地鐵車地通信步入LTE時代

在地鐵的高速發(fā)展過程中，CBTC（基于通信的列車控制技術(shù)）發(fā)揮了極其重要的作用，它保證了地鐵控制信號的實時和穩(wěn)定傳輸，對提供安全、高效和舒適的軌道交通出行體驗發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。從蒸汽動力火車到電力機車，再到自動駕駛列車，為滿足不同時期的列車運營需求，CBTC技術(shù)也在不斷發(fā)生變化。

當前，地鐵CBTC系統(tǒng)主要由TETRA+WiFi網(wǎng)絡(luò)來承載，其中TETRA主要提供語音調(diào)度，WiFi負責列控承載和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多起地鐵事故的發(fā)生而逐漸浮出水面，這對以安全為第一要務(wù)的軌道交通行業(yè)來說，毫無疑問是不可接受的。

WiFi抗干擾性能差，存在安全隱患

WiFi作為一種無線通信技術(shù)標準，在對安全性擁有極高要求的地鐵車地通信應(yīng)用中具有先天缺陷。首先，從頻點數(shù)來看，國內(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。這意味著AP密集分布時，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（AP），來提供持續(xù)、完整的信號覆蓋。如果WiFi熱點同頻干擾問題不能得到有效解決，必然給地鐵運營留下安全隱患。

圖1:WiFi同頻干擾示意圖

其次，從信道結(jié)構(gòu)層面來說，WiFi使用的是載波偵聽/沖突檢測方式進行資源分配，設(shè)備發(fā)送信息前進監(jiān)聽（載波監(jiān)聽），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只能做整個信道帶寬級（20/40/80MHZ）的信號強度檢測，顆粒度粗，反饋不及時，只能時分反饋信道質(zhì)量，無法及時跟蹤信道質(zhì)量。在同頻干擾無法避免的情況下，這種粗線條的干擾檢測機制更為地鐵安全運營帶來諸多不確定性。

再次，在干擾控制方面，WiFi僅通過TPC約束AP和STA的最大發(fā)射功率，并無其他干擾控制技術(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)要求的各類無線電通信設(shè)備及工業(yè)、科學和醫(yī)療等非無線通信設(shè)備均可使用。因此在對地鐵網(wǎng)絡(luò)進行規(guī)劃時，很難找到一片WiFi“凈土”。這樣一來，前期規(guī)劃的網(wǎng)絡(luò)因為后期加入AP而可能導致干擾控制變得不可控，或者由于臨時個人AP的引入而導致網(wǎng)絡(luò)干擾增加。如今，帶WiFi功能的手機大都可以隨時“變身”臨時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，甚至是各種藍牙設(shè)備等，都可能會對地鐵WiFi信號發(fā)起冷不丁的干擾沖擊�？傊�，無法統(tǒng)一規(guī)劃導致隨意出現(xiàn)的WiFi干擾源很難控制，時刻對列車的安全運行構(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)實的案例。而根據(jù)國家有關(guān)規(guī)定，在該頻段內(nèi)的無線電臺站之間產(chǎn)生干擾，原則上不受保護，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、干擾避免、干擾控制三個層面均優(yōu)于WiFi。首先，從干擾檢測層面來說，不同于WiFi只能提供系統(tǒng)帶寬（20/40/80MHZ）級的信號強度檢測和反饋，LTE采用OFDM直載波調(diào)度，領(lǐng)先的導頻設(shè)計使得時頻域均勻分配，保證了對信道時頻域變化的及時跟蹤，能夠?qū)崿F(xiàn)2ms的快速調(diào)度響應(yīng)，使干擾檢測更及時、更準確。拿一個蘋果作比喻，如果蘋果中出現(xiàn)了一個蟲眼,在WiFi基于系統(tǒng)帶寬級信號強度檢測和反饋機制下,整個蘋果就會爛掉。而LTE基于OFDM子載波調(diào)度的機制,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反饋機制，多個終端可同時反饋，使得干擾反饋更及時。

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）機制，并擁有毫秒級的調(diào)度機制，可根據(jù)干擾情況動態(tài)調(diào)度資源。在檢測到干擾后，LTE可以通過頻選調(diào)度，根據(jù)每個終端的信道狀況，優(yōu)先分配干擾小、信號質(zhì)量高的子帶頻率資源。同時，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（如20MHZ）的信道選擇，而且由于頻點不足，該功能的實際效果非常有限。

再次，從干擾控制角度來說，LTE擁有完善的功率控制機制，能夠有效控制整個網(wǎng)絡(luò)的干擾水平。為了控制信號干擾，LTE采取了多種干擾抑制算法和機制來降低網(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）上行干擾控制等。而WiFi只能通過TPC來約束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，無論是發(fā)現(xiàn)干擾，規(guī)避干擾，還是控制干擾，LTE都具有獨特的優(yōu)勢，這大大提升了其抗干擾能力�；�于以上三點，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)的干擾測試中，WiFi網(wǎng)絡(luò)無論是單流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)干擾測試結(jié)果

在單小區(qū)業(yè)務(wù)干擾測試測試中，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)干擾測試結(jié)果

LTE：地鐵CBTC的理想選擇

除了抗干擾性外，LTE在移動性方面也要優(yōu)于WiFi。這是因為WiFi受協(xié)議本身限制，在列車高速運行時其帶寬和穩(wěn)定性都無法保證。WiFi的覆蓋范圍較小，列車在運行過程中需要頻繁地重選和關(guān)聯(lián)新的AP，由此帶來的高時延會直接影響到網(wǎng)絡(luò)接入的穩(wěn)定性。

歸根結(jié)底，無論是抗干擾性還是高速移動狀態(tài)下的穩(wěn)定性，最終都會反映到到地鐵CBTC系統(tǒng)的可靠性，并進一步影響到地鐵的可靠性和安全性。而安全和可靠，從來都是乘客對軌道交通最基本的要求，也是地鐵運營商最不容忽視的地方。

對地鐵運營商而言，當前最主要需求是在保證安全的前提下提高運能，并進一步提高乘客的出行滿意度。為此，新時代的CBTC需要能夠勝任以下任務(wù)：通過通信系統(tǒng)承載列控信息，根據(jù)流量實時調(diào)配列車，以更加高效的集群通信提高調(diào)度效率；通過車廂和軌道的視頻監(jiān)控提高運輸安全性，以車載PIS（乘客信息系統(tǒng)）業(yè)務(wù)和車內(nèi)寬帶接入業(yè)務(wù)提升乘客的出行體驗。

面對這些需求，傳統(tǒng)的TETRA窄帶集群顯然已經(jīng)無法滿足需求，而TETRA+WiFi的方案在可靠性和移動性方面弊端凸顯。因此，集語音、視頻和數(shù)據(jù)為一體的LTE寬帶數(shù)字集群技術(shù)必將成為地鐵運營調(diào)度和應(yīng)急指揮的必然選擇�？深A見，在移動寬帶浪潮的推動下，與其它各行各業(yè)的信息化過程一樣，軌道交通車地通信也將步入LTE時代。