城市轨道交通车地无线通信频率规划的探讨
张京晶
（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100070）
摘 要：随着城市轨道交通技术发展及需求增加，PIS系统成为目前国际和国内城市轨道交通的热点和亮点，而车地无线通信是PIS系统最需要关心的方面，根据国内城市轨道交通建设情况，信号及PIS系统车地无线通信大多采用相同技术，且频率使用也较为接近，因此抗干扰问题成为重中之重。本文从轨道交通车地通信无线传输需求、车地无线技术角度出发，分析并提出了对频率使用、技术选择的合理规划，为地铁今后PIS系统的应用及无线的规划和选择提供借鉴。
关键词：交通运输系统工程；轨道交通；PIS
1 研究背景、目的和意义
乘客信息系统（PIS）在地铁空间建立起一个动态的信息系统，让乘客身处地下空间，仍然能够时刻保持与外部世界的信息交流，充分体现以人为本、为乘客服务的宗旨，提高了地铁运营总体服务水平和服务质量。
随着城市轨道交通技术发展及需求增加，PIS系统成为目前国际和国内城市轨道交通的热点和亮点，而车地无线通信是PIS系统最需要关心的方面，现阶段车地通信所需传输内容包括：车载PIS信息显示（下行）、车载视频监控图像回传（上行）、CBTC及列车状态信息上传以及可能涉及的车载Wi-Fi覆盖等无线数据业务。由于车地信息交互都需在高速移动状态下进行，因此所选择的车地无线传输技术需提供满足需求的带宽，并具有一定的稳定性、QoS保障和实时性要求。根据国内城市轨道交通建设情况，信号及PIS系统车地无线通信大多采用相同技术，如WLAN，且频率使用也较为接近，因此抗干扰问题也成为重中之重。
城市轨道交通中存在同台换乘及并行区域，在这些区域信号系统、PIS系统也会存在干扰问题，而且地下空间频率资源较为紧张，本文分析并提出对频率使用、技术选择的合理规划。
2 车地无线传输需求分析
2.1 信号系统CBTC承载需求
双网覆盖，单侧线路1.2KM范围内信号系统单网带宽需求不低于2M；车地通信单网络信息的丢包率应小于1％；车地通信单网络的越区切换时间应在100ms以内；车地通信信息经有线和无线网络传输延迟时间应小于150ms；单次报文有效传输时间小于或等于500ms；应实现不高于120km/h运行速度下车地实时双向通信的要求；数据通信系统设备平均无故障时间：MTBF>1×105h；车地通信设备的平均故障修复时间：MTTR<30min；信号系统的可用性指标不小于99.999％；应保证车地通信可靠连接、无中断。
即信号系统需2M带宽需求，且高可靠性。
作者简介：张京晶。
2.2 PIS系统业务信息承载需求
2.2.1 乘客信息PIS图像下发播放
车地无线传输平台需提供匹配PIS专业需求的连续高带宽、低时延车地无线传输通道。
正线信息承载：PIS图像采用高清（1080P）图像质量预设业务信道带宽，每列车业务信息承载带宽为下行8Mbit/s。
车辆基地信息承载：在车辆基地承载网络应根据无线资源使用现状，采用尽力而为方式为PIS图像应用提供传输信道带宽，每列车业务信息承载带宽为下行2Mbit/s。
2.2.2 车载监控图像回传
在地铁车地无线的应用场景下，车载视频监控图像回传是无线综合宽带传输平台最大的上行传输业务需求，其重要性仅次于信号系统业务需求。
正线信息承载：在正常情况下，全线需向中心上传2路客室监控图像信息。车载CCTV业务带宽需求为2×2=4Mbit/s（上行信息）。若采用高清视频监视，则带宽需求为2×6=12Mbit/s（上行信息）。
车辆基地信息承载：列车停靠在车辆基地时，中心可同时调取4路客室监控图像的录像信息，带宽需求为4×1=4Mbit/s（上行信息）。若采用高清视频录像，则带宽需求为4×6=24Mbit/s（上行信息）。
2.2.3 其他需求
未来可能引入的车载Wi-Fi覆盖系统，上下行带宽需求约为50Mbit/s。
3 常用车地无线技术简介及分析
3.1 无线局域网技术简介与分析
无线局域网技术是目前应用最为广泛的一种移动宽带传输技术，其标准先后经历802.11/802.11b/802.11a、802.11g、802.11n及802.11ac。采用无线局域网技术，可以实现列车与地面之间的双向高速通信。由于无线局域网技术成熟、产业化水平高，在目前国内轨道交通信号、PIS系统建设中，车地无线双向宽带传输网大部分采用了无线局域网技术[1]。
无线局域网技术中：
802.11a（5.8GHz频段），其设备类型相对较少，选择余地不大，设备价格较高，使用时需向无委会申请，并交纳一定的频率使用费用，运营成本较高，但由于在此频段工作的系统不多，系统可以不受外界的影响。
802.11g（2.4GHz频段），其设备类型相对较多，选择余地较大，价格较低，设备的技术成熟。但在此频段各种设备和系统比较多，系统容易受到干扰。目前轨道交通信号移动闭塞制式的ATC系统大都也采用该频段。
802.11n（2.4GHz及5.8GHz频段）的无线传输质量可以提供到300Mbps甚至高达600Mbps，它采用智能无线技术，可以动态调整波束，覆盖范围更大，并且能够向前后兼容，而且可以实现WLAN与无线广域网络的结合。802.11n技术已经在轨道交通中有了应用案例。
802.11ac是在802.11a标准之上建立起来的，包括将使用802.11a的5GHz频段，不过在通道的设置上，802.11ac将沿用802.11n的MIMO技术，为它的传输速率达到Gbps量级打下基础，第一阶段的目标达到的传输速率为1Gbps，目的是达到有线电缆的传输速率。此外，802.11ac还将向后兼容802.11全系列现有和即将发布的所有标准和规范。
3.2 常用的802.11g/n标准工程应用情况分析
目前，大多数城市轨道交通信号及PIS系统均采用WLAN车地无线技术，并使用802.11g/n标准中的2.4/5.8GHz频段。
按照802.11标准的规定，无线网络首选的频率带宽是2.4GHzISM，许多工业、科研和医疗设备的发射频率均集中于该频段。该频带为国际频带分配，是不需要授权的，并且将极大地简化无线网络的安装和操作过程[2]。
2.4GHzISM频段内定义了14个信道，每个信道的频宽为22MHz，相邻两个信道的中心频率之间相差5MHz，即信道1的中心频率为2.412GHz，信道2的中心频率为2.417GHz，以此类推至13信道中心频率为2.472GHz。而信道14是特别针对日本所定义的，其中心频率与信道13的中心频率相差12MHz。14个信道在各个国家开放的情况不一样，在中国开放1～13信道。2.4GHz工作频段划分如图1所示。
图1 2.4GHz工作频段划分
从图1可以看到，由于每个频道的频宽为22MHz，相邻两个信道的中心频率之间仅相差5MHz，所以信道1在频谱上和信道2、3、4、5都有交叠的地方，这就意味着如果两个无线设备同时工作，且它们工作的信道分别为1和3，则它们发送出来的无线信号会相互干扰。信道1直到信道6才相互之间不干扰。
因此，为了最大限度地利用频段资源，减少信道间的干扰，通常使用1、6、11；2、7、12；3、8、13；4、9、14这4组互相不干扰的信道进行无线覆盖。在同一条地铁线路工程中，PIS、信号系统通常使用1、6、11信道，PIS占用1条，信号占用2条，以避免干扰。
而5.8GHz频段的可用独立信道由3个增至5个，部分地铁工程也已采用，但可提供设备的信号供货商有限，如西门子车地通信采用802.11b扩频技术、泰雷兹车地通信采用802.11跳频技术，均不适用于F5.8G频段。
3.3 LTE技术简介与分析
LTE（3GPP Long Term Evolution）是3G与4G之间的一个过渡，是3.9G的全球标准。LTE改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。
LTE技术采用了OFDM、MIMO、自适应调制编码（Auto Modulation and Coding，AMC）及混合自动重传（Hybrid ARQ，HARQ）等技术，在20MHz频谱带宽下能够提供下行150Mbit/s与上行75Mbit/s的峰值速率，同时在改善小区边缘用户的性能、提高小区容量和降低系统延迟等方面都有显著提升。
LTE技术基于分组交换的整体架构，其系统部署灵活，支持1.4～20MHz间的多种系统带宽；自动频率矫正技术，有效克服多普勒效应，确保高速移动场景下的无线链路质量。LTE采用非民用频段，可以有效避免干扰。能够支持300Km/h的速度。采用RUU+漏缆方式覆盖，增加覆盖范围，可以有效减少切换。而且可以从根本上避免与信号系统间的干扰问题。
LTE技术可用于车-地无线传输的频段为1785～1805MHz（TDD，共计20MHz），具体可参见工信部[2008]332号（关于固定无线视频传输系统使用频率的通知）。使用该频段同时具有以下优势：相应频段的LTE网络设备（包括终端设备）产业供应链较为完善；可以避免与移动运营商4G/LTE系统间的干扰（移动运营商LTE频段主要集中在2320～2370MHz和2575～2615MHz频段）。
LTE技术完全能够满足地铁车地无线技术的要求。目前，LTE已经有成熟的产品在运营商中使用，如近期郑州、乌鲁木齐、杭州等地铁建设使用了该技术。根据国内现有设备测试情况，可提供平均传输速率（上下行）为35Mbit/s。
LTE传输技术相比于WLAN无线传输技术有着完善的QoS传输管理策略设计，LTE系统实现9个调度优先级，并且按照预定义的可能承载业务类型，对应不同的QoS（Quality of Service）服务质量（延时、丢包等）要求，定义了9个QCI（QoS Class Identifier，服务质量类别标识），系统根据QCI对应的优先级进行资源分配和调度。在城市轨道交通车地通信环境下，可以保证等业务的高可靠传输。
LTE系统采用先进的信号处理技术，设备的接收机灵敏度优于WLAN设备。LTE使用波束赋形的数字信号处理技术，结合智能天线阵列的自适应功能，降低用户间、小区间干扰，提升系统容量；采用成熟的预编码技术抵抗MIMO部署下的多用户干扰问题。
4 存在干扰分析
信号、PIS系统间可能会存在的干扰主要为同频干扰，即其他专业使用载频与本专业相同时，对本专业接收机造成的干扰。由此将会产生以下干扰：1）同一条线路的PIS与信号系统间的干扰；2）不同线路PIS系统间的干扰；3）不同线路信号系统之间的干扰；4）不同线路PIS、信号间的干扰。
5 城市轨道交通车地无线通信频率规划的方案
表1 国内主要城市建设情况
从国内主要城市建设情况（表1）分析，为从根本上避免干扰的产生，可从以下3种途径进行解决：1）频段隔离；2）综合承载网；3）安装措施及施工工艺。
5.1 频段隔离方案
本方案通过频段隔离，即为不同系统划分不同频段的方式，避免系统间干扰。
5.1.1 我国免费WLAN频率政策规定
WLAN在免费2.4GHz频段（2400～2483.5Hz，共83.5MHz频谱资源）具有（1、6、11）3个互不重叠的信道（20M频宽）。对于5GHz频段，2012年之前5GHz频段可用资源只有100MHz（5725～5825MHz），随着工信部在2012年底关于5GHz频段的正式发文，上述问题得到了缓解，工信部明确发布了5150～5350MHz频段的使用事宜，并且还在考虑进一步开放更多的频谱资源。
5.1.2 轨道交通频率规划分析
信号系统：信号系统可占用2.4GHz频段中的2个信道或使用5.8GHz频段，通过合理规划消除换乘站问题，例如有换乘关系的两线信号系统可分别使用2.4GHz及5.8GHz频段。
PIS系统：考虑到信号系统频率占用情况，PIS系统建设可将使用频段固定在LTE1.8GHz、802.11n5.8GHz频段（与信号使用信道错开）或与地铁Wi-Fi覆盖系统合用5GHz频段（采用802.11ac技术条件下）。有换乘关系的线路间PIS系统使用不同信道。
5.2 无线综合承载网方案
本方案由信号或PIS系统建设无线综合承载网，统一传输CBTC及PIS无线信号。
5.2.1 LTE综合承载网方案
根据信号业务承载需求及工程可用频率资源，LTE无线综合通信网络可采用A/B双网设计。
正线：A网使用15MHz系统带宽同频组网，B网使用5MHz系统带宽同频组网；暂按1.8G频段（1785～1805M）考虑，A网使用15MHz（1785～1800MHz）带宽同频组网，B网使用5MHz带宽（1800～1805MHz）同频组网。
车辆基地：A网使用5MHz系统带宽同频组网，B网使用5MHz系统带宽同频组网。A/B网相互独立，并行工作（前端共用天馈系统）。暂按1.8G频段（1785～1795M）考虑，A网使用5MHz（1785～1790MHz）带宽同频组网，B网使用5MHz带宽（1790～1795MHz）同频组网。
A/B网络核心网EPC设备设置在控制中心信号设备室内；分布式宏基站的BBU设备分设在沿线各车站及车辆段/停车场通信设备室内，EPC与BBU之间的连接通道由传输系统提供；RRU分布设置在全线各车站、车辆段/停车场列检库等重要单体通信设备室内及长大区间轨旁，BBU与RRU之间通过Ir接口光缆连接。
本方案在区间采用漏缆覆盖，因此可控制信号泄露距离，保证在换乘站不对临线产生干扰。
5.2.2 WLAN综合承载网方案
由信号或PIS系统统一建设WLAN车地无线传输系统，统一规划信道使用，频段使用采用5.8GHz。
5.3 优化安装措施及施工工艺措施
在同站台换乘和可能存在的并行区域传输媒介采用漏缆或波导管。相对于无线电台方式，漏缆和波导管方式由于无线电波主要在漏缆和波导管中传输，泄露出来的信号弱，并且只局限在一个很小的范围，因此这种方式产生的无线电干扰小，车载天线与漏缆和波导管之间的距离很近且信息传输的方向性很强，外界的其他信息源也很难对其造成干扰。同时在设备安装调试过程中，严格控制施工工艺，确保漏缆和波导管安装位置及信息传输方向与车载天线对应；调试中精确测试信号场强覆盖范围，调整功率，保证两条线路互不干扰；在困难区域，应考虑设置电磁屏蔽设施。
6 结论
通过分析轨道交通车地通信无线传输需求、车地无线技术，提出了对频率使用、技术选择的合理规划，推荐采用频段隔离方案规划及避免系统间干扰。同时车地无线频率的合理规划也为地铁今后PIS系统的应用提供借鉴，为轨道交通的发展带来便捷。
参考文献
[1]邓红元.初探信号CBTC系统与乘客信息系统共建WLAN的可行性[J].铁路通信信号工程技术，2007（1）：38-40.
[2]中国城市轨道交通协会.城市轨道交通CBTC系统抗干扰技术改进指导意见[R].2014-01-23.