民服务及保障安全的一个关键环节得到极大的重视。本文针对现有轨道交通信号、通信中重要业务特性和主流无线技术体系进行了分析，并结合实际的无线频率使用情况，将业务和无线技术进行了合理的配对，使车地无线系统整体的规划更为切合实际，同时也为轨道交通业务后期的发展预留了想象的空间。

参考文献：

[1]黄辉.基于TDD-LTE技术的城市轨道交通车地无线通信网络化技术[J].城市轨道交通研究，2016，04：29-33.

[2]文豪.浅谈轨道交通信号系统无线传输应用[J]. 科技创新导报，2016，05：10-11.