摘要：介紹了當前幾種主流無線通信技術，并根據城市軌道交通承載業務需求、對實際傳輸速率等進行了比較，簡單介紹了得力風根公司的TRainCom技術，據此對城市軌道交通無線通信系統提出整合的建議。
關鍵詞：無線通信；城市軌道交通；整合
0 引言
城市軌道交通無線通信業務一般將其分為專網無線、公網無線（或民用無線）以及公安通信，隨著無線通信技術的日益發展，傳輸帶寬不斷提高，通信終端的實時信息處理能力飛速增強，城市軌道交通的無線通信技術得到了更為廣泛的應用。目前國內城市軌道交通無線通信技術系統主要包括信號系統CBTC（基于無線通信的列車控制技術）、通信PIDS（乘客信息）系統、車載CCTV（閉路電視監控）、移動電視等。
1 目前使用的無線系統
目前，國內城市軌道交通行業存在的信號和通信系統都是相對獨立的，隨后產生的新興無線通信的應用都各自成系統、相對獨立，基本都使用各自不同的無線通信網絡。而無線通信技術主要有：TETRA（數字集群）、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線技術，但均存在傳輸速率低、且接入公網存在安全、干擾等問題，不能滿足城市軌道交通的使用需要。DVB-T數字視頻廣播是為了數字電視信號在地面傳播而開發的，具有容量大、接入方便等特點，其技術使用于下行高速數據的傳輸，可以工作在多個頻點，減少無線頻段干擾。場強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線通信需求，但由于其上行速率較低，對車載CCTV不適用。
本文就3G、WLAN、Wi-Fi、WiMax無線通信技術進行探討。
1.1 3 G技術
3G（第三代移動通信技術）有3種制式：TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000。國家工業和信息部已于2009年1月7日正式向3家移動運營商：中國移動、中國聯通和中國電信發放了3G運營牌照。3G能夠處理圖像視頻、音樂等多媒體形式，提供了網頁瀏覽、會議電話、電子商務等多種信息服務。多媒體業務是3G數據業務的重點，其傳輸速率要求為高速移動時能夠達到144 kb/s，慢速移動時為384 kb/s，靜止狀態為2 Mb/s，其上行速率達到幾十kb/s，但仍然不能滿足車載CCTV、PIDS系統所需速率，同時3G屬于公網應用范疇，因此不適用于城市軌道交通行業。
1.2 WLAN無線局域網
基于WLAN（無線局域網絡）的多媒體信息傳輸，基于802.11協議族。IEEE802.11a規定的頻點為5 GHz，適合于室內及移動環境，傳輸速度為1～2 Mb/s。IEEE 802.11b工作于2.4 GHz頻點，IEEE 802.11e及IEEE 802.11g是下一代無線LAN標準，被稱為無線LAN標準方式IEEE 802.11的擴展標準，是在現有的802.11b及802.11a的MAC層追加了QoS功能及安全功能的標準。
目前中國城市軌道交通都是使用WLAN的標準和技術，如果想進一步接入更多的子系統，比如VoIP電話、CCTV等，WLAN的容量和性能就會受到限制。
1.3 Wi-Fi
Wi-Fi全稱Wireless Fidelity（無線保真技術），與藍牙技術一樣，同屬于短距離無線技術。典型的CBTC是基于802.11b無線網絡規范，該技術使用的是2.4 GHz附近的頻段，最高帶寬為11 Mb/s，在信號較弱或有干擾的情況下，帶寬可調整為5.5，2和1 Mb/s，帶寬的自動調整有效地保障了網絡的穩定性和可靠性，同時也與已有的各種802.11DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum直接序列擴頻）設備兼容。其主要特性為速度快，可靠性高，在開放性區域，通訊距離可達305 m，在封閉性區域，通訊距離為76～122 m，方便與現有的有線以太網絡整合，組網成本更低。
2007年9月，深圳地鐵采用思科統一無線解決方案，為地鐵1號線列車的安全防護系統項目搭建無線寬帶傳輸網絡，使得列車無論在站臺位置還是高速運行中，都可以在地面與列車之間實現清晰的數字視頻流實時播放、控制中心對車廂內的情況觀察、列車火災報警信息實時上傳等功能。它是國內首個成功部署Wi-Fi技術同時實現視頻上下行傳輸的城市軌道交通無線通信項目，為利用Wi-Fi技術進行實時視頻信息傳輸開創了先河。乘客可以在車廂內看到高品質、不間斷的數字電視節目，并能夠接收地鐵公司發布天氣情況、重要新聞、緊急疏散提示等消息。深圳地鐵運營中心控制室人員可以通過大屏幕看到運行中每列車每節車廂內上傳的實時視頻圖像及火災報警等多種安防信息，同時列車司機也可以隨時調用前方站臺的圖像，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）是近年來出現的一種無線寬帶接入技術。WiMAX采用多載波調制技術，能夠提供高速數據業務，并且具有頻譜資源利用率高，覆蓋范圍廣（傳輸距離可達數十公里）等特點。
Wi-Fi是目前無線接入的主流標準，全面兼容現有Wi-Fi的WiMAX，對比于Wi-Fi的802.11X標準，WiMAX就是802.16x。與前者相比，WiMAX具有更遠的傳輸距離、更寬的頻段選擇以及更高的接入速度等，預計在未來幾年內將成為無線網絡的一個主流標準。
2 TRainCom?系統
TRainCom?系統是專為地鐵無線通信應用而設計的。雖然在建的中國城市軌道交通均是使用本地無線局域網（WLAN）的標準和技術，而且典型的CBTC是基于眾所周知的802.11b標準。但人們有意或無意中忽略了WLAN的技術并不適用于高速移動狀況下的無線通信。研究表明，WLAN帶寬和切換時間都會在高速移動的狀況下受到非常大的影響。
針對整合系統的解決思路，德國的得力風根公司是一家軍用通訊技術科技公司，研制了TRainCom（德國得力風根無線電通訊系統），它把信號和通信系統集成于一套系統之中，并且擁有進一步融入更多子系統功能的、成熟的無線通信產品。下面就其系統特點加以論述。
（1）16 Mb/s全雙工無線電鏈路—頻分雙工。TRainCom?使用全雙工數據傳輸模式保證列車上傳與下傳互相分開，上下行數據能同時傳輸而且不會互相干擾：同一時刻在每個方向都是16 Mb/s，在半雙工模式下能達到32 Mb/s。協議開銷占10%，是802.11g 40%的協議消耗的四分之一。
（2）完全基于IP—可以集成其他的子系統。所有基于IP的協議，可以直接與VoIP、IP攝像頭、WLAN接入點連接。對于只提供串行接口的子系統，如RS232、RS422，這些串行數據流將被轉換成IP數據包進行傳輸。如有需要，其他的接口類型也能夠接入。
（3）全移動性—帶寬獨立于列車的運行速度。TRainCom無線電系統的數據傳輸速率與列車的行駛速度無關，得力風根公司在上海磁懸浮列車（500 km/h）上服務的系統實際應用以及在南京地鐵的實際測試已得到證明。WLAN技術在列車高速移動時數據傳輸速率會急劇衰弱，TRainCom?所使用的無線通信協議是該公司專門為高速移動的列車系統開發的，采用防止多普勒頻移和擴散的特殊調制模式和多徑接收機制，當無線電信號衰弱時，數據傳輸速率能始終保持全雙工16 Mb/s。
（4）QoS—完全實現可配置的功能。普通的基于IP的網絡都是盡力交付，所有數據共享網絡容量，沒有數據包的優先權。對車載互聯網，PIDS之類典型的數據應用通常不會產生問題，但對于語音通話和視頻等需要實時傳輸，對時延敏感的應用會產生QoS的問題。當網絡容量有限的時候，更會產生競爭帶寬引起的時延和數據丟失的現象，因此服務質量保證顯得更為重要。
TRainCom?的QoS機制不但保證高優先級和實時業務的性能，在網絡容量有限的情況下也能保證每種數據業務的最小帶寬。鑒于列車控制的重要性，最高優先級始終為CBTC保留，視頻和語音業務一般設為中優先級，乘客信息和車載互聯網為低優先級。
（5）高可靠性。由于所有的基站工作在同一個頻率，幾乎沒有切換時間。使用一個無線電信道能達到99.9%的可靠性，使用雙信道可靠性更高，2個Rx鏈路時即使單個故障也不會造成數據服務供應中斷，4個Rx鏈路時更能容許同時發生兩處故障。同時在中心控制單元CRCU中使用冗余服務器，當一個服務器發生故障時能自動切換到另一個服務器繼續工作，以此保證運營的穩定性。
（6）安全性強。TRainCom基于Linux硬盤加密和防火墻，中心控制單元CRCU文件系統可以得到Linux專用dm加密的保護。在車輛上，專用的網關計算機作為記錄狀態的數據包篩選防火墻。可以提供包括星形電話PBX和web服務器功能的外部服務。另外，CRCU可以作為軌旁網絡的記錄狀態的數據包篩選防火墻。另外，通過將唯一的標識號分配給所有組件，預防從無線電組件對無線電系統未經授權的訪問或錯誤訪問。只有分控制單元DRCU列出的這些組件才有權訪問無線電系統以及互相通信。
（7）抗干擾性好。TRainCom工作在5.8 G頻段，不會產生如2.4 G的嚴重頻帶擁擠現象，也不會干擾軌旁GSM，WLAN系統。對于同頻干擾，每個收發器均能夠通過度量RSSI來監視其接收的信號質量，進而檢測干擾。使用RSSI可知道列車系統位置操作員檢測并定位射頻干涉。
3 結束語
對于整合的解決辦法，人們擔心作為一項非標準化技術，TRainCom系統的協議不具備開放性，對其二次開發、升級與維護等均需要依賴技術持有方。目前國內城市軌道交通CBTC的系統設備在用戶沒有確定之前選擇性確實比較多，選型確定后，由于CBTC關系到列車的安全運行，設備一投入運行就二次開發、升級等工作基本依賴廠家。人們還擔心TRainCom技術的產品只有得力風根公司提供，在產品供給方面欠缺市場選擇性，對于該問題，有個最好的例子：西門子公司的通信傳輸OTN設備，是西門子獨有的技術，但該設備目前在城市軌道交通的應用還是相當廣泛，在目前城市軌道交通市場處于激烈競爭的大環境下，廠商不會使自己處于不利于競爭的地位，漫天要價是會失去市場的。
未來城市軌道交通的趨勢，列車無線通信系統將會向著高帶寬、多功能、智能化的方向發展。若有足夠的帶寬，整合通信和信號系統，并且智能化地分配其所占的帶寬，該產品將會完全改變目前地鐵市場信號和通信的格局。目前城市軌道交通的信號和通信系統都是相對獨立的，地鐵項目所需的投資就會很大，并且日后的維護費用也會增加。因此可以考慮將通信和信號整合到一套系統之中。
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