摘要：介紹了當(dāng)前幾種主流無(wú)線通信技術(shù)，并根據(jù)城市軌道交通承載業(yè)務(wù)需求、對(duì)實(shí)際傳輸速率等進(jìn)行了比較，簡(jiǎn)單介紹了得力風(fēng)根公司的TRainCom技術(shù)，據(jù)此對(duì)城市軌道交通無(wú)線通信系統(tǒng)提出整合的建議。

關(guān)鍵詞：無(wú)線通信；城市軌道交通；整合

 

0 引言

      城市軌道交通無(wú)線通信業(yè)務(wù)一般將其分為專網(wǎng)無(wú)線、公網(wǎng)無(wú)線（或民用無(wú)線）以及公安通信，隨著無(wú)線通信技術(shù)的日益發(fā)展，傳輸帶寬不斷提高，通信終端的實(shí)時(shí)信息處理能力飛速增強(qiáng)，城市軌道交通的無(wú)線通信技術(shù)得到了更為廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)城市軌道交通無(wú)線通信技術(shù)系統(tǒng)主要包括信號(hào)系統(tǒng)CBTC（基于無(wú)線通信的列車控制技術(shù)）、通信PIDS（乘客信息）系統(tǒng)、車載CCTV（閉路電視監(jiān)控）、移動(dòng)電視等。

1 目前使用的無(wú)線系統(tǒng)

      目前，國(guó)內(nèi)城市軌道交通行業(yè)存在的信號(hào)和通信系統(tǒng)都是相對(duì)獨(dú)立的，隨后產(chǎn)生的新興無(wú)線通信的應(yīng)用都各自成系統(tǒng)、相對(duì)獨(dú)立，基本都使用各自不同的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。而無(wú)線通信技術(shù)主要有：TETRA（數(shù)字集群）、GSM、CDMA、3G、WLAN、Wi-Fi、WiMAX、DVB-T等。前3種制式均是使用廣泛且十分成熟的無(wú)線技術(shù)，但均存在傳輸速率低、且接入公網(wǎng)存在安全、干擾等問(wèn)題，不能滿足城市軌道交通的使用需要。DVB-T數(shù)字視頻廣播是為了數(shù)字電視信號(hào)在地面?zhèn)鞑ザ_(kāi)發(fā)的，具有容量大、接入方便等特點(diǎn)，其技術(shù)使用于下行高速數(shù)據(jù)的傳輸，可以工作在多個(gè)頻點(diǎn)，減少無(wú)線頻段干擾。場(chǎng)強(qiáng)覆蓋可以采用小功率、大密度的方式，因此符合軌道交通的無(wú)線通信需求，但由于其上行速率較低，對(duì)車載CCTV不適用。

      本文就3G、WLAN、Wi-Fi、WiMax無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行探討。

1.1 3 G技術(shù)

      3G（第三代移動(dòng)通信技術(shù)）有3種制式：TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000。國(guó)家工業(yè)和信息部已于2009年1月7日正式向3家移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商：中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通和中國(guó)電信發(fā)放了3G運(yùn)營(yíng)牌照。3G能夠處理圖像視頻、音樂(lè)等多媒體形式，提供了網(wǎng)頁(yè)瀏覽、會(huì)議電話、電子商務(wù)等多種信息服務(wù)。多媒體業(yè)務(wù)是3G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的重點(diǎn)，其傳輸速率要求為高速移動(dòng)時(shí)能夠達(dá)到144 kb/s，慢速移動(dòng)時(shí)為384 kb/s，靜止?fàn)顟B(tài)為2 Mb/s，其上行速率達(dá)到幾十kb/s，但仍然不能滿足車載CCTV、PIDS系統(tǒng)所需速率，同時(shí)3G屬于公網(wǎng)應(yīng)用范疇，因此不適用于城市軌道交通行業(yè)。

1.2 WLAN無(wú)線局域網(wǎng)

      基于WLAN（無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)）的多媒體信息傳輸，基于802.11協(xié)議族。IEEE802.11a規(guī)定的頻點(diǎn)為5 GHz，適合于室內(nèi)及移動(dòng)環(huán)境，傳輸速度為1～2 Mb/s。IEEE 802.11b工作于2.4 GHz頻點(diǎn)，IEEE 802.11e及IEEE 802.11g是下一代無(wú)線LAN標(biāo)準(zhǔn)，被稱為無(wú)線LAN標(biāo)準(zhǔn)方式IEEE 802.11的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)，是在現(xiàn)有的802.11b及802.11a的MAC層追加了QoS功能及安全功能的標(biāo)準(zhǔn)。

      目前中國(guó)城市軌道交通都是使用WLAN的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)，如果想進(jìn)一步接入更多的子系統(tǒng)，比如VoIP電話、CCTV等，WLAN的容量和性能就會(huì)受到限制。

1.3 Wi-Fi

      Wi-Fi全稱Wireless Fidelity（無(wú)線保真技術(shù)），與藍(lán)牙技術(shù)一樣，同屬于短距離無(wú)線技術(shù)。典型的CBTC是基于802.11b無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范，該技術(shù)使用的是2.4 GHz附近的頻段，最高帶寬為11 Mb/s，在信號(hào)較弱或有干擾的情況下，帶寬可調(diào)整為5.5，2和1 Mb/s，帶寬的自動(dòng)調(diào)整有效地保障了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)也與已有的各種802.11DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum直接序列擴(kuò)頻）設(shè)備兼容。其主要特性為速度快，可靠性高，在開(kāi)放性區(qū)域，通訊距離可達(dá)305 m，在封閉性區(qū)域，通訊距離為76～122 m，方便與現(xiàn)有的有線以太網(wǎng)絡(luò)整合，組網(wǎng)成本更低。

      2007年9月，深圳地鐵采用思科統(tǒng)一無(wú)線解決方案，為地鐵1號(hào)線列車的安全防護(hù)系統(tǒng)項(xiàng)目搭建無(wú)線寬帶傳輸網(wǎng)絡(luò)，使得列車無(wú)論在站臺(tái)位置還是高速運(yùn)行中，都可以在地面與列車之間實(shí)現(xiàn)清晰的數(shù)字視頻流實(shí)時(shí)播放、控制中心對(duì)車廂內(nèi)的情況觀察、列車火災(zāi)報(bào)警信息實(shí)時(shí)上傳等功能。它是國(guó)內(nèi)首個(gè)成功部署Wi-Fi技術(shù)同時(shí)實(shí)現(xiàn)視頻上下行傳輸?shù)某鞘熊壍澜煌o(wú)線通信項(xiàng)目，為利用Wi-Fi技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻信息傳輸開(kāi)創(chuàng)了先河。乘客可以在車廂內(nèi)看到高品質(zhì)、不間斷的數(shù)字電視節(jié)目，并能夠接收地鐵公司發(fā)布天氣情況、重要新聞、緊急疏散提示等消息。深圳地鐵運(yùn)營(yíng)中心控制室人員可以通過(guò)大屏幕看到運(yùn)行中每列車每節(jié)車廂內(nèi)上傳的實(shí)時(shí)視頻圖像及火災(zāi)報(bào)警等多種安防信息，同時(shí)列車司機(jī)也可以隨時(shí)調(diào)用前方站臺(tái)的圖像，為安全行車提供更好的保障。

1.4 WiMAX

      WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access微波存取全球互通）是近年來(lái)出現(xiàn)的一種無(wú)線寬帶接入技術(shù)。WiMAX采用多載波調(diào)制技術(shù)，能夠提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，并且具有頻譜資源利用率高，覆蓋范圍廣（傳輸距離可達(dá)數(shù)十公里）等特點(diǎn)。

      Wi-Fi是目前無(wú)線接入的主流標(biāo)準(zhǔn)，全面兼容現(xiàn)有Wi-Fi的WiMAX，對(duì)比于Wi-Fi的802.11X標(biāo)準(zhǔn)，WiMAX就是802.16x。與前者相比，WiMAX具有更遠(yuǎn)的傳輸距離、更寬的頻段選擇以及更高的接入速度等，預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年內(nèi)將成為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)主流標(biāo)準(zhǔn)。

2 TRainCom?系統(tǒng)

      TRainCom?系統(tǒng)是專為地鐵無(wú)線通信應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。雖然在建的中國(guó)城市軌道交通均是使用本地?zé)o線局域網(wǎng)（WLAN）的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)，而且典型的CBTC是基于眾所周知的802.11b標(biāo)準(zhǔn)。但人們有意或無(wú)意中忽略了WLAN的技術(shù)并不適用于高速移動(dòng)狀況下的無(wú)線通信。研究表明，WLAN帶寬和切換時(shí)間都會(huì)在高速移動(dòng)的狀況下受到非常大的影響。

      針對(duì)整合系統(tǒng)的解決思路，德國(guó)的得力風(fēng)根公司是一家軍用通訊技術(shù)科技公司，研制了TRainCom（德國(guó)得力風(fēng)根無(wú)線電通訊系統(tǒng)），它把信號(hào)和通信系統(tǒng)集成于一套系統(tǒng)之中，并且擁有進(jìn)一步融入更多子系統(tǒng)功能的、成熟的無(wú)線通信產(chǎn)品。下面就其系統(tǒng)特點(diǎn)加以論述。

      （1）16 Mb/s全雙工無(wú)線電鏈路—頻分雙工。TRainCom?使用全雙工數(shù)據(jù)傳輸模式保證列車上傳與下傳互相分開(kāi)，上下行數(shù)據(jù)能同時(shí)傳輸而且不會(huì)互相干擾：同一時(shí)刻在每個(gè)方向都是16 Mb/s，在半雙工模式下能達(dá)到32 Mb/s。協(xié)議開(kāi)銷占10%，是802.11g 40%的協(xié)議消耗的四分之一。

      （2）完全基于IP—可以集成其他的子系統(tǒng)。所有基于IP的協(xié)議，可以直接與VoIP、IP攝像頭、WLAN接入點(diǎn)連接。對(duì)于只提供串行接口的子系統(tǒng)，如RS232、RS422，這些串行數(shù)據(jù)流將被轉(zhuǎn)換成IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸。如有需要，其他的接口類型也能夠接入。

      （3）全移動(dòng)性—帶寬獨(dú)立于列車的運(yùn)行速度。TRainCom無(wú)線電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率與列車的行駛速度無(wú)關(guān)，得力風(fēng)根公司在上海磁懸浮列車（500 km/h）上服務(wù)的系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用以及在南京地鐵的實(shí)際測(cè)試已得到證明。WLAN技術(shù)在列車高速移動(dòng)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸速率會(huì)急劇衰弱，TRainCom?所使用的無(wú)線通信協(xié)議是該公司專門為高速移動(dòng)的列車系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的，采用防止多普勒頻移和擴(kuò)散的特殊調(diào)制模式和多徑接收機(jī)制，當(dāng)無(wú)線電信號(hào)衰弱時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速率能始終保持全雙工16 Mb/s。

      （4）QoS—完全實(shí)現(xiàn)可配置的功能。普通的基于IP的網(wǎng)絡(luò)都是盡力交付，所有數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)容量，沒(méi)有數(shù)據(jù)包的優(yōu)先權(quán)。對(duì)車載互聯(lián)網(wǎng)，PIDS之類典型的數(shù)據(jù)應(yīng)用通常不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，但對(duì)于語(yǔ)音通話和視頻等需要實(shí)時(shí)傳輸，對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生QoS的問(wèn)題。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)容量有限的時(shí)候，更會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)帶寬引起的時(shí)延和數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，因此服務(wù)質(zhì)量保證顯得更為重要。

      TRainCom?的QoS機(jī)制不但保證高優(yōu)先級(jí)和實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的性能，在網(wǎng)絡(luò)容量有限的情況下也能保證每種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的最小帶寬。鑒于列車控制的重要性，最高優(yōu)先級(jí)始終為CBTC保留，視頻和語(yǔ)音業(yè)務(wù)一般設(shè)為中優(yōu)先級(jí)，乘客信息和車載互聯(lián)網(wǎng)為低優(yōu)先級(jí)。

      （5）高可靠性。由于所有的基站工作在同一個(gè)頻率，幾乎沒(méi)有切換時(shí)間。使用一個(gè)無(wú)線電信道能達(dá)到99.9%的可靠性，使用雙信道可靠性更高，2個(gè)Rx鏈路時(shí)即使單個(gè)故障也不會(huì)造成數(shù)據(jù)服務(wù)供應(yīng)中斷，4個(gè)Rx鏈路時(shí)更能容許同時(shí)發(fā)生兩處故障。同時(shí)在中心控制單元CRCU中使用冗余服務(wù)器，當(dāng)一個(gè)服務(wù)器發(fā)生故障時(shí)能自動(dòng)切換到另一個(gè)服務(wù)器繼續(xù)工作，以此保證運(yùn)營(yíng)的穩(wěn)定性。

      （6）安全性強(qiáng)。TRainCom基于Linux硬盤加密和防火墻，中心控制單元CRCU文件系統(tǒng)可以得到Linux專用dm加密的保護(hù)。在車輛上，專用的網(wǎng)關(guān)計(jì)算機(jī)作為記錄狀態(tài)的數(shù)據(jù)包篩選防火墻?？梢蕴峁┌ㄐ切坞娫扨BX和web服務(wù)器功能的外部服務(wù)。另外，CRCU可以作為軌旁網(wǎng)絡(luò)的記錄狀態(tài)的數(shù)據(jù)包篩選防火墻。另外，通過(guò)將唯一的標(biāo)識(shí)號(hào)分配給所有組件，預(yù)防從無(wú)線電組件對(duì)無(wú)線電系統(tǒng)未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)或錯(cuò)誤訪問(wèn)。只有分控制單元DRCU列出的這些組件才有權(quán)訪問(wèn)無(wú)線電系統(tǒng)以及互相通信。

      （7）抗干擾性好。TRainCom工作在5.8 G頻段，不會(huì)產(chǎn)生如2.4 G的嚴(yán)重頻帶擁擠現(xiàn)象，也不會(huì)干擾軌旁GSM，WLAN系統(tǒng)。對(duì)于同頻干擾，每個(gè)收發(fā)器均能夠通過(guò)度量RSSI來(lái)監(jiān)視其接收的信號(hào)質(zhì)量，進(jìn)而檢測(cè)干擾。使用RSSI可知道列車系統(tǒng)位置操作員檢測(cè)并定位射頻干涉。

3 結(jié)束語(yǔ)

      對(duì)于整合的解決辦法，人們擔(dān)心作為一項(xiàng)非標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，TRainCom系統(tǒng)的協(xié)議不具備開(kāi)放性，對(duì)其二次開(kāi)發(fā)、升級(jí)與維護(hù)等均需要依賴技術(shù)持有方。目前國(guó)內(nèi)城市軌道交通CBTC的系統(tǒng)設(shè)備在用戶沒(méi)有確定之前選擇性確實(shí)比較多，選型確定后，由于CBTC關(guān)系到列車的安全運(yùn)行，設(shè)備一投入運(yùn)行就二次開(kāi)發(fā)、升級(jí)等工作基本依賴廠家。人們還擔(dān)心TRainCom技術(shù)的產(chǎn)品只有得力風(fēng)根公司提供，在產(chǎn)品供給方面欠缺市場(chǎng)選擇性，對(duì)于該問(wèn)題，有個(gè)最好的例子：西門子公司的通信傳輸OTN設(shè)備，是西門子獨(dú)有的技術(shù)，但該設(shè)備目前在城市軌道交通的應(yīng)用還是相當(dāng)廣泛，在目前城市軌道交通市場(chǎng)處于激烈競(jìng)爭(zhēng)的大環(huán)境下，廠商不會(huì)使自己處于不利于競(jìng)爭(zhēng)的地位，漫天要價(jià)是會(huì)失去市場(chǎng)的。

      未來(lái)城市軌道交通的趨勢(shì)，列車無(wú)線通信系統(tǒng)將會(huì)向著高帶寬、多功能、智能化的方向發(fā)展。若有足夠的帶寬，整合通信和信號(hào)系統(tǒng)，并且智能化地分配其所占的帶寬，該產(chǎn)品將會(huì)完全改變目前地鐵市場(chǎng)信號(hào)和通信的格局。目前城市軌道交通的信號(hào)和通信系統(tǒng)都是相對(duì)獨(dú)立的，地鐵項(xiàng)目所需的投資就會(huì)很大，并且日后的維護(hù)費(fèi)用也會(huì)增加。因此可以考慮將通信和信號(hào)整合到一套系統(tǒng)之中。

 

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