城市轨道交通延伸工程信号系统车地无线通信技术方案研究
摘 要：就城市轨道交通延伸工程信号系统车地无线通信技术方案的选择进行探讨。首先，介绍无线通信技术中的主要技术方案——WLAN 技术和
LTE 技術。其次，在既有工程普遍采用 WLAN 技术，而新建工程采用 LTE 技术的背景下，延伸工程信号车地无线通信方案主要可分为3 种：延伸工程与既有工程保持一致，全线采用 WLAN 技术；改造既有工程为 LTE 技术，全线采用 LTE 技术；既有工程采用 WLAN 技术，延伸工程则采用 LTE 技术。最后，给出 3 种技术方案的实施方案比选，特别对 WLAN 与 LTE 共存方案进行了详细的阐述，为信号设计方案的选择提供依据。
关键词：城市轨道交通；信号系统；无线通信；WLAN；LTE
中图分类号：U231
0 引言
近年来，基于通信的列车控制（Communication Based Train Control，CBTC）系统[1]已成最为主流的列车信号控制系统。为实现对列车的监督与控制，CBTC 系统利用无线通信技术实现车地双向数据通信[2]，传输涉及行车安全的重要数据信息。随着对列车运行速度及运营能力要求越来越高，列车运行控制对车地无线传输的可靠性、可用性也提出了更高要求。
目前城市轨道交通中已建成的轨道交通信号系统普遍采用 802.11 无线局域网技术（WLAN）承载车地无线列控信息。由于 WLAN 技术易受到民用 WIFI 设备等同频干扰，在建及新建线路大多采用 TD-LTE 技术方案作为信号车地无线通信系统方案。而对于延伸工程，是采用与既有工程一致的 WLAN 技术，亦或更新为 TD-LTE技术，成为目前信号系统设计过程中一个需要重点探讨的问题。基于既有轨道交通线路的延伸改造已经十分普遍，本文就如何实现城市轨道交通延伸工程信号系统车地无线通信技术进行了研究。
1 车地无线通信系统
CBTC 信号系统中的车地无线通信系统实现了各信号子系统之间的列车控制信息、维护信息等的传输，实现了轨旁信号设备与车载设备之间连续、双向的数据通信。目前城市轨道交通中信号系统车地无线通信技术主要有 WLAN 技术和 TD-LTE 技术。
1.1 WLAN 技术
目前，已建成的城市轨道交通车地无线通信系统采用的技术基本为 802.11 系列无线局域网技术[3]，工作于开放频段 2.4GHz ISM。随着无线通信技术的发展，CBTC 车地通信越来越容易受到民用 WIFI 设备的同频干扰。在多个城市的轨道交通线路中已发生了因民用 WIFI设备同频干扰，导致车地通信中断、影响列车正常运营的事件。此外，WLAN 天线覆盖范围较小[4]，在直线隧道段，一般每隔 200 m 需设置 1 个轨旁无线接入点（AP）。因此，系统需要频繁越区切换，这就导致系统易丢包。为从根本上解决车地通信干扰问题，必须采用新的车地通信技术，采用专用通信频段。随着第 4 代无线通信技术 LTE 逐渐成为一种成熟的车地通信方案，新建线路均采用 LTE 技术作为无线通信技术方案。
1.2 TD-LTE 技术
TD-LTE 是新一代的宽带移动通信技术，为 3.9G 全球标准[5]。LTE 技术在设计上充分考虑了高速运行时的传输性能，能够满足城市轨道交通信号系统作为安全信息优先传输、实时传输需求。采用非民用频段，可以有效避免干扰，覆盖范围远，有效减少越区切换。同时，LTE 是我国拥有自主知识产权的 TD-SCDMA 的后续演进技术，有比较成熟的产业链，可以有效降低成本。
1.3 TD-LTE 与 WLAN 比较分析
已建成城市轨道交通车地通信主要通过 WLAN 承载，存在抗干扰能力差、覆盖范围短、切换频繁等问题（表1）。为保障系统的可用性和可靠性，相关政策以及技术的发展使得 LTE 技术成为了信号车地通信的主流技术方案。
2 旧线路延伸段建设
目前国内车地无线通信多采用 WLAN 技术。在既有工程采用 WLAN 技术的前提下，延伸工程车地无线通信系统技术方案主要分为以下 3 种情况：
（1）延伸工程和既有工程保持一致，全线车地无线通信技术均采用 WLAN 技术；
（2）改造既有工程方案，全线车地无线通信技术均采用 LTE 技术；
（3）旧线路保持 WLAN 技术，新建线路采用LTE技术，列车在新旧线路交界处越区切换。
2.1 方案一：全线采用 WLAN 技术
CBTC 数据通信子系统由光纤骨干网和轨旁无线局域网等构成。车载设备和轨旁设备通过设于轨旁的方向性天线和设于列车上的无线天线相联系。车载子系统连接设置于每列车的车头、车尾的 2.4GHz 全向无线天线以及相应的发送/接收设备。每间隔约 200 m 设置轨旁 AP，与轨旁定向无线天线相连接。轨旁 AP 通过光纤与沿线车站的骨干网交换机连接，构成轨旁环形光纤骨干网络。
在实施时需在延伸工程的车站及沿线设置无线通信设备，通过改造与既有工程衔接车站的相关软硬件，完成与既有线的系统接口。除与既有线的系统接口外，工程实施可直接按照新建模式进行。此方案实施难度较低，方案成熟度高，是目前城市轨道交通延伸线工程车地无线通信技术最常选用的一种方案。
2.2 方案二：改造既有工程，全线采用 LTE 技术
LTE 方案与 WLAN 类似，轨旁无线系统由 2 个完全独立且互为冗余的网络（A 网和 B 网）组成。每列车上在车头和车尾分别安装有 2 套数据接入单元 TAU。列车两端 TAU 分别链接双网中的 1 个，所有收发的无线通信数据都在 TAU 中传输，从而实现连续的数据传输冗余。
列车头尾车载控制器通过 2 个独立的以太网分别连接到两端 TAU，同时接收双网的信息，保证车载设备在单端故障或单网故障时车地通信数据的可靠性传输，不会影响到列车的正常运行。
考虑目前既有工程采用 WLAN 技术，若全线车地无线通信技术统一改为 LTE 技术，则需要拆除既有线车地无线通信设备，组建新的无线通信架构。若既有工程建成时间较短且线路较长，更换新的通信技术代价太大，则不推荐更改车地无线通信技术方案。
2.3 方案三：WLAN 与 LTE 共存
在延伸线建设过程中，希望旧线继续使用WLAN 技术而延长线使用 LTE 系统的情况下，如能利用已有WLAN网络资源，使车载接入单元同时具有接入 WLAN 和 LTE的能力，将形成更多的车地无线传输路径，增强传输系统冗余性，增大其可靠性，降低运营维护的复杂度。
2.3.1 系统架构
LTE 系统使用同站址双网覆盖方案，2 个网络完全独立，并行工作，互不影响。每个网络部署各自独立的核心网（EPC）、基带处理单元（BBU）及其射频处理单元（RRU）。WLAN 网络使用线路已有网络，采用同站址双网覆盖方案。
在车头和车尾分别部署专用车载终端及 LTE 天线、WLAN 天线各 1 套，每台终端同时接入 LTE-A 网、LTE-B 网和 WLAN 网络，LTE 和 WLAN 混合组网系统架构如图 1 所示。
2.3.2 WLAN<E 切换分析
采用 WLAN 与 LTE 共存的方案，最大的难题是实现列车在新旧线路交界处的信号处理。车载设备在交界处通过软切换的方式实现链路的切换。
为保证列车在切换带信息的切换，WLAN 和 LTE 系统需设置最小的链路接入阈值。列车在 WLAN 区域只存在 WLAN 链路，当列车进入LTE 射频区域时，一旦达到预定的建立 LTE 链路的阈值，车辆 TAU 将与轨旁通信设备建立 LTE 链路。当 WLAN 信号逐渐降低到最低值时，车载 AP 自动与WLAN 链路断开，此时所有的数据都切换到 LTE 链路，不影响数据的正常传输。同样，从 LTE 区域进入 WLAN区域的列车也可以实现新舊链接的切换。
此外，由于系统采用了2
种不用的通信技术，要使 2种无线通信方式共存且要实现全线互联互通，需要WLAN中心处理器与 LTE 核心网有效交互信息。因此，有必要考虑跨系统切换的时延是否能够满足 CBTC 列车通信的要求。
郑州市轨道交通 2 号线已在混合组网的情况下，对
以 CBTC 业务为核心的综合承载进行了测试。车头车尾的车载终端分别同时接入 LTE-A、LTE-B 和 WLAN 网络，在 LTE 全网停止工作、LTE 网和 WLAN 网均正常工作、WLAN 全网停止工作等情况下，分别模拟 WLAN 网单独覆盖、WLAN 网向 LTE 网过渡覆盖、LTE 网单独覆盖、LTE 网向 WLAN 网过渡覆盖等场景，完全镜像旧线升级改造和延长线建设过程中的各种实际通信场景。结果表明，当 WLAN 网络与 LTE 网络之间发生网络切换时，上行平均切换中断时间为 172 ms，下行平均切换中断时间为 200 ms[6]。可以得出结论：专用车载接入单元终端能够在 LTE 和 WLAN 混合组网的情况下实现 CBTC 的车地无线通信。
虽然基于混合组网业务成熟度不高，但是此方案可以用 1 套网管实现整网全部网络设备的统一管理，使得网络维护管理效率更高，国内也有相关厂商可以实现混合组网方案。此方案代表了新技术的发展方向，也为今后的设计提供了新的思路，推荐在今后的延伸工程建设中采用 WLAN 与 LTE 共存的方案。
3 结论
本文结合当前信号系统车地无线通信技术的发展现状，提出了 3 种城市轨道交通信号系统延伸工程车地无线通信技术的设计方案，并给出了不同方案的优缺点分析，比选结果如表 2 所示。
未来设计过程中，还应当紧密跟踪 LTE 与 WLAN兼容性方面的技术发展及其在延伸线工程的应用情况，为信号系统方案设计提供新的思路和参考。
参考文献
[1] IEEE Std 1474.1-1999. IEEE Standard for Communication-Based Train Control（CBTC） Performance and Functional Requirements. Institute of Electrical and Electronics Engineers，1999.
[2] 阚庭明. 城市轨道交通乘客信息系统技术发展趋势探讨[J]. 铁路计算机应用，2009，18（1）：37-39.
[3] 高岩. 基于WLAN技术的轨道交通PIS系统车地无线通信. 科技风[J]，2012（12）：20-21.
[4] 孙寰宇，顾向锋. 基于LTE技术的车地无线通信组网方案研究[J]. 铁道标准设计，2014（8）：159-162，163.
[5] 马钰昕，杨雪，张云凤. 基于LTE和WiFi混合组网的综合承载研究[J]. 现代城市轨道交通，2017（8）：20-23.
收稿日期 2018-07-29
责任编辑 孙锐娇