軌道交通車地無線通信技術研討

甘玉璽肖健華金志虎楊寶國何玉軍吳少勇楊 瑾康仙慧

（1.中興通訊股份有限公司，518057，深圳；2.深圳市芽莊電子有限公司，518104，深圳∥第一作者，高級工程師）

軌道交通車地無線通信技術研討

甘玉璽1肖健華1金志虎2楊寶國1何玉軍1吳少勇1楊 瑾1康仙慧1

（1.中興通訊股份有限公司，518057，深圳；2.深圳市芽莊電子有限公司，518104，深圳∥第一作者，高級工程師）

對WLAN（無線局域網）、GoTa、LTE和LTEGoTa等四種無線通信技術在城市軌道交通車地無線通信中的應用特點進行了分析比較，認為LTE-GoTa具有電信級可靠性、高帶寬和強抗干擾能力，無線頻點獨占、運營級的技術，提供無線集群功能，以及下行40 Mbit/s，上行100 Mbit/s等傳輸速率的無線寬帶，可能是未來10年最佳的車地無線通信技術。

城市軌道交通；車地無線通信；無線局域網；LTE-GoTa

First-author's address ZTE，518057，Shenzhen，China

2012年11月期間，某地鐵公司多趟列車因信號系統自動防護功能作用而產生緊急制動，列車再次起動后只能維持低速運行。為避免對后續正常列車運行造成影響，運營控制中心將部分列車退出服務。初步判斷造成此事件的原因是控制列車運行的信號系統受到來自外界不明因素的干擾，導致系統自動產生安全保護。

目前城市軌道交通基本上采用無線局域網（WLAN）技術承載基于通信的列車控制（CBTC）和乘客信息系統（PIS）。信號系統是關系行車安全和提高運行效率的系統，PIS影響乘車環境的舒適度。CBTC信號系統和PIS采用何種車地通信方式和措施來避免干擾，以保證車地通信的可靠性、安全性、實時性、抗干擾、高帶寬和電信級的運營等，是城市軌道交通建設必須研究的重要問題。

目前車地無線通信業務的帶寬需求為：CBTC信號系統帶寬需求為110 kbit/s，PIS的下行帶寬需求為10 Mbit/s級別，針對車載監控業務的上行帶寬需求為5.25～8 Mbit/s。

1 WLAN

IEEE 802.11又稱為無線局域網標準。在無線網絡中，偵測碰撞十分不容易，因為是利用CSMA/ CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）存取模式來傳輸。

在CSMA/CA的載波感應模式中，發送端會先偵測環境，假如頻道中沒有其他信號傳送時，發送端會先等待一段隨機時間，之后如果還沒有偵測到任何信號傳送，發送端就會將封包傳送出去。如果一開始就偵測到已經有信號使用了這個頻道，發送端就等頻道凈空，再等待一個隨機的后退時間，然后重新進入頻道競爭模式，此時遍歷過后退的發送端在該模式下會自動提高其使用頻道的優先權。該架構可避免有些發送端一直無法取得頻道的使用權而無法傳送數據。

WLAN定位在網絡的接入層。1997年，IEEE 802.11標準定義了單一的MAC層和多樣的物理層，先后推出IEEE 802.11a/b/g/n標準。目前，在城市軌道交通試驗性應用或做過測試的基本上是基于IEEE 802.11系列標準的技術。表1為IEEE 802.11a/b/g/n標準的比較。由表1可知，2.4 GHz比5 GHz更低的頻率意味著更大的覆蓋范圍；802.11g比802.11a的覆蓋范圍更大，理論上覆蓋范圍可增大50%。此外，2.4 GHz的穿透性更好：在室內，2.4 GHz產品對墻的穿透性優于5 GHz。本文僅介紹在城市軌道交通中常用的WLAN技術。

表1 WLAN幾種標準比較

1.1 IEEE 802.11b標準

IEEE 802.11b可以支持最高11 Mbit/s的數據傳輸速率，繼承了802.11的無線信號頻率標準，采用2.4 GHz直接序列擴頻。

802.11 b的工作頻段為2 400～2 483.5 MHz，工作頻率帶寬為83.5 MHz，劃分為14個子頻道。每個子頻道帶寬為22 MHz。子頻道分配如圖1所示。

圖1 IEEE 802.11b子頻道分配圖

在多個頻道同時工作的情況下，為保證頻道之間不相互干擾，要求兩個頻道的中心頻率間隔不能低于25 MHz。因而，在一個蜂窩區，內直序擴頻技術最多可提供3個不重疊的頻道同時工作，提供高達33 Mbit/s的吞吐量。例如可用1、6、11三個信道。

802.11 b的優點是成本低，搶占免費使用，信號輻射較好，不容易被阻隔；缺點是帶寬速率較低，信號容易受到信道干擾（鄰道干擾、同道干擾），系統容量小。

由于使用了第一搶占即享用的2.4 GHz頻點，其信號很容易被微波爐、無繩電話或其他電器設備發出的信號所干擾。因此，使用802.11b設備時，根據表1中802.11b傳輸距離只有300 m及圖1的子頻道分配，應使802.11b設備與其他設備保持300 m以上的距離并選用不同的子頻道，以解決干擾問題。

1.2 IEEE 802.11g標準

IEEE 802.11g標準采用了OFDM技術，數據傳輸速率可達54 Mbit/s。802.11g結合了802.11a/b兩者的優點，既能適應傳統的802.11b標準，在2.4 GHz頻率下提供11 Mbit/s數據傳輸率，又符合802.11a標準，在5 GHz頻率下提供56 Mbit/s數據傳輸率。

802.11 g的優點是具備較高的網絡速率，信號質量好，不容易被阻隔；缺點是成本比802.11b高，受2.4 G設備干擾較大。我國許多城市如北京、上海、廣州等地的地鐵車地無線通信多采用此種制式，也有部分地鐵采用5.8 G收費頻段的802.11a。

1.3 IEEE 802.11n標準

IEEE 802.11n采用智能天線技術，將MIMO（多入多出）與OFDM技術相結合，提高了無線傳輸質量，使傳輸速率得到極大提升。其傳輸速率增加至108 Mbit/s以上，最高可達320 Mbit/s。另外，802.11n采用了一種軟件無線電技術，它是一個完全可編程的硬件平臺，不同系統的基站和終端都可以通過這一平臺的不同軟件實現互通和兼容，使得WLAN的兼容性得到極大改善，不但能實現802.11n向前后兼容，且可以實現WLAN與無線廣域網絡（如3G）的結合。

1.4 總結

WLAN技術具有可移動性、免費低廉和易于部署的優點，隨著技術的發展，其在滿足城市軌道交通傳輸帶寬要求方面不是問題。但是，WLAN沒有考慮高速移動環境的需求，當列車速度超過80 km/h時，其移動性則明顯不足，乘客信息系統畫面會出現馬賽克，因此，WLAN不能滿足城市軌道交通列車的快速移動性需求。

2 GoTa

GoTa（Global Open Trunking Architecture）是中國完全擁有自主知識產權、基于CDMA技術的專業數字集群通信系統，已成為國際標準。它具備快速接續、完全信道共享、單載扇下單組成員不受限等特性，完全滿足用戶對集群調度指揮專業性的需求。GoTa還可以提供短信、無線寬帶、定位等豐富的移動通信業務，將個人移動通信和專業集群調度有機結合在一起，順應數字化信息時代客戶對多種多樣通信手段的需求。

GoTa數字集群通信系統語音清晰、綠色環保、安全保密、管理方便，可滿足企業集團、政府部門日常工作的集群指揮調度需求，有效提高生產、運營、工作和管理效率。GoTa系統具有如下特點：

（1）手機對講，完美融合：專業集群通信與移動電話整合，配合豐富多彩的數據、短信、定位等業務，順應客戶對通信手段多樣化要求的趨勢；

（2）一按即通，一呼百應：接續時間快，滿足用戶快速便捷溝通的通信需求，單站單群組下成員數量不受限制，真正實現一呼百應；

（3）專業調度，功能完備：提供豐富完備的集群調度功能，完全滿足客戶對調度的專業需求；

（4）通話清晰，安全保密：基于CDMA技術，抗干擾能力強，保密性高，可確保用戶尤其是集團用戶的使用安全；

（5）技術成熟，價格適中：基于成熟第三代無線通信技術CDMA 2000等主流技術，從2 G的CDMA平滑3 G，因此有效降低資產投入和運營成本，最大限度地保護運營商和用戶的投資；

（6）LTE 4G網絡平滑演進之路---SDR軟基站。

GoTa與TETRA的比較見表2。

表2 GoTa與TETRA比較

由于GoTa的頻點需向無線電委員會申請，不會被占用，故可獲得大規模電信級應用，完全滿足集群功能和CBTC信號在移動情況下需要的110 kbit/s無線帶寬。但是，Gota不能滿足移動情況時PIS需要的10 Mbit/s級帶寬。

3 LTE

TD-LTE（Time Division-Long Term Evolution，長期演進）網絡可以實現上下行各近50 Mbit/ s的均衡速率，提供更高速、更豐富的業務體驗，滿足高清視頻監控、高清即攝即傳等業務需要［1］。

TD-LTE應用于鐵路通信的技術優勢包括：

（1）4 G技術：強大的產業鏈支持，發展空間巨大，無線性能優異，支持面向未來新技術平滑演進；

（2）頻譜豐富：支持2.3/2.6/3.5 GHz及特殊頻段，頻譜資源豐富，TDD（時分雙工）頻段成本低廉，易獲得政府審批通過；

（3）業務領先：高數據傳輸速率，適合承載高速數據業務，上下行速率可調，易于開展各種新業務；

（4）支持上行30 Mbit/s和下行100 Mbit/s，或者上下行各近50 Mbit/s的傳輸速率，覆蓋廣，可實現向LTE-A的平滑演進，保障回傳網的低成本建網和運營。

4 LTE-GoTa

隨著以LTE為代表的4 G技術的成熟，基于LTE的集群技術的演進路線逐步成熟。

（1）用戶對集群調度的精確性、方便性的需求不斷增加：聽得見→聽得見+查得到→聽得見+看得清+查得到。

（2）通過技術和平臺能力提升達到：語音調度→語音調度+數據業務→多媒體調度+多媒體寬帶業務。

組建基于LTE的GoTa 4 G集群系統有三種方案，如圖2所示。

圖2 基于LTE的GoTa 4G集群系統總體架構

方案1：對于現有LTE網絡，只需升級eUTRAN，新增GoTa DSS子系統，即可提供基于LTE的GoTa集群功能。

方案2：對于現有CDMA GoTa網絡，支持向LTE GoTa系統的平滑演進，通過增加BBU基帶單元BPL和LTE RRU，升級Go Ta DSS子系統，即可提供LTE集群業務。

方案3：LTE eUTRAN和EPC不變，單獨增加演進的GoTa DSS子系統，LTE集群業務獨立于LTE EPC，實現公網業務和集群業務的隔離。

GoTa 4G系統在軌道交通集群系統和車地無線通信的特點為：

（1）先進技術：主流LTE技術，建設成本低，節省資產投入，繼承豐富成熟的4G業務，支持更高的無線寬帶，提供更高的安全性和保密性。

（2）集群業務和4G業務結合，繼承GoTa所有專業功能，滿足對4G寬帶業務的需求，滿足集群和寬帶數據業務融合。

（3）平滑演進：保證向下一代平滑演進，升級成本低，最大限度的保護運營商和用戶的投資。

（4）增強集群性能指標：視頻群呼每成員最大數據帶寬達384 kbit/s，系統同時支持20個128 kbit/s或8個384 kbit/s視頻組呼數（10M小區），調度臺支持無線方式調度，車載臺支持的行車速度為350 km/h，支持LTE空口加密和端到端加密。

基于LTE為代表的4G技術的Go Ta集群系統，一套通信系統既充當了專用通信系統的無線系統，又滿足了車地語音通信、CBTC信號系統數據和視頻監控的無線寬帶傳輸，節約了投資，也避免了民用WLAN等2.4 GHz或5.8 GHz公用頻段的信號干擾問題。

目前，鄭州地鐵正在實施LTE作為PIS的車地無線通信系統。重慶無線電委員會已批準重慶地鐵的LTE車地無線通信測試。

在Wi-Fi干擾影響地鐵列車運行倍受廣泛關注的今天，LTE-Go Ta較好地解決了安全和干擾問題，具有增強集群性能；在列車以80 km/h以上速度運行的情況下，可提供CBTC需要的110 kbit/s無線帶寬，并為PIS提供大于10 Mbit/s的帶寬。因此，LTE-GoTa可能是未來10年最佳的車地無線通信技術。

［1］ 柏燕民.中興通訊率先完成TD-LTE上行64QAM測試［EB/OL］.（2013-02-07）［2013-02-11］.http：∥www.zte.com.cn/cn/ press_center/news/201302/t20130207_386535.html

［2］ 趙麟杰，王志麟，鄭國莘.車地無線局域網可靠通信的研究［J］.城市軌道交通研究，2012（1）：45.

On Train Wayside Wireless Communication Technology in Urban Rail Transit

Gan Yuxi，Xiao Jianhua，Jin Zhihu，Yang Baoguo，He Yujun，Wu Shaoyong，Yang Jin，Kang Xianhui

The communication system that providesrailway transmission for signal system demands anti-interference，stability，high bandwidth and high reliability，to ensure traffic safely and improve rail transport capacity.Four kinds of wireless communication technology，such as WLAN，GoTa，LTE and LTEGoTa Trunking System are compared，among them LTEGoTa can provide with carrierclass reliability，high bandwidth and strong anti-interference ability，its frequency point has deployed exclusively with telecom technology，providing wireless trunking with 40 Mbit/s downlink and 100 Mbit/s uplink wireless broadband，so it might become the best selection of wireless communication technology between train and wayside in the coming ten years.

urban rail transit；wireless communication between trains and land；WLAN；LTE-GoTa

U 231.7

2013-02-02）