未來大軌道交通通信系統研究

李鵬

摘 要 通過描述各軌道交通通信系統的現狀，分析目前不同軌道交通方式的通信網絡存在的問題，同時通過分析軌道交通通信業務的異同點，提出未來大軌道交通領域通信系統融合的觀點及相關探討。

關鍵詞 軌道交通；CBTC；通信融合

中圖分類號：U285 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）03-0006-02

21世紀以來，隨著科學技術的不斷進步，中國的軌道交通也發生了翻天覆地的變化，不僅高速鐵路在大鐵上從無到有，城市軌道交通中的通車里程和技術水平上也發生了巨大的變化，而通信與軌道交通這兩種看似“不相關”的系統結合的越來越緊密。

1 國內軌道交通的發展現狀

由于城市軌道交通和國家鐵路的車輛的形態、運輸組織以及配套設施大致相同，因此在廣義上，兩者均屬于大軌道交通的范圍。

1）在城市軌道交通領域，自1863年世界上第一條地下鐵路在倫敦正式運營之后，城市軌道交通系統得到了全球均得到了較快的發展，城市軌道交通己成為世界各主要特大城市倍受青睞的一種交通方式。在中國，截止2013年底，我國軌道交通運營線路累計已達到80條，運營總里程已突破2400千米，涉及運營車站達到1600座。同時，我國近期已獲得國家批準建設軌道交通的城市已達到37個，高居世界第一，據預測我國城市軌道交通的建設熱潮至少持續10年以上。

2）而在國家鐵路（大鐵）領域，自2004年中長期鐵路網規劃發布后，中國開始進入高速鐵路的大規模建設時期。截至2013年底，全國鐵路營業里程達10.3萬千米，其中高鐵運營里程1.1萬千米，居世界第一位。根據中國鐵路總公司近期調整后的《中長期鐵路網規劃》，預計到2015年，中國高速鐵路運營里程將達到1.9萬千米；到2020年，中國鐵路營業里程將達到12萬千米以上，快速客運網基本覆蓋中國各省省會及50萬以上人口城市。

2 基于通信的列車控制系統（CBTC系統）

隨著現代軌道交通的運輸效率越來越高，要求前后兩列列車的行車間隔也越來越短，這勢必需要專門的鐵路行車指揮或列車控制系統來代替人工來指揮列車運行。以地鐵為例，傳統行車指揮系統一般采用基于軌道電路的固定閉塞形式，其能夠支持的最小列車運行間隔一般為100秒，而如果采用基于無線通信的列車控制系統，能夠支持的最小列車間隙則能夠達到75秒，相當于運輸效率能夠再提高25%。此外，基于CBTC信號系統相對于傳統的軌道交通信號系統也有著其他顯著優勢，包括：

1）無需繁雜的電纜，轉而以無線通信系統代替，減少電纜鋪設及維護成本。

2）車輛與控制中心可實現雙向通信，大幅度提高了列車區間通過能力。

3）信息傳輸流量大、效率高、速度快，容易實現移動自動閉塞系統。

4）適應各種車型、不同車速、不同運量、不同牽引方式的列車，兼容性強。

5）支持信息分類傳輸，可以集中發送和處理，提高調度效率。

可以看出，在軌道交通中，無線通信系統已不再是僅僅承擔傳統的語音功能，而是還要承擔更加重要的列車控制數據的傳輸通道功能。目前在大鐵領域，CBTC系統已經有了比較成熟的基于GSM-R網絡的CTCS-3列控系統，而在城市軌道交通領域，也已經開始了基于WiFi的列車控制系統的嘗試。因此，從支撐列車高效和安全運行的角度來說，通信系統對于軌道交通有了更加重要的作用和意義。

3 目前CBTC系統存在的問題

雖然CBTC系統能夠大幅提高列車的運行效率，但是在實際運用過程中現有的CBTC系統還是存在比較大的問題。

1）頻率受限。在大鐵領域，由于歷史原因，分配的GSM-R帶寬僅有4M，可用頻點也僅有19個，因此在進行頻率規劃時非常困難；而在城市軌道交通領域，沒有專門給CBTC系統分配專屬頻譜，而是與民用WiFi 2.4G共享頻段。

2）頻率干擾。在大鐵領域，國內分配的4M GSM-R帶寬與中國移動共享，因此存在嚴重的互相干擾卻無法解決的現狀；而在城市軌道交通領域，由于與民用共享2.4G頻譜，因此也存在與其他WiFi系統的嚴重干擾，無疑帶來極大的安全隱患。

3）傳輸瓶頸。在大鐵領域，GSM-R系統由于采用低速CSD（電路域數據業務）來承載列控業務，所能提供最高9.6 kbps的帶寬顯然非常有限，而目前通過GPRS承載的一些PS域業務，也由于其最多提供171 kbps的傳輸能力顯得捉襟見肘；而在城市軌道交通領域，雖然WiFi技術相比CSD和GPRS能夠提供較高傳輸帶寬，但是由于與其他車載民用WiFi系統共享信道以及相互干擾也會極大的影響傳輸速率，而且在高速運行時，WiFi的有效速率將更低，甚至無法使用。顯然，諸如未來視頻監控和實時電視等高帶寬業務無法在既有系統上承載。

4 未來大軌道交通通信系統的融合趨勢

鑒于目前CBTC系統存在的問題，需要有一種全新的通信系統來解決目前列控數據傳輸的安全性和可靠性要求，同時又要兼顧未來軌道交通中新業務的承載需求以及車上乘客對于無線寬帶接入的要求。

在城市軌道交通領域，目前每個城市除了大力建設傳統的地鐵、輕軌項目之外，城際和市郊鐵路也在同步快速發展，以滿足城鄉之間的快速交通的需求。而從目前城際和市郊鐵路的建設來看，由于都是1.435米的標準軌距，所以絕大部分將采用城市周邊以往廢棄的大鐵軌道來進行改造，從而大幅縮減土建成本；但是，我們也應該看到這種建設方式也必將帶來城市軌道車輛的復用，實現跨線套跑，從運營和維護方面也可大幅節約投資。

而在大鐵領域，由于鐵路系統機制改革以及公司化運作，在未來也不排除既有線路復用為城際鐵路，尤其是既有的一些貨運線路或者一些等級較低的線路。

此外，我們還應該看到未來諸如視頻監控、實時電視、乘客信息系統（PIS）、乘客高速上網等新業務在未來通信系統承載的需求。endprint

綜合考慮以上幾種情況，不難看出作為CBTC系統必將有融合趨勢，即未來的通信系統不僅需要滿足高速鐵路的列控數據承載，又要能夠滿足城市軌道交通的列控數據的承載，同時又能兼顧未來高帶寬的新業務的承載。從目前通信行業發展方向來看，無疑只有基于下一代LTE技術的CBTC系統能夠有效解決上述問題，同時又能夠滿足目前既有通信系統的演進要求以及未來大軌道交通通信系統的融合。

5 大軌道交通通信系統的新挑戰

對于未來軌道交通CBTC系統的融合，基于LTE技術的LTE-R不僅能夠有效解決目前CBTC系統遇到的各種問題和瓶頸，還能夠大幅降低業主單位的建設和運營成本。

LTE-R是基于4G LTE技術的下一代軌道交通通信系統，不僅能夠滿足傳統語音以及高達100Mbps的高速數據傳輸的需求，還能夠提供非常強大和專業的集群通信功能，比如組呼、廣播、優先級呼叫、功能號碼、位置路由等等，完全能夠滿足未來軌道交通對于語音和數據傳輸的需要。此外，由于LTE-R在接入層提供的數據傳輸“管道”的強大承載能力，未來可以有效兼顧軌道車輛上不同的信號系統，實現“多個信號系統+1個通信系統”的組網格局，同時又能兼顧未來高帶寬業務的接入需求；不僅能夠大幅降低業主單位的建設和維護成本，還能夠為業主單位帶來諸如乘客上網業務等新的利潤增長點。

由于LTE-R扁平化組網，相比傳統通信系統建設，也將大幅減少通信子系統的建設成本。

圖2 LTE-R扁平化組網示意圖

此外LTE-R系統需要提供CBTC系統中最重要的QoS保障以及可靠性組網，最大程度的提高了可靠性和安全性，為信號和列控系統提供了“永不掉線”的技術保障；而針對高速鐵路的抗多普勒頻移、MIMO優化、分布式基站等關鍵技術也應在下一代LTE-R系統中保留和優化，保證移動終端的高速移動和無線接入網絡的深度覆蓋的需求。

6 結束語

軌道交通的發展日新月異，下一代LTE-R系統不僅能夠有效解決未來軌道交通的綜合通信需求以及技術瓶頸。但是，我們也應該看到，由于軌道交通對于通信系統的安全性和可靠性的嚴格要求，通信系統的融合雖然是未來發展的方向，但是在相當長的時間里，新技術勢必會與既有的系統長期共存。因此，未來的通信系統也應充分考慮到這一行業特點，在充分保證軌道交通的運營安全的前提下，為融合的大趨勢保駕護航。

參考文獻

[1]賈佳.軌道交通機電系統的可用性分析[J].機電信息，2011（18）.endprint

綜合考慮以上幾種情況，不難看出作為CBTC系統必將有融合趨勢，即未來的通信系統不僅需要滿足高速鐵路的列控數據承載，又要能夠滿足城市軌道交通的列控數據的承載，同時又能兼顧未來高帶寬的新業務的承載。從目前通信行業發展方向來看，無疑只有基于下一代LTE技術的CBTC系統能夠有效解決上述問題，同時又能夠滿足目前既有通信系統的演進要求以及未來大軌道交通通信系統的融合。

5 大軌道交通通信系統的新挑戰

對于未來軌道交通CBTC系統的融合，基于LTE技術的LTE-R不僅能夠有效解決目前CBTC系統遇到的各種問題和瓶頸，還能夠大幅降低業主單位的建設和運營成本。

LTE-R是基于4G LTE技術的下一代軌道交通通信系統，不僅能夠滿足傳統語音以及高達100Mbps的高速數據傳輸的需求，還能夠提供非常強大和專業的集群通信功能，比如組呼、廣播、優先級呼叫、功能號碼、位置路由等等，完全能夠滿足未來軌道交通對于語音和數據傳輸的需要。此外，由于LTE-R在接入層提供的數據傳輸“管道”的強大承載能力，未來可以有效兼顧軌道車輛上不同的信號系統，實現“多個信號系統+1個通信系統”的組網格局，同時又能兼顧未來高帶寬業務的接入需求；不僅能夠大幅降低業主單位的建設和維護成本，還能夠為業主單位帶來諸如乘客上網業務等新的利潤增長點。

由于LTE-R扁平化組網，相比傳統通信系統建設，也將大幅減少通信子系統的建設成本。

圖2 LTE-R扁平化組網示意圖

此外LTE-R系統需要提供CBTC系統中最重要的QoS保障以及可靠性組網，最大程度的提高了可靠性和安全性，為信號和列控系統提供了“永不掉線”的技術保障；而針對高速鐵路的抗多普勒頻移、MIMO優化、分布式基站等關鍵技術也應在下一代LTE-R系統中保留和優化，保證移動終端的高速移動和無線接入網絡的深度覆蓋的需求。

6 結束語

軌道交通的發展日新月異，下一代LTE-R系統不僅能夠有效解決未來軌道交通的綜合通信需求以及技術瓶頸。但是，我們也應該看到，由于軌道交通對于通信系統的安全性和可靠性的嚴格要求，通信系統的融合雖然是未來發展的方向，但是在相當長的時間里，新技術勢必會與既有的系統長期共存。因此，未來的通信系統也應充分考慮到這一行業特點，在充分保證軌道交通的運營安全的前提下，為融合的大趨勢保駕護航。

參考文獻

[1]賈佳.軌道交通機電系統的可用性分析[J].機電信息，2011（18）.endprint

綜合考慮以上幾種情況，不難看出作為CBTC系統必將有融合趨勢，即未來的通信系統不僅需要滿足高速鐵路的列控數據承載，又要能夠滿足城市軌道交通的列控數據的承載，同時又能兼顧未來高帶寬的新業務的承載。從目前通信行業發展方向來看，無疑只有基于下一代LTE技術的CBTC系統能夠有效解決上述問題，同時又能夠滿足目前既有通信系統的演進要求以及未來大軌道交通通信系統的融合。

5 大軌道交通通信系統的新挑戰

對于未來軌道交通CBTC系統的融合，基于LTE技術的LTE-R不僅能夠有效解決目前CBTC系統遇到的各種問題和瓶頸，還能夠大幅降低業主單位的建設和運營成本。

LTE-R是基于4G LTE技術的下一代軌道交通通信系統，不僅能夠滿足傳統語音以及高達100Mbps的高速數據傳輸的需求，還能夠提供非常強大和專業的集群通信功能，比如組呼、廣播、優先級呼叫、功能號碼、位置路由等等，完全能夠滿足未來軌道交通對于語音和數據傳輸的需要。此外，由于LTE-R在接入層提供的數據傳輸“管道”的強大承載能力，未來可以有效兼顧軌道車輛上不同的信號系統，實現“多個信號系統+1個通信系統”的組網格局，同時又能兼顧未來高帶寬業務的接入需求；不僅能夠大幅降低業主單位的建設和維護成本，還能夠為業主單位帶來諸如乘客上網業務等新的利潤增長點。

由于LTE-R扁平化組網，相比傳統通信系統建設，也將大幅減少通信子系統的建設成本。

圖2 LTE-R扁平化組網示意圖

此外LTE-R系統需要提供CBTC系統中最重要的QoS保障以及可靠性組網，最大程度的提高了可靠性和安全性，為信號和列控系統提供了“永不掉線”的技術保障；而針對高速鐵路的抗多普勒頻移、MIMO優化、分布式基站等關鍵技術也應在下一代LTE-R系統中保留和優化，保證移動終端的高速移動和無線接入網絡的深度覆蓋的需求。

6 結束語

軌道交通的發展日新月異，下一代LTE-R系統不僅能夠有效解決未來軌道交通的綜合通信需求以及技術瓶頸。但是，我們也應該看到，由于軌道交通對于通信系統的安全性和可靠性的嚴格要求，通信系統的融合雖然是未來發展的方向，但是在相當長的時間里，新技術勢必會與既有的系統長期共存。因此，未來的通信系統也應充分考慮到這一行業特點，在充分保證軌道交通的運營安全的前提下，為融合的大趨勢保駕護航。

參考文獻

[1]賈佳.軌道交通機電系統的可用性分析[J].機電信息，2011（18）.endprint