城市轨道交通车地无线通信组网及应用探讨

城市轨道交通车地无线通信组网及应用探讨

李颀

北京地铁运营四分公司北京

摘要：随着城市轨道交通的快速发展，车地无线通信技术作为城市轨道交通的关键性技术也越来越受到各方面的重视。轨道交通车地无线通信一般包含列车信号系统（CBTC）和乘客信息系统（PIS）两个部分。而在国内目前在建轨道交通项目中，PIS系统和CBTC系统的无线网络均采用WLAN技术，因此就需要避免其在各种隧道环境中产生相互干扰以及其他系统对它们的影响。本文从组网、占用带宽、应用特点等方面对比了PIS系统和CBTC系统的车地无线通信部分，并提出了建设和运营中应注意的一些问题以及车地无线通信技术的发展趋势。

Abstract: With the development of urban rail transit, train-ground wireless communication technology as a key technique for urban rail transit is becoming more and more attention of the various aspects. Rail transport in wireless communication generally contain signal system (CBTC) and passenger information system (PIS) two parts. In domestic rail transportation project under construction currently, PIS system and wireless network of CBTC system adopt WLAN technology, so they need to avoid the interference in the tunnel environment and other systems for their impact. In this paper, from the aspects of network, bandwidth, application characteristics compared the PIS system and train-ground wireless communication part of CBTC system, and puts forward some problems that should be paid attention to in the construction and operation as well as the trend of the development of the train-ground wireless communication technology.

关键词：轨道交通车地无线通信乘客信息系统基于通信的列车自动控制系统WLAN

Key words: urban rail transit, train-ground wireless communication, PIS ,CBTC, WLAN

1 城市轨道交通车地无线通信系统概述

当前，随着我国城市化的不断发展，越来越多的城市已经开始建设或规划建设城市轨道交通线路。城市轨道交通已凭借其安全、快速、环保等特点，进入到空前繁荣的发展时期。由于轨道交通一般建设在人口密集和流动性大的大中型城市，因此，公共安全和乘客体验是考量其运营情况的重要指标，而车地无线通信正是影响这一指标的关键因素之一。

按照应用的方向，轨道交通车地无线通信一般包含列车信号系统（CBTC）和乘客信息系统（Passenger Information System，以下简称PIS）两个部分。其中列车信号系统是列车运行的核心系统。其功能相对单一，主要提供高可靠、高精度列车自身定位，以及连续、高容量的车地双向数据通信。列车信号系统（CBTC）是车地通信系统中对于安全性能要求最高的部分。

PIS系统的基本概念是指地铁运营商采用成熟可靠的网络技术和多媒体传输、显示技术，在指定的时间，将指定的信息显示给指定的人群。是依托多媒体网络技术，以计算机系统为核心，以车站和车载显示终端为媒介向乘客提供信息服务的系统，使乘客通过正确的服务信息引导，安全、便捷地乘坐轨道交通。PIS在正常情况下，提供乘车须知、列车到发时间、列车时刻表、管理者公告、政府公告、出行参考等实时动态的多媒体信息；在火灾、阻塞及恐怖袭击等非正常情况下，提供动态紧急疏散提示。

在列车运行中车载设备要实时接收来自地面运营中心的节目，在列车车厢显示屏上播出音视频。同时通过车厢内监控摄像头，监控旅客乘车情况，将监控视频信息实时上传至运营中心，作为管理部门安全决策的支持信息。

随着科技的不断发展，乘客服务及资讯信息不仅要实现运营中心与车站、车站与车站间的通信，还要完成列车与地面间的实时通信，例如：运营中心向列车实时转播数字视频等多媒体信息，列车实时上传车厢内的监控信息等。

由于列车是在高速运行环境下进行信息的实时传输，而且为了给乘客提供高质量的信息服务，PIS要求列车在高速运行情况下，保证图像质量，不会出现马赛克、中断等现象，这就要求车地系统要有足够的带宽并且保证车地间信息的可靠传输。

因此，PIS系统是一个集地铁运营信息服务、多媒体实时资讯发布、广播电视节目制作与播出、地铁电视监控、地铁设备监控于一体的综合服务平台。PIS为乘客提供上述各类信息，使乘客安全、高效地在地铁中行走，确保地铁系统高效安全运营。

2 PIS 车地无线系统与信号CBTC系统的比较与分析

目前大多数城市轨道交通PIS系统采用基于WLAN技术组建车地无线传输网络，车地无线传输网络作为覆盖全线车站、区间和车辆段的高速数据传输网络，为地铁列车和地面之间提供视频、数据、语音等信息的传输通道。而在国内目前在建轨道交通项目中，除了PIS系统需要采用WLAN技术外，信号系统中基于通信的列车自动控制系统(CBTC系统)也大都采用WLAN技术，因此就需要避免两系统的无线网络在各种隧道环境中产生相互干扰以及其他系统对它们的影响。

2.1 基于IEEE802.11系列的WLAN技术概述

IEEE的802.11工作组是无线局域网标准的开发组织之一，开发的主要是IEEE802.11标准。经过多年努力，IEEE802.11已经发展成为了一个系列标准，表1是常用的四个标准的主要技术参数。其中 2.4GHz是一个开放的ISM(企业、科学和医疗)频谱，只要其无线接入点(AP)的发射功率及带外辐射满足无线电管理机构的要求，则无需提出专门的申请即可使用此ISM频段;而5.8 GHz的频谱需要向国家无线电管理委员会申请有偿使用。

表1

802.11a使用了5.8GHz的频谱，与802.11b及802.11g不可兼容，使用的5.8GHz频谱干扰较少，可提供更多的非重叠频道，传输速度较高。802.11b及802.11g都使用2.4GHz的频谱，可以互相兼容使用，较早时期，由于低成本的缘故，802.11b标准最为普及。目前由于对速率的需求，基于802.11g标准的无线局域网最多。

802.11n是在802.11a/b/g后新出现的一个无线传输标准协议，2009年才获得IEEE的正式批准。802.11n 可以同时工作在2.4GHz和5.8GHz频段而互不干扰。它可以将WLAN的传输速率由目前802.11a/g提供的54Mbps提供到300Mbps甚至600Mbps。MIMO(多入多出)与OFDM(正交频分复用)技术相结合而应用的MIMOOFDM 技术，不仅提高了无线传输质量，也使传输速率得到极大提升;在覆盖范围方面，802.11n采用智能天线技术，通过多组独立天线组成的天线阵列，可以动态调整波束，保证让WLAN用户接收到稳定的信号，并减少其它信号的干扰。因此其覆盖范围得以扩大;在兼容性方面，802.11n采用了软件无线电技术(SDR)，由于SDR是一个完全可编程的硬件平台，使得不同系统的基站和终端都可以通过这一平台的不同软件实现互通和兼容，这使得WLAN的兼容性得到极大改善。这意味着WLAN 将不但能实现802.11n向前后兼容，而且可以实现WLAN与无线广域网络的结合，比如3G网络。

2.2 PIS与CBTC占用带宽比较

根据PIS车载子系统的功能，要求移动的列车与地面之间具有实时数据传输的能力，在列车高速运行时，应保证图像质量，不会出现马赛克、中断等现象，无线网络系统应能支持快速移动通信及漫游切换。其中无线网络传输的数据主要分为车载视频播放信息和车载视频监控信息。每列列车接收来自控制中心下发的1路标清数字视频信息，每路信息占用的带宽一般为4～8M，加上预留10%的视频重传技术，因此一般在4.4～8.8MHz。除此之外，还包括PIS系统的文本信息和控制信息，一般在100KHz左右。因此车载视频播放信息所需带宽总共大约在4.5～8.9MHz。在区间运营中的每列列车要求上传2路视频图像信息，每路占用的带宽约为2MHz，因此总带宽约为4MHz。由上述分析可得，PIS系统在车地无线网络中所需要的