地鐵車(chē)地通信步入LTE時(shí)代

　　在地鐵的高速發(fā)展過(guò)程中，CBTC（基于通信的列車(chē)控制技術(shù)）發(fā)揮了極其重要的作用，它保證了地鐵控制信號(hào)的實(shí)時(shí)和穩(wěn)定傳輸，對(duì)提供安全、高效和舒適的軌道交通出行體驗(yàn)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。從蒸汽動(dòng)力火車(chē)到電力機(jī)車(chē)，再到自動(dòng)駕駛列車(chē)，為滿足不同時(shí)期的列車(chē)運(yùn)營(yíng)需求，CBTC技術(shù)也在不斷發(fā)生變化。

　　當(dāng)前，地鐵CBTC系統(tǒng)主要由TETRA+WiFi網(wǎng)絡(luò)來(lái)承載，其中TETRA主要提供語(yǔ)音調(diào)度，WiFi負(fù)責(zé)列控承載和PIS等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。然而，這種組網(wǎng)方式的弊端隨著近年來(lái)多起地鐵事故的發(fā)生而逐漸浮出水面，這對(duì)以安全為第一要?jiǎng)?wù)的軌道交通行業(yè)來(lái)說(shuō)，毫無(wú)疑問(wèn)是不可接受的。

　　WiFi抗干擾性能差，存在安全隱患

　　WiFi作為一種無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在對(duì)安全性擁有極高要求的地鐵車(chē)地通信應(yīng)用中具有先天缺陷。首先，從頻點(diǎn)數(shù)來(lái)看，國(guó)內(nèi)主流的WiFi頻段2.4G共約80MHz帶寬，22MHz帶寬的信道，完全不重疊信道為僅為3個(gè)。這意味著AP密集分布時(shí)，不同AP相同信道之間的同頻干擾是必然。然而，在TETRA+WiFi組網(wǎng)模式下，由于WiFi在城區(qū)的有效覆蓋距離一般只有200米左右，這使得地鐵沿線需要大量、密集地部署熱點(diǎn)（AP），來(lái)提供持續(xù)、完整的信號(hào)覆蓋。如果WiFi熱點(diǎn)同頻干擾問(wèn)題不能得到有效解決，必然給地鐵運(yùn)營(yíng)留下安全隱患。

圖1:WiFi同頻干擾示意圖

　　其次，從信道結(jié)構(gòu)層面來(lái)說(shuō)，WiFi使用的是載波偵聽(tīng)/沖突檢測(cè)方式進(jìn)行資源分配，設(shè)備發(fā)送信息前進(jìn)監(jiān)聽(tīng)（載波監(jiān)聽(tīng)），如果通道正被使用，設(shè)備在發(fā)送前必須等待，在多用戶情況下，系統(tǒng)資源的利用率較低。并且，WiFi只能做整個(gè)信道帶寬級(jí)（20/40/80MHZ）的信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)，顆粒度粗，反饋不及時(shí)，只能時(shí)分反饋信道質(zhì)量，無(wú)法及時(shí)跟蹤信道質(zhì)量。在同頻干擾無(wú)法避免的情況下，這種粗線條的干擾檢測(cè)機(jī)制更為地鐵安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)諸多不確定性。

　　再次，在干擾控制方面，WiFi僅通過(guò)TPC約束AP和STA的最大發(fā)射功率，并無(wú)其他干擾控制技術(shù)。由于WiFi所用的2.4GHz是非牌照頻段，符合發(fā)射功率限制等技術(shù)要求的各類(lèi)無(wú)線電通信設(shè)備及工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療等非無(wú)線通信設(shè)備均可使用。因此在對(duì)地鐵網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，很難找到一片WiFi“凈土”。這樣一來(lái)，前期規(guī)劃的網(wǎng)絡(luò)因?yàn)楹笃诩尤階P而可能導(dǎo)致干擾控制變得不可控，或者由于臨時(shí)個(gè)人AP的引入而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)干擾增加。如今，帶WiFi功能的手機(jī)大都可以隨時(shí)“變身”臨時(shí)AP，地鐵沿線可能充斥著各種靠WiFi通信的設(shè)備和儀器，便攜式路由器，甚至是各種藍(lán)牙設(shè)備等，都可能會(huì)對(duì)地鐵WiFi信號(hào)發(fā)起冷不丁的干擾沖擊?？傊瑹o(wú)法統(tǒng)一規(guī)劃導(dǎo)致隨意出現(xiàn)的WiFi干擾源很難控制，時(shí)刻對(duì)列車(chē)的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅，2012年11月深圳地鐵遭便攜式WiFi路由器逼停便是現(xiàn)實(shí)的案例。而根據(jù)國(guó)家有關(guān)規(guī)定，在該頻段內(nèi)的無(wú)線電臺(tái)站之間產(chǎn)生干擾，原則上不受保護(hù)，應(yīng)由被干擾方自行解決或雙方協(xié)商解決。

圖2:統(tǒng)一規(guī)劃難導(dǎo)致干擾不可控

　　LTE擁有完善的抗干擾技術(shù)，可靠性高

　　相比WiFi網(wǎng)絡(luò)，LTE有著完善的抗干擾技術(shù)，在干擾檢測(cè)、干擾避免、干擾控制三個(gè)層面均優(yōu)于WiFi。首先，從干擾檢測(cè)層面來(lái)說(shuō)，不同于WiFi只能提供系統(tǒng)帶寬（20/40/80MHZ）級(jí)的信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)和反饋，LTE采用OFDM直載波調(diào)度，領(lǐng)先的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)使得時(shí)頻域均勻分配，保證了對(duì)信道時(shí)頻域變化的及時(shí)跟蹤，能夠?qū)崿F(xiàn)2ms的快速調(diào)度響應(yīng)，使干擾檢測(cè)更及時(shí)、更準(zhǔn)確。拿一個(gè)蘋(píng)果作比喻，如果蘋(píng)果中出現(xiàn)了一個(gè)蟲(chóng)眼,在WiFi基于系統(tǒng)帶寬級(jí)信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)和反饋機(jī)制下,整個(gè)蘋(píng)果就會(huì)爛掉。而LTE基于OFDM子載波調(diào)度的機(jī)制,能夠?qū)⑽磯牡牟糠殖浞掷?妥善處理。另外，LTE采用周期或非周期的及時(shí)反饋機(jī)制，多個(gè)終端可同時(shí)反饋，使得干擾反饋更及時(shí)。

　　其次，在干擾避免方面，LTE也明顯優(yōu)于WiFi。LTE網(wǎng)絡(luò)具有完善的編碼、重傳和IRC（干擾抑制合并）機(jī)制，并擁有毫秒級(jí)的調(diào)度機(jī)制，可根據(jù)干擾情況動(dòng)態(tài)調(diào)度資源。在檢測(cè)到干擾后，LTE可以通過(guò)頻選調(diào)度，根據(jù)每個(gè)終端的信道狀況，優(yōu)先分配干擾小、信號(hào)質(zhì)量高的子帶頻率資源。同時(shí)，LTE還可以采取AMC（自適應(yīng)調(diào)制編碼），根據(jù)信道干擾情況自適應(yīng)調(diào)整調(diào)制與編碼策略。而WiFi只能提供固定的、系統(tǒng)帶寬級(jí)（如20MHZ）的信道選擇，而且由于頻點(diǎn)不足，該功能的實(shí)際效果非常有限。

　　再次，從干擾控制角度來(lái)說(shuō)，LTE擁有完善的功率控制機(jī)制，能夠有效控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的干擾水平。為了控制信號(hào)干擾，LTE采取了多種干擾抑制算法和機(jī)制來(lái)降低網(wǎng)絡(luò)的整體干擾水平，如ICIC（小區(qū)干擾協(xié)調(diào)）干擾抑制算法和CoMP（協(xié)同多點(diǎn)）上行干擾控制等。而WiFi只能通過(guò)TPC來(lái)約束AP和SAT的最大發(fā)射功率，干擾控制能力十分有限。

　　綜上不難看出，無(wú)論是發(fā)現(xiàn)干擾，規(guī)避干擾，還是控制干擾，LTE都具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，這大大提升了其抗干擾能力。基于以上三點(diǎn)，在同樣的干擾環(huán)境下，LTE的接收靈敏度更高，吞吐率隨用戶增減變化更平穩(wěn)。在多小區(qū)業(yè)務(wù)的干擾測(cè)試中，WiFi網(wǎng)絡(luò)無(wú)論是單流AP還是雙流AP，隨著用戶數(shù)的增加，小區(qū)吞吐率急劇衰減（并發(fā)用戶數(shù)增加到5,小區(qū)容量下降88.4%以上）。而LTE由于其良好的物理信道結(jié)構(gòu)和抗干擾技術(shù)，用戶數(shù)增加，小區(qū)吞吐率影響較少。

圖3:WiFi多小區(qū)干擾測(cè)試結(jié)果

　　在單小區(qū)業(yè)務(wù)干擾測(cè)試測(cè)試中，在FTP、UDP、HTTP業(yè)務(wù)方面，隨著用戶的增加，WiFi網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降，而LTE網(wǎng)絡(luò)變化不大。

圖4:WiFi單小區(qū)業(yè)務(wù)干擾測(cè)試結(jié)果

　　LTE：地鐵CBTC的理想選擇

　　除了抗干擾性外，LTE在移動(dòng)性方面也要優(yōu)于WiFi。這是因?yàn)閃iFi受協(xié)議本身限制，在列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)其帶寬和穩(wěn)定性都無(wú)法保證。WiFi的覆蓋范圍較小，列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中需要頻繁地重選和關(guān)聯(lián)新的AP，由此帶來(lái)的高時(shí)延會(huì)直接影響到網(wǎng)絡(luò)接入的穩(wěn)定性。

　　歸根結(jié)底，無(wú)論是抗干擾性還是高速移動(dòng)狀態(tài)下的穩(wěn)定性，最終都會(huì)反映到到地鐵CBTC系統(tǒng)的可靠性，并進(jìn)一步影響到地鐵的可靠性和安全性。而安全和可靠，從來(lái)都是乘客對(duì)軌道交通最基本的要求，也是地鐵運(yùn)營(yíng)商最不容忽視的地方。

　　對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)商而言，當(dāng)前最主要需求是在保證安全的前提下提高運(yùn)能，并進(jìn)一步提高乘客的出行滿意度。為此，新時(shí)代的CBTC需要能夠勝任以下任務(wù)：通過(guò)通信系統(tǒng)承載列控信息，根據(jù)流量實(shí)時(shí)調(diào)配列車(chē)，以更加高效的集群通信提高調(diào)度效率；通過(guò)車(chē)廂和軌道的視頻監(jiān)控提高運(yùn)輸安全性，以車(chē)載PIS（乘客信息系統(tǒng)）業(yè)務(wù)和車(chē)內(nèi)寬帶接入業(yè)務(wù)提升乘客的出行體驗(yàn)。

　　面對(duì)這些需求，傳統(tǒng)的TETRA窄帶集群顯然已經(jīng)無(wú)法滿足需求，而TETRA+WiFi的方案在可靠性和移動(dòng)性方面弊端凸顯。因此，集語(yǔ)音、視頻和數(shù)據(jù)為一體的LTE寬帶數(shù)字集群技術(shù)必將成為地鐵運(yùn)營(yíng)調(diào)度和應(yīng)急指揮的必然選擇。可預(yù)見(jiàn)，在移動(dòng)寬帶浪潮的推動(dòng)下，與其它各行各業(yè)的信息化過(guò)程一樣，軌道交通車(chē)地通信也將步入LTE時(shí)代。

來(lái)源：人民鐵道網(wǎng)

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