城市軌道交通中無線通信技術(shù)的應(yīng)用探討

摘 要：城市軌道交通由于其地下空間的狹小和緊張的特點(diǎn)，不利于各類通信電纜的敷設(shè)，而隨著各類無線通信技術(shù)的日益發(fā)展完善，傳輸帶寬能力及實時信息處理能力的不斷提高，無線通信技術(shù)在城市軌道交通中得到越來越廣泛的應(yīng)用。文章簡單介紹3G、WLAN、4G、Zigbee等無線通信技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢，闡述其在城市軌道交通中的應(yīng)用發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：無線通信；城市軌道交通；應(yīng)用

前言

無線通信是利用電磁波信號可以在空間中自由傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式，由于其傳播不受通信電纜敷設(shè)的限制，近些年發(fā)展非常迅速、應(yīng)用也非常廣泛。城市軌道交通具有運(yùn)量大、速度快的特點(diǎn)，近幾年在全國各大城市進(jìn)入了建設(shè)高潮，隨著智能終端的應(yīng)用普及，乘客對地鐵系統(tǒng)的無線通信服務(wù)提出了越來越高的要求。目前，城市軌道交通無線通信用途常被分為三種如專網(wǎng)無線、公網(wǎng)無線（或民用無線）以及公安通信。城市軌道交通無線網(wǎng)絡(luò)需要在一個相對獨(dú)立、專用的系統(tǒng)中進(jìn)行各項數(shù)據(jù)的傳輸，在接入公網(wǎng)之后會存在一些干擾性問題，這是當(dāng)前地鐵建設(shè)中一個亟待解決的問題。

1 城市軌道交通無線通信概述

當(dāng)前階段，城市軌道交通無線通信主要是為了保證列車安全運(yùn)行和提供乘客信息的作用，其專用的專網(wǎng)無線系統(tǒng)，功能強(qiáng)大、涵蓋面廣，能夠保障軌道交通安全正常運(yùn)營、實時調(diào)度及智能監(jiān)控，主要系統(tǒng)包括車載CCTV（閉路電視監(jiān)控）、移動電視、信號系統(tǒng)CBTC（基于無線通信的列車控制技術(shù)）、通信PIDS（乘客信息）系統(tǒng)等[1]。公網(wǎng)無線系統(tǒng)主要由電信運(yùn)營商向乘客提供移動電話通信及職能終端的網(wǎng)頁瀏覽等業(yè)務(wù)，現(xiàn)階段出于對城市軌道交通中專網(wǎng)無線通信的可靠性的考慮，公網(wǎng)無線系統(tǒng)的建設(shè)滯后，無法真正滿足乘客日常需求。公安無線系統(tǒng)是城市軌道交通中較為獨(dú)立的一套無線通信系統(tǒng)，是地面公安無線通信系統(tǒng)在地下車站和隧道區(qū)間的延伸，可實現(xiàn)警務(wù)人員地面與地下的移動通信，為警務(wù)人員在地下空間快速、有效地處理突發(fā)事件提供通信保障[2]。

2 幾種典型無線通信技術(shù)

2.1 3G技術(shù)

3G技術(shù)即第三代移動通信技術(shù)，該技術(shù)有三種制式：時分同步碼分多址（TD-SCDMA）、寬帶碼分多址WCDMA和升級的碼分多址CDMA2000。3G技術(shù)工作在需要授權(quán)的頻段內(nèi)，國家工業(yè)和信息部已于2009年1月7日正式向國內(nèi)三大移動運(yùn)營商發(fā)放了3G運(yùn)營牌照，工作頻率主要分布在1880MHz-1955MHz，2010MHz-2145MHz兩個頻段之間。

3G能夠處理音樂、圖像視頻等多媒體形式，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)頁瀏覽、會議電話、電子商務(wù)等多種信息服務(wù)，其高速移動的傳輸速率能達(dá)到144kb/s，慢速移動的傳輸速率是384kb/s，靜止?fàn)顟B(tài)傳輸速率為2Mb/s。3G技術(shù)的高速移動速率并不高，已無法滿足當(dāng)前智能終端對高清圖像、視頻等的支持需求。

2.2 WLAN技術(shù)

WLAN（Wireless Local Area Networks無線局域網(wǎng)絡(luò)）是一種相當(dāng)便利的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它利用射頻技術(shù)，使用電磁波取代舊式雙絞銅線構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)，在空中進(jìn)行通信連接，它其實是眾多無線通信網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)稱，其中最廣泛應(yīng)用的當(dāng)屬于WiFi技術(shù)。WLAN最主要的通信標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)，是包含了IEEE802.1lb/g/n及IEEE802.11a/IEEE802.11ac等的協(xié)議族。基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)允許在局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中使用可以不必授權(quán)的ISM頻段中的2.4GHz或5.8GHz兩個波段進(jìn)行無線連接。

IEEE802.11b采用最高11Mb/s的傳輸速率接入共享信號，頻段控制在2.4GHz，此標(biāo)準(zhǔn)也即是現(xiàn)在應(yīng)用廣泛的WiFi。IEEE802.11g與IEEE802.11a一樣均采用OFDM技術(shù)，最高傳輸速率是54Mb/s，頻段控制在2.4GHz，能與IEEE802.11b兼容，且最高速率是它的近5倍；但I(xiàn)EEE802.11a采用正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）技術(shù)，其頻段控制在5.8GHz，在最高速率可達(dá)54Mb/s。IEEE802.11n是在IEEE802.11b/g及IEEE802.11a的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，同時支持2.4GHz或5.8GHz兩個波段，且向前兼容IEEE802.11的協(xié)議族，其最大速率可達(dá)300-600Mb/s；IEEE802.11ac則是IEEE802.11a/n的繼任者，工作在5.8GHz兩個波段，最大支持1GMb/s。需要特別說明的是，目前中國城市的軌道交通的無線通信技術(shù)如CBTC、PIDS及移動電視等都是使用WLAN的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)[3]，其工作頻率基本重疊，所以WLAN在城市軌道交通的應(yīng)用推廣面臨著與列車無線通信信號的嚴(yán)重干擾問題，深圳地鐵就發(fā)生過因為乘客自帶的WiFi終端造成列車的逼停事件。

WLAN技術(shù)主要特點(diǎn)是使用無需授權(quán)，組網(wǎng)方便靈活，同時能提供非常高速率的無線數(shù)據(jù)傳輸速度。

2.3 4G技術(shù)

4G技術(shù)即第四代移動通信技術(shù)，該技術(shù)包括TD-LTE和FDD-LTE兩種制式，也是工作在需授權(quán)的頻段上，2013年12月4日下午，工業(yè)和信息化部向國內(nèi)三大移動運(yùn)營商發(fā)放了4G牌照，工作頻率主要分布在1880MHz-1900MHz，2300MHz-2390MHz及2555MHz-2655MHz三個頻段之間。

在功能上，4G就是集3G與WLAN于一體得通信技術(shù)，能夠更廣范圍內(nèi)地、更高速率地傳輸高質(zhì)量的音頻、視頻和圖像等。4G技術(shù)主要采用正交多任務(wù)分頻技術(shù)（OFDM），能夠提供100Mbps以上的傳輸熟慮，比目前的家用寬帶ADSL（4兆）還要快25倍，并能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務(wù)的要求。

2.4 Zigbee技術(shù)

Zigbee（又稱紫蜂協(xié)議）是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，這一名稱來源于蜜蜂與同伴傳遞花粉所在方位信息的八字舞，Zigbee技術(shù)工作頻率在2.4GHz，無需授權(quán)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。主要適合用于工業(yè)現(xiàn)場的遙測遙控等領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中。ZigBee在室內(nèi)通常能達(dá)到30-50米的作用距離，在室外空曠地帶甚至可以達(dá)到400米（不加功率放大）。

ZigBee具有低功耗、低成本、低速率、近距離、短時延、高容量、高安全以及免執(zhí)照頻段的優(yōu)點(diǎn)。

3 幾個城市軌道交通中無線通信的應(yīng)用方向

針對以上幾種無線通信技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢，結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展，分析城市軌道交通中下一步的幾個應(yīng)用發(fā)展方向。

3.1 3/4G技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用普及

3/4G技術(shù)能夠滿足處理音樂、視頻、圖像視頻等多媒體形式及實現(xiàn)網(wǎng)頁瀏覽、會議電話、電子商務(wù)等信息服務(wù)的需求，其在人們?nèi)粘Ｉ钪邪缪菡咴絹碓街匾慕巧５牵?jīng)調(diào)研國內(nèi)各大城市城市軌道交通中對3/4G的普及并不高，部分線路引入了3/4G的應(yīng)用也僅僅是在站臺及站廳，當(dāng)列車行駛在隧道內(nèi)時，一般的網(wǎng)頁瀏覽已很難滿足，甚至無法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。當(dāng)前3/4G通信系統(tǒng)在城市軌道交通的應(yīng)用主要阻礙有以下兩點(diǎn)：（1）地鐵公司一般顧慮是3/4G

的在地鐵內(nèi)的應(yīng)用會有助于乘客自帶WiFi熱點(diǎn)（用于3/4G信號轉(zhuǎn)換為WiFi共享信號）對列車信號系統(tǒng)造成影響；（2）當(dāng)前城市軌道交通已運(yùn)營線路建設(shè)之處并為考慮為3/4G通信系統(tǒng)的建設(shè)需求，而后期改造過程中，地鐵內(nèi)尤其是隧道內(nèi)新增條件較差，且由于地鐵運(yùn)行時間的限定，每天可利用工作時間非常有限，無疑增大了3/4G通信系統(tǒng)的普及。

從技術(shù)上說，3/4G通信系統(tǒng)與列車信號系統(tǒng)不存在太嚴(yán)重的信號干擾問題，且通過技術(shù)跟新，較容易解決，因此3/4G普及會隨著地鐵已運(yùn)行舊線路的共用通信網(wǎng)的改造逐漸改觀。

3.2 WiFi技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用

WiFi技術(shù)因其組網(wǎng)靈活及有著非常高的數(shù)據(jù)傳輸速率的特點(diǎn)應(yīng)用廣泛，但其與列車移動電視、信號系統(tǒng)CBTC、PIDS乘客信息系統(tǒng)的同在2.4GHZ頻段帶來的干擾問題阻礙了其在城市軌道交通中應(yīng)用。

2007年9月，深圳地鐵統(tǒng)為地鐵1號線搭建無線寬帶傳輸網(wǎng)絡(luò)，它是國內(nèi)首個成功部署WiFi技術(shù)同時實現(xiàn)視頻上下行傳輸?shù)某鞘校瑸槔肳iFi技術(shù)進(jìn)行實時視頻信息傳輸開創(chuàng)先河。上海地鐵WiFi從2014年底開始在地鐵13號線全線開通了名為“花生地鐵測試WiFi”的無線信號。繼深圳、上海后，廣州地鐵成為第三個在地鐵列車中開放免費(fèi)WIFI的城市，2013年廣州地鐵已經(jīng)在8號線昌崗、曉港、中大三個站進(jìn)行技術(shù)論證，2015年春節(jié)開始內(nèi)部測試；2016年初廣佛線WiFi試驗段（ 崗至金融高新區(qū)站）順利通過驗收。

當(dāng)前解決WiFi與列車運(yùn)行通信系統(tǒng)互相干擾的解決方法主要有以下幾類：（1）地鐵內(nèi)WiFi系統(tǒng)采用5.8GHz固定頻段通信，但此方案無法兼容現(xiàn)在大多只支持2.4GHz的智能終端，且給未來增加隱患；（2）CBTC及PIDS系統(tǒng)搬移到目前的GSM-R頻段，此方案需要對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行較大改造，地鐵公司難以執(zhí)行；（3）技術(shù)更新，研究城市軌道交通專用的WiFi技術(shù)。

針對方案（3），現(xiàn)階段技術(shù)主要包括DS-FH混合擴(kuò)頻技術(shù)和固定信道劃分技術(shù)。當(dāng)前深圳地鐵就采用了列車信號系統(tǒng)與免費(fèi)的WiFi分別設(shè)在不同的信道，所搭建的WiFi網(wǎng)絡(luò)和地鐵信號系統(tǒng)固定在不同的信道上，從而避免干擾。這兩種方案是城市軌道交通用WiFi的發(fā)展方向，需要進(jìn)一步研發(fā)適用的設(shè)備和系統(tǒng)并投入商用。

3.3 Zigbee在城市軌道交通中的應(yīng)用

城市軌道交通備電系統(tǒng)電池狀態(tài)的監(jiān)測對地鐵供電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行有著很大作用，但是地鐵備電系統(tǒng)電池組數(shù)量巨多，如果每個電池均采用專用電纜的方式進(jìn)行通信，則無疑是昂貴而復(fù)雜的；同樣地鐵雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)一般在車站或者車場停車庫范圍內(nèi)設(shè)置監(jiān)測端子及傳感器，距離監(jiān)測數(shù)據(jù)收集器-監(jiān)測裝置距離一般不超過200米，但是現(xiàn)在方案均需要在擁擠的車站軌行區(qū)敷設(shè)專用通信電纜。

Zigbee具有的低功耗、低成本和免執(zhí)照頻段的優(yōu)點(diǎn)使其在工業(yè)現(xiàn)場得到較廣泛應(yīng)用。針對城市軌道交通車站備電系統(tǒng)電池狀態(tài)監(jiān)控及地鐵雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)，Zigbee具有較大應(yīng)用潛力。每個被監(jiān)測電池組及測量端子處安裝Zigbee終端模塊，通過自組網(wǎng)方案，以一定數(shù)量終端模塊為群組向中繼Zigbee傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)并最終傳輸至監(jiān)測系統(tǒng)微機(jī)管理系統(tǒng)。城市軌道交通備電系統(tǒng)電池狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)及雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用方案及技術(shù)，作者將進(jìn)一步在后續(xù)論文中講述。

4 結(jié)束語

文章對幾種基本的無線通信技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行了簡單的分析，隨著城市軌道交通技術(shù)的提高，未來城市軌道交通無線通信系統(tǒng)將會向著高帶寬、多功能、智能化的方向發(fā)展。但城市軌道交通無線通信技術(shù)發(fā)展必須以當(dāng)前無線通信新技術(shù)為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上發(fā)展出通信能力更強(qiáng)、更適合、更經(jīng)濟(jì)的軌道交通的無線通信技術(shù)。文章分析了3/4G技術(shù)、WiFi技術(shù)及Zigbee技術(shù)在城市軌道交通的應(yīng)用及普及前景，指出了其研究發(fā)展方向。

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