地铁无线通信技术的现状.doc

地铁无线通信技术的现状摘 要：本文介绍了当前主流的几种无线通信标准及其在地铁中的应用，主要分析和比较了地铁隧道区间内无线组网的方式，结合实际的应用提出了一种新的商用通信系统的无线引入方式，可以大大的减少了无线干扰源的引入。通过对无线标准的研究和探讨，选择了802.11g标准是目前既能够满足地铁信号系统和乘客资讯系统（PIS）的功能需求，而且是已经成熟的标准。 关键字：无线通信 地铁 标准 无线组网 1引言地铁无线通信作为高速运行的地铁列车与车下管理机构之间唯一的通信手段，担负着提高运营效率、保障行车安全及地铁乘客生命安全的重要使命。因此，地铁无线通信系统的设计，应该确保语音及数据通信功能、调度管理功能的实现以及保证全线场强覆盖、提高通信质量为最终目标。同时，高清晰数字视频在地铁运行车辆的实时播出，车站值班员、控制中心调度员、车辆段DCC车务人员对列车车厢内的实时图像监控，列车驾驶员对前方车站旅客候车情况的实时监控等，已成为列车运营新的需求。为满足这类需求，必须提供车地之间的高速数据无线传输通道。这个无线传输通道必须同时具备高数据容量和快速移动性两个条件。2无线标准及其应用目前，国内地铁行业使用的无线通信技术主要有：TETRA、CDMA、3G、WLAN、WiMAX、DVB-T、MESH、TRainCom等。无线通信分为商用无线通信、专用无线通信和列车控制无线通信。商用无线通信系统主要用于GSM、CDMA、3G等公用移动信号的覆盖；专用无线通信系统用于地铁的运营、生产,提供行车调度指挥与其他相关部门联系,包括列车调度、环境控制调度、公安调度、车辆段站场、维修部门等无线通信；列车控制无线通信是地铁信号系统中最重要的组成部分之一，用于控制列车间的行驶间隔。2.1 TETRA技术TETRA数字集群通信系统是欧洲电信标准协会(ETSI)制订,专用移动通信领域唯一支持无线数字集群的开放标准,可以在同一平台上提供指挥调度、数据传输及电话服务,并且具有公开、开放的优点,因此支持的厂商最多,现已在国内地铁无线通信领域广泛使用。它具有以下特点。1.提供必要的带宽,无需通过用户接口即可同时发送或接收话音和数据。2.支持数字图形、图像传输、电子邮件等多种数据应用。3.动态分配带宽,一个通信链路最多容纳4个时隙。4.每个时隙的通信能力为7.2kb/s,总体传输速率可达28.8kb/s。5.在一个物理信道机内可容纳4个时分信道可在不同的时隙内接收和发送数据,提高了频谱利用率。6.具有话音和数据加密功能,支持开放式信道信令,即允许来自不同厂商的产品进入同一个公共通信信道。2.2 3G技术3G的传输速率在20MHz频谱带宽能够提供下行100Mbit/s、上行50Mbit/s的峰值速率；改善小区边缘用户的性能；提高小区容量；降低系统延迟，用户平面内部单向传输时延低于5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms；支持100km半径的小区覆盖；能够为350km/h高速移动用户提供大于100kbit/s的接入服务；支持成对或非成对频谱，并可灵活配置1.2520MHz多种带宽。2.3 WLAN技术无线局域网(WLAN)的主要标准是IEEE802.11，它主要包括IEEE802.11b、IEEE802.1la和IEEE802.11g等。802.11b通常也被称为Wi-Fi(Wireless Fidelity)，工作在2.4GHz频段，可支持最高llMb/s的共享接入速率；802.11a工作在5.8GHz频段，其速率高达54Mb/s，分频采用OFDM(正交频分复用)技术，但最高速率的无障碍接入距离降到3050m；802.11g也采用OFDM技术，与802.11a一样可支持最高54Mb/s的速率，同时它工作在2.4GHz频段，因此，可以做到与802.11b兼容，而最高速率是802.1lb的5倍。2.4 WiMAX技术WiMAx是建立在IEEE 802.16和ETSI HiperMAN无线城域网标准基础上的无线数字通信技术，支持点对点或点对多点的网络结构，可选择在需执照频段或免执照的频谱中操作。它可以为固定站提供达50km的宽带无线接入，以及为移动站提供515km的宽带无线接入。但WiMAx在技术和产品中有许多缺陷没有解决，比如其核心网络的标准至今仍在制定和完善中，空中接口标准也存在信令开销大的问题，由于目前尚未通过中国通信标准委员会审定，政府也还没有对其进行频率分配，技术开展比较缓慢。2.5 DVB-T技术数字视频地面广播（Digital Video Broadcasting-Terrestrial ,DVB-T）是DVB一系列标准中的一个标准，用于地面开路数字电视系统，采用国际标准的MPEG-2编码，COFDM（编码正交频分复用）调制方式。在采用该技术的系统中，地铁列车在运行过程中连续不断地接收到由泄漏电缆或地面发射基站发射的实时信号，通过数字机顶盒进行解码，并转换为模拟复合视频和音频信号，再经过视音频分配器输出到终端显示屏上。DVB-T具有容量大、接入方便等特点，其技术使用于下行高速数据的传输，可以工作在多个频点，减少无线频段干扰。2.6 Mesh技术无线Mesh网络所需设备小巧轻便,易于安装。由于其路由选择特性使得链路中断,所以局部扩容和升级不会影响整个网络的运行。在Mesh网络中,数据通过中间节点进行多跳转发,每一跳至少都会带来一些延迟,随着无线Mesh网络规模的扩大,跳接越多,积累的总延迟就会越大,一些对通信延迟要求高的应用(如话音或流媒体应用等),可能面临无法接受的延迟过长的问题。目前,解决这一问题主要是增加Mesh节点以及合适的网络协议。与WLAN的单跳机制相比,无线Mesh网络的多跳机制决定了用户通信需要经过更多的节点;而数据通信经过的节点越多,安全问题就越变得不容忽视。Internet本身即是使用Mesh方式进行通信的典型,其安全隐患是众所周知的。尽管在有线网络中使用的各种端到端安全技术(如虚拟专用网VPN)也同样可以用来解决无线Mesh的安全问题,但正如Internet一样,无线Mesh网络的安全是一个不容忽视的问题。2.7 TRainComTRainCom无线电系统是一种适用于各种数据服务和运用的列车无线电系统。与现行的其它列车系统无线电系统相比，该系统能提供更多的带宽。全双工模式下总数据传输速率高达16Mbps（取决于无线通信系统的架构）。由于系统结构和构造可升级，无线通信系统几乎适用于所有列车系统-轻轨车、高速列车和磁悬浮列车速度高达600km/h。TRainCom无线电系统是一套交钥匙系统。而且，符合列车市场要求的CCTV和VoIP模块也可应用于多种应用。由于其最新技术是基于最普通的IP标准，因此即使不属于TELEFUNKEN RACOMS（德国得力风根无线电系统有限公司）供货范围的子系统，也可与TRainCom无线电系统实现互联。但是TRainCom系统的协议不具备开放性，对其二次开发、升级与维护等均需要依赖技术持有方。而且TRainCom技术的产品只有得力风根公司提供，在产品供给方面欠缺市场选择性。2.8 无线标准的比较不同的无线通信标准具有其各自的无线覆盖范围（见图1）和通信可移动性（见图2）。图1 无线标准应用场合对比-覆盖范围图2 无线标准应用场合对比-可移动性由以上分析各个无线通信技术自身的特点，再结合地铁智能化系统中功能的需求，不同的无线通信技术适合特定的地铁智能化系统（见表1）。表1 无线标准特点及其在地铁中的应用无线标准频段支持最大列车速度带宽地铁中使用的应用3G-UMTS18852025MHz(Uplink)，21102200MHz(Downlink)200km/hless than 2Mbit/s, 全双工。民用通信3G-UWB3.110.6GHz200km/hless than 2Mbit/s, 全双工。民用通信3G-LTE1.5 GHz、1.7GHz200km/hless than 2Mbit/s, 全双工。民用通信GSM、CDMA885915MHz/930960MHz 、825835MHz/870880MHz200km/h154kbit/s民用通信TETRA410420MHz(Uplink), 420430MHz(Downlink) (one example of civil systems, Europe)575km/h28.8kbit/s公安通信、专用通信WLAN(802.11g、802.11n)2.4GHz、5.8GH100km/h54Mbit/s，150Mbit/sPIS、信号系统、CCTVTRainCom 5.7255.775GHz, 5.8255.875GHz600km/h16Mbit/sPIS、信号系统、CCTVDVB-T474858MHz230km/h31.7Mbit/s移动电视WIMAX 2.32.4GHz，3.43.6GHz250km/h75Mbit/sPIS、信号系统、CCTVMESH2.4GHz、5.8GH402 km/h2Mbit/s施工监测3无线组网地铁无线信号覆盖主要是站厅、站台以及隧道区间。站厅及站台区域多呈长条形，且站厅支柱及其他障碍物较多的特点，站厅层和站台层多采用天线覆盖。隧道区间无线信号的覆盖是关键，隧道区间中无线组网的方式主要有裂缝波导、漏泄电缆和无线电台等。3.1 裂缝波导裂缝波导网主要是由中空铝质矩形管（WG），无线接入设备（TRE），波导管连接器（TGC），双面连接法兰（DFL），末端负载等组成。波导信息网移动站是由车载计算机、车载无线电台、数据采集卡、窄缝探测接收器等组成。信号传输是通过中心控制室、车站计算机、车载计算机、车载电台和列车上的定向天线发射和接收信号，轨旁单元通过同轴电缆与裂缝波导连接，以裂缝波导为载体双向传输列车实时信息。3.2 漏泄电缆漏泄电缆系统的基本结构通常采用基站加漏缆中继方式。全线通常设一个控制中心，一个或若干个基站，一个无线移动交换机，基站信道数根据用户数及话务量大小灵活配置，动态分配。操作员发出的信息经控制中心及无线移动交换机传至基站，基站各无线信道发射机通过合路器、光电转换器、光分路器与光缆相接，基站发出的信息通过光缆传送至各车站中继器，由中继器将信号放大后馈送至全线漏泄同轴电缆辐射出去，使列车司机、车站值班员、手持台持有者能很好的收到来自控制中心的信息。列车司机、车站值班员、手持台持有者发出的信息由漏泄同轴电缆接收后传送至中继器，中继器将信号放大后经光电转换设备、光合路器与光缆相连，通过光缆将信息传送至基站，再由基站经控制中心及无线移动交换机传至控制中心。3.3 无线电台无线电台组网方式是指利用1根光缆将每两站一区间上下行隧道组成一个封闭的光环网，通过Ethernet与车站无线网络交换机及隧道AP连接。控制中心发出的信息经骨干网传输到车站子系统，再从车站交换机发送到隧道区间交换机，由隧道区间交换机把信息下发到连接到该交换机的所有AP上，最后通过AP与地铁列车相互通信。裂缝波导、漏泄电缆和无线电台的比较见表2表2 裂缝波导、漏泄电缆和无线电台的比较无线组网裂缝波导漏泄电缆无线电台优点传输频带宽、传输损耗小、可靠性高、抗干扰能力强场强覆盖较好、抗干扰能力强轨旁设备少、方便安装及维护主要组件中空铝质矩形管（WG），无线接入设备（TRE），波导管连接器（TGC），双面连接法兰（DFL），末端负载等漏泄电缆（LCK），移动台，基地台，终端等无线接入点（AP），无线客户端（AP Client），天线，工业以太网交换机等基本连接示意图图3图4图5最大传输距离800m600m400m厂家ALSTOM、北京交大等ALSTOM、Bombadier等日信、SIEMENS等应用案例北京地铁2号线及机场线信号系统等上海轨道交通1号线、2号线及3号线二期等北京地铁10号线和15号线信号系统等上行线路波导管波导管波导管波导管TRE下行线路图3：裂缝波导基本连接示意图车辆LCK基地台移动台终端终端LCK移动台图4：漏泄电缆基本连接示意图交换机ClientClientAPAP图5：无线电台基本连接示意图4应用方案 国家发改委在2003-2007年和2007-2009年分两批先后对25个城市的轨道交通建设规划进行了批复，而无论是在通信系统的无线引入、PIS的无线布网还是信号系统的无线组网以及使用的标准方面并没有形成一套成熟的系统。各种不同的无线引入、组网方式和标准都在不断的试验。4.1 无线引入的方式一般情况下通信系统中商用通信系统的无线引入，无论是对TETRA还是对WLAN等都是有互调干扰的，甚至商用通信系统无线自身互相都有一定的互调干扰（见表3）。表3 商用无线通信系统频段移动通信标准825835MHz/870880MHz电信CDMA885915MHz/930960MHz高铁GSM-R（4M）、移动GSM、联通GSM、17101725MHz/18051820MHz移动DCS17451755MHz/18401850MHz联通DCS18801920MHz/20102025MHz3G时分双工（TDD）主要频段，即TD-SCDMA19201980MHz/21102170MHz3G频分双工（FDD）主要频段，即WCDMA、CDMA200017551785MHz/18501880MHz3G频分双工（FDD）补充频段，即WCDMA、CDMA200023002400MHz3G时分双工（TDD）补充频段，即TD-SCDMA19001920MHz电信、网通PHS建议商用无线通信系统可以在车站的站厅层和站台层分别加装手机信号接入设备，直接与控制中心连接。在车厢内同样加装手机信号接入设备，通过和PIS或信号系统使用同一个无线通信信道传输到车站。控制中心与运营商连接，这样一来就可以减少商用通信系统的引入设备，大大的减少了干扰源特别是区间隧道内的干扰。4.2 无线标准的选择地铁也算是百年工程，在追求无线通信带宽性能的同时更应该注重的是稳定和成熟。目前2.4G能够满足802.11标准系列的产品比较多(高铁标准隶属铁道部科技司国家专门从移动运营商扣出4M频率给高铁无线通信GSM-R，地铁目前暂无行业主管部门国家没有规划频率专用)，5.8G供货厂商比较少、布置密度大（频率高则衰减也大）而且根据无委会规定还需要收费。TRainCom无线电系统则属于私有的技术，不具备开放性，对其二次开发、升级与维护等均需要依赖技术持有方。其他的无线标准不是传输的带宽小，无法满足地铁的功能需求，就是技术标准还不够成熟，目前国内绝大多数城市地铁都是采用2.4GWLAN技术。信号系统和PIS系统都使用同一个WLAN无线标准，802.11g无线标准只有3个互不干扰的信道，由于信号系统是保证列车的行车安全，必须保证其带宽，所以一般信号系统分配2个信道，PIS系统占1个信道。虽然PIS