城市轨道交通中无线通信技术的应用探讨

城市轨道交通中无线通信技术的应用探讨
作者：王洪杰
来源：《科技创新与应用》2016年第17期
摘要：城市轨道交通由于其地下空间的狭小和紧张的特点，不利于各类通信电缆的敷设，而随着各类无线通信技术的日益发展完善，传输带宽能力及实时信息处理能力的不断提高，无线通信技术在城市轨道交通中得到越来越广泛的应用。

文章简单介绍3G、WLAN、
4G、Zigbee等无线通信技术的特点及优势，阐述其在城市轨道交通中的应用发展方向。

关键词：无线通信；城市轨道交通；应用
前言
无线通信是利用电磁波信号可以在空间中自由传播的特性进行信息交换的一种通信方式，由于其传播不受通信电缆敷设的限制，近些年发展非常迅速、应用也非常广泛。

城市轨道交通具有运量大、速度快的特点，近几年在全国各大城市进入了建设高潮，随着智能终端的应用普及，乘客对地铁系统的无线通信服务提出了越来越高的要求。

目前，城市轨道交通无线通信用途常被分为三种如专网无线、公网无线（或民用无线）以及公安通信。

城市轨道交通无线网络需要在一个相对独立、专用的系统中进行各项数据的传输，在接入公网之后会存在一些干扰性问题，这是当前地铁建设中一个亟待解决的问题。

1 城市轨道交通无线通信概述
当前阶段，城市轨道交通无线通信主要是为了保证列车安全运行和提供乘客信息的作用，其专用的专网无线系统，功能强大、涵盖面广，能够保障轨道交通安全正常运营、实时调度及智能监控，主要系统包括车载CCTV（闭路电视监控）、移动电视、信号系统CBTC（基于无线通信的列车控制技术）、通信PIDS（乘客信息）系统等[1]。

公网无线系统主要由电信运营商向乘客提供移动电话通信及职能终端的网页浏览等业务，现阶段出于对城市轨道交通中专网无线通信的可靠性的考虑，公网无线系统的建设滞后，无法真正满足乘客日常需求。

公安无线系统是城市轨道交通中较为独立的一套无线通信系统，是地面公安无线通信系统在地下车站和隧道区间的延伸，可实现警务人员地面与地下的移动通信，为警务人员在地下空间快速、有效地处理突发事件提供通信保障[2]。

2 几种典型无线通信技术
2.1 3G技术
3G技术即第三代移动通信技术，该技术有三种制式：时分同步码分多址（TD-SCDMA）、宽带码分多址WCDMA和升级的码分多址CDMA2000。

3G技术工作在需要授权
的频段内，国家工业和信息部已于2009年1月7日正式向国内三大移动运营商发放了3G运营牌照，工作频率主要分布在1880MHz-1955MHz，2010MHz-2145MHz两个频段之间。

3G能够处理音乐、图像视频等多媒体形式，能够实现网页浏览、会议电话、电子商务等多种信息服务，其高速移动的传输速率能达到144kb/s，慢速移动的传输速率是384kb/s，静止状态传输速率为2Mb/s。

3G技术的高速移动速率并不高，已无法满足当前智能终端对高清图像、视频等的支持需求。

2.2 WLAN技术
WLAN（Wireless Local Area Networks无线局域网络）是一种相当便利的数据传输系统，它利用射频技术，使用电磁波取代旧式双绞铜线构成局域网络，在空中进行通信连接，它其实是众多无线通信网络的统称，其中最广泛应用的当属于WiFi技术。

WLAN最主要的通信标准是IEEE802.11标准，是包含了IEEE802.1lb/g/n及IEEE802.11a/IEEE802.11ac等的协议族。

基于IEEE802.11标准的无线局域网允许在局域网络环境中使用可以不必授权的ISM频段中的2.4GHz或5.8GHz两个波段进行无线连接。

IEEE802.11b采用最高11Mb/s的传输速率接入共享信号，频段控制在2.4GHz，此标准也即是现在应用广泛的WiFi。

IEEE802.11g与IEEE802.11a一样均采用OFDM技术，最高传输速率是54Mb/s，频段控制在2.4GHz，能与IEEE802.11b兼容，且最高速率是它的近5倍；但IEEE802.11a采用正交频分复用技术（OFDM）技术，其频段控制在5.8GHz，在最高速率可达54Mb/s。

IEEE802.11n是在IEEE802.11b/g及IEEE802.11a的基础上发展起来的，同时支持
2.4GHz或5.8GHz两个波段，且向前兼容IEEE802.11的协议族，其最大速率可达300-
600Mb/s；IEEE802.11ac则是IEEE802.11a/n的继任者，工作在5.8GHz两个波段，最大支持
1GMb/s。

需要特别说明的是，目前中国城市的轨道交通的无线通信技术如CBTC、PIDS及移动电视等都是使用WLAN的标准和技术[3]，其工作频率基本重叠，所以WLAN在城市轨道交通的应用推广面临着与列车无线通信信号的严重干扰问题，深圳地铁就发生过因为乘客自带的WiFi终端造成列车的逼停事件。

WLAN技术主要特点是使用无需授权，组网方便灵活，同时能提供非常高速率的无线数据传输速度。

2.3 4G技术
4G技术即第四代移动通信技术，该技术包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式，也是工作在需授权的频段上，2013年12月4日下午，工业和信息化部向国内三大移动运营商发放了4G 牌照，工作频率主要分布在1880MHz-1900MHz，2300MHz-2390MHz及2555MHz-2655MHz 三个频段之间。

在功能上，4G就是集3G与WLAN于一体得通信技术，能够更广范围内地、更高速率地传输高质量的音频、视频和图像等。

4G技术主要采用正交多任务分频技术（OFDM），能够提供100Mbps以上的传输熟虑，比目前的家用宽带ADSL（4兆）还要快25倍，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。

2.4 Zigbee技术
Zigbee（又称紫蜂协议）是基于IEEE802.15.4标准一种短距离、低功耗的无线通信技术，这一名称来源于蜜蜂与同伴传递花粉所在方位信息的八字舞，Zigbee技术工作频率在
2.4GHz，无需授权。

其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。

主要适合用于工业现场的遥测遥控等领域，可以嵌入各种设备中。

ZigBee在室内通常能达到30-50米的作用距离，在室外空旷地带甚至可以达到400米（不加功率放大）。

ZigBee具有低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、高容量、高安全以及免执照频段的优点。

3 几个城市轨道交通中无线通信的应用方向
针对以上几种无线通信技术的特点和优势，结合当前技术发展，分析城市轨道交通中下一步的几个应用发展方向。

3.1 3/4G技术在城市轨道交通中的应用普及
3/4G技术能够满足处理音乐、视频、图像视频等多媒体形式及实现网页浏览、会议电话、电子商务等信息服务的需求，其在人们日常生活中扮演者越来越重要的角色。

但是，经调研国内各大城市城市轨道交通中对3/4G的普及并不高，部分线路引入了3/4G的应用也仅仅是在站台及站厅，当列车行驶在隧道内时，一般的网页浏览已很难满足，甚至无法进行网络连接。

当前3/4G通信系统在城市轨道交通的应用主要阻碍有以下两点：（1）地铁公司一般顾虑是3/4G
的在地铁内的应用会有助于乘客自带WiFi热点（用于3/4G信号转换为WiFi共享信号）对列车信号系统造成影响；（2）当前城市轨道交通已运营线路建设之处并为考虑为3/4G通信系统的建设需求，而后期改造过程中，地铁内尤其是隧道内新增条件较差，且由于地铁运行时间的限定，每天可利用工作时间非常有限，无疑增大了3/4G通信系统的普及。

从技术上说，3/4G通信系统与列车信号系统不存在太严重的信号干扰问题，且通过技术跟新，较容易解决，因此3/4G普及会随着地铁已运行旧线路的共用通信网的改造逐渐改观。

3.2 WiFi技术在城市轨道交通中的应用
WiFi技术因其组网灵活及有着非常高的数据传输速率的特点应用广泛，但其与列车移动电视、信号系统CBTC、PIDS乘客信息系统的同在2.4GHZ频段带来的干扰问题阻碍了其在城市轨道交通中应用。

2007年9月，深圳地铁统为地铁1号线搭建无线宽带传输网络，它是国内首个成功部署WiFi技术同时实现视频上下行传输的城市，为利用WiFi技术进行实时视频信息传输开创先河。

上海地铁WiFi从2014年底开始在地铁13号线全线开通了名为“花生地铁测试WiFi”的无线信号。

继深圳、上海后，广州地铁成为第三个在地铁列车中开放免费WIFI的城市，2013年广州地铁已经在8号线昌岗、晓港、中大三个站进行技术论证，2015年春节开始内部测试；2016年初广佛线WiFi试验段（岗至金融高新区站）顺利通过验收。

当前解决WiFi与列车运行通信系统互相干扰的解决方法主要有以下几类：（1）地铁内WiFi系统采用5.8GHz固定频段通信，但此方案无法兼容现在大多只支持2.4GHz的智能终端，且给未来增加隐患；（2）CBTC及PIDS系统搬移到目前的GSM-R频段，此方案需要对现有系统进行较大改造，地铁公司难以执行；（3）技术更新，研究城市轨道交通专用的WiFi 技术。

针对方案（3），现阶段技术主要包括DS-FH混合扩频技术和固定信道划分技术。

当前深圳地铁就采用了列车信号系统与免费的WiFi分别设在不同的信道，所搭建的WiFi网络和地铁信号系统固定在不同的信道上，从而避免干扰。

这两种方案是城市轨道交通用WiFi的发展方向，需要进一步研发适用的设备和系统并投入商用。

3.3 Zigbee在城市轨道交通中的应用
城市轨道交通备电系统电池状态的监测对地铁供电系统的可靠运行有着很大作用，但是地铁备电系统电池组数量巨多，如果每个电池均采用专用电缆的方式进行通信，则无疑是昂贵而复杂的；同样地铁杂散电流监测系统一般在车站或者车场停车库范围内设置监测端子及传感器，距离监测数据收集器-监测装置距离一般不超过200米，但是现在方案均需要在拥挤的车站轨行区敷设专用通信电缆。

Zigbee具有的低功耗、低成本和免执照频段的优点使其在工业现场得到较广泛应用。

针对城市轨道交通车站备电系统电池状态监控及地铁杂散电流监测系统，Zigbee具有较大应用潜力。

每个被监测电池组及测量端子处安装Zigbee终端模块，通过自组网方案，以一定数量终端模块为群组向中继Zigbee传输监测数据并最终传输至监测系统微机管理系统。

城市轨道交通备电系统电池状态的监测系统及杂散电流监测系统中应用方案及技术，作者将进一步在后续论文中讲述。

4 结束语
文章对几种基本的无线通信技术的特点进行了简单的分析，随着城市轨道交通技术的提高，未来城市轨道交通无线通信系统将会向着高带宽、多功能、智能化的方向发展。

但城市轨道交通无线通信技术发展必须以当前无线通信新技术为基础，在此基础上发展出通信能力更强、更适合、更经济的轨道交通的无线通信技术。

文章分析了3/4G技术、WiFi技术及Zigbee 技术在城市轨道交通的应用及普及前景，指出了其研究发展方向。

参考文献
[1]陈康，李玉斌.无线通信技术在城市轨道交通中的应用[J].电气化铁道，2009，2：40-42.
[2]马文胜.地铁公安无线通信引入系统解决方案[J].现代城市轨道交通，2013，4：15-18.
[3]聂淼.浅谈现代城市轨道交通无线通信技术与应用[J].通讯世界，2015，10：12-14.。