城市軌道交通延伸工程信號系統車地無線通信技術方案研究

魯秋子

（北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100037）

0 引言

近年來，基于通信的列車控制（Communication?Based?Train?Control，CBTC）系統[1]已成最為主流的列車信號控制系統。為實現對列車的監督與控制，CBTC?系統利用無線通信技術實現車地雙向數據通信[2]，傳輸涉及行車安全的重要數據信息。隨著對列車運行速度及運營能力要求越來越高，列車運行控制對車地無線傳輸的可靠性、可用性也提出了更高要求。

目前城市軌道交通中已建成的軌道交通信號系統普遍采用?802.11?無線局域網技術（WLAN）承載車地無線列控信息。由于?WLAN?技術易受到民用?WIFI?設備等同頻干擾，在建及新建線路大多采用?TD-LTE?技術方案作為信號車地無線通信系統方案。而對于延伸工程，是采用與既有工程一致的?WLAN?技術，亦或更新為?TD-LTE技術，成為目前信號系統設計過程中一個需要重點探討的問題。基于既有軌道交通線路的延伸改造已經十分普遍，本文就如何實現城市軌道交通延伸工程信號系統車地無線通信技術進行了研究。

1 車地無線通信系統

CBTC?信號系統中的車地無線通信系統實現了各信號子系統之間的列車控制信息、維護信息等的傳輸，實現了軌旁信號設備與車載設備之間連續、雙向的數據通信。目前城市軌道交通中信號系統車地無線通信技術主要有?WLAN?技術和?TD-LTE?技術。

1.1 WLAN 技術

目前，已建成的城市軌道交通車地無線通信系統采用的技術基本為?802.11?系列無線局域網技術[3]，工作于開放頻段?2.4GHz?ISM。隨著無線通信技術的發展，CBTC?車地通信越來越容易受到民用?WIFI?設備的同頻干擾。在多個城市的軌道交通線路中已發生了因民用?WIFI設備同頻干擾，導致車地通信中斷、影響列車正常運營的事件。此外，WLAN?天線覆蓋范圍較小[4]，在直線隧道段，一般每隔?200??m?需設置?1?個軌旁無線接入點（AP）。因此，系統需要頻繁越區切換，這就導致系統易丟包。為從根本上解決車地通信干擾問題，必須采用新的車地通信技術，采用專用通信頻段。隨著第?4?代無線通信技術?LTE?逐漸成為一種成熟的車地通信方案，新建線路均采用?LTE?技術作為無線通信技術方案。

1.2 TD-LTE 技術

TD-LTE?是新一代的寬帶移動通信技術，為?3.9G?全球標準[5]。LTE?技術在設計上充分考慮了高速運行時的傳輸性能，能夠滿足城市軌道交通信號系統作為安全信息優先傳輸、實時傳輸需求。采用非民用頻段，可以有效避免干擾，覆蓋范圍遠，有效減少越區切換。同時，LTE?是我國擁有自主知識產權的?TD-SCDMA?的后續演進技術，有比較成熟的產業鏈，可以有效降低成本。

1.3 TD-LTE 與 WLAN 比較分析

已建成城市軌道交通車地通信主要通過?WLAN?承載，存在抗干擾能力差、覆蓋范圍短、切換頻繁等問題（表1）。為保障系統的可用性和可靠性，相關政策以及技術的發展使得?LTE?技術成為了信號車地通信的主流技術方案。

2 舊線路延伸段建設

目前國內車地無線通信多采用?WLAN?技術。在既有工程采用?WLAN?技術的前提下，延伸工程車地無線通信系統技術方案主要分為以下?3?種情況：

（1）延伸工程和既有工程保持一致，全線車地無線通信技術均采用?WLAN?技術；

（2）改造既有工程方案，全線車地無線通信技術均采用?LTE?技術；

（3）舊線路保持?WLAN?技術，新建線路采用LTE技術，列車在新舊線路交界處越區切換。

2.1 方案一：全線采用 WLAN 技術

CBTC?數據通信子系統由光纖骨干網和軌旁無線局域網等構成。車載設備和軌旁設備通過設于軌旁的方向性天線和設于列車上的無線天線相聯系。車載子系統連接設置于每列車的車頭、車尾的?2.4GHz?全向無線天線以及相應的發送/接收設備。每間隔約?200??m?設置軌旁?AP，與軌旁定向無線天線相連接。軌旁?AP?通過光纖與沿線車站的骨干網交換機連接，構成軌旁環形光纖骨干網絡。

在實施時需在延伸工程的車站及沿線設置無線通信設備，通過改造與既有工程銜接車站的相關軟硬件，完成與既有線的系統接口。除與既有線的系統接口外，工程實施可直接按照新建模式進行。此方案實施難度較低，方案成熟度高，是目前城市軌道交通延伸線工程車地無線通信技術最常選用的一種方案。

表1 TD-LTE 與 WLAN 技術對比

2.2 方案二：改造既有工程，全線采用 LTE 技術

LTE?方案與?WLAN?類似，軌旁無線系統由?2?個完全獨立且互為冗余的網絡（A?網和?B?網）組成。每列車上在車頭和車尾分別安裝有?2?套數據接入單元?TAU。列車兩端?TAU?分別鏈接雙網中的?1?個，所有收發的無線通信數據都在?TAU?中傳輸，從而實現連續的數據傳輸冗余。

列車頭尾車載控制器通過?2?個獨立的以太網分別連接到兩端?TAU，同時接收雙網的信息，保證車載設備在單端故障或單網故障時車地通信數據的可靠性傳輸，不會影響到列車的正常運行。

考慮目前既有工程采用?WLAN?技術，若全線車地無線通信技術統一改為?LTE?技術，則需要拆除既有線車地無線通信設備，組建新的無線通信架構。若既有工程建成時間較短且線路較長，更換新的通信技術代價太大，則不推薦更改車地無線通信技術方案。

2.3 方案三：WLAN 與 LTE 共存

在延伸線建設過程中，希望舊線繼續使用WLAN?技術而延長線使用?LTE?系統的情況下，如能利用已有WLAN網絡資源，使車載接入單元同時具有接入?WLAN?和?LTE的能力，將形成更多的車地無線傳輸路徑，增強傳輸系統冗余性，增大其可靠性，降低運營維護的復雜度。

2.3.1 系統架構

LTE?系統使用同站址雙網覆蓋方案，2?個網絡完全獨立，并行工作，互不影響。每個網絡部署各自獨立的核心網（EPC）、基帶處理單元（BBU）及其射頻處理單元（RRU）。WLAN?網絡使用線路已有網絡，采用同站址雙網覆蓋方案。

在車頭和車尾分別部署專用車載終端及?LTE?天線、WLAN?天線各?1?套，每臺終端同時接入?LTE-A?網、LTE-B?網和?WLAN?網絡，LTE?和?WLAN?混合組網系統架構如圖?1?所示。

2.3.2 WLAN<E 切換分析

采用?WLAN?與?LTE?共存的方案，最大的難題是實現列車在新舊線路交界處的信號處理。車載設備在交界處通過軟切換的方式實現鏈路的切換。

為保證列車在切換帶信息的切換，WLAN?和?LTE?系統需設置最小的鏈路接入閾值。列車在?WLAN?區域只存在?WLAN?鏈路，當列車進入LTE?射頻區域時，一旦達到預定的建立?LTE?鏈路的閾值，車輛?TAU?將與軌旁通信設備建立?LTE?鏈路。當?WLAN?信號逐漸降低到最低值時，車載?AP?自動與WLAN?鏈路斷開，此時所有的數據都切換到?LTE?鏈路，不影響數據的正常傳輸。同樣，從?LTE?區域進入?WLAN區域的列車也可以實現新舊鏈接的切換。

此外，由于系統采用了2?種不用的通信技術，要使?2種無線通信方式共存且要實現全線互聯互通，需要WLAN中心處理器與?LTE?核心網有效交互信息。因此，有必要考慮跨系統切換的時延是否能夠滿足?CBTC?列車通信的要求。

鄭州市軌道交通?2?號線已在混合組網的情況下，對以?CBTC?業務為核心的綜合承載進行了測試。車頭車尾的車載終端分別同時接入?LTE-A、LTE-B?和?WLAN?網絡，在?LTE?全網停止工作、LTE?網和?WLAN?網均正常工作、WLAN?全網停止工作等情況下，分別模擬?WLAN?網單獨覆蓋、WLAN?網向?LTE?網過渡覆蓋、LTE?網單獨覆蓋、LTE?網向?WLAN?網過渡覆蓋等場景，完全鏡像舊線升級改造和延長線建設過程中的各種實際通信場景。結果表明，當?WLAN?網絡與?LTE?網絡之間發生網絡切換時，上行平均切換中斷時間為?172??ms，下行平均切換中斷時間為?200??ms[6]。可以得出結論：專用車載接入單元終端能夠在?LTE?和?WLAN?混合組網的情況下實現?CBTC?的車地無線通信。

雖然基于混合組網業務成熟度不高，但是此方案可以用?1?套網管實現整網全部網絡設備的統一管理，使得網絡維護管理效率更高，國內也有相關廠商可以實現混合組網方案。此方案代表了新技術的發展方向，也為今后的設計提供了新的思路，推薦在今后的延伸工程建設中采用?WLAN?與?LTE?共存的方案。

圖1 LTE 和 WLAN 混合組網系統架構

表2 延伸工程車地無線通信系統技術方案優缺點對比

3 結論

本文結合當前信號系統車地無線通信技術的發展現狀，提出了?3?種城市軌道交通信號系統延伸工程車地無線通信技術的設計方案，并給出了不同方案的優缺點分析，比選結果如表??2?所示。

未來設計過程中，還應當緊密跟蹤?LTE?與?WLAN兼容性方面的技術發展及其在延伸線工程的應用情況，為信號系統方案設計提供新的思路和參考。