未来大轨道交通通信系统研究

ucapisao

摘 要 通过描述各轨道交通通信系统的现状，分析目前不同轨道交通方式的通信网络存在的问题，同时通过分析轨道交通通信业务的异同点，提出未来大轨道交通领域通信系统融合的观点及相关探讨。
关键词 轨道交通；CBTC；通信融合
中图分类号：U285 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）03-0006-02
21世纪以来，随着科学技术的不断进步，中国的轨道交通也发生了翻天覆地的变化，不仅高速铁路在大铁上从无到有，城市轨道交通中的通车里程和技术水平上也发生了巨大的变化，而通信与轨道交通这两种看似“不相关”的系统结合的越来越紧密。
1 国内轨道交通的发展现状
由于城市轨道交通和国家铁路的车辆的形态、运输组织以及配套设施大致相同，因此在广义上，两者均属于大轨道交通的范围。
1）在城市轨道交通领域，自1863年世界上第一条地下铁路在伦敦正式运营之后，城市轨道交通系统得到了全球均得到了较快的发展，城市轨道交通己成为世界各主要特大城市倍受青睐的一种交通方式。在中国，截止2013年底，我国轨道交通运营线路累计已达到80条，运营总里程已突破2400千米，涉及运营车站达到1600座。同时，我国近期已获得国家批准建设轨道交通的城市已达到37个，高居世界第一，据预测我国城市轨道交通的建设热潮至少持续10年以上。
2）而在国家铁路（大铁）领域，自2004年中长期铁路网规划发布后，中国开始进入高速铁路的大规模建设时期。截至2013年底，全国铁路营业里程达10.3万千米，其中高铁运营里程1.1万千米，居世界第一位。根据中国铁路总公司近期调整后的《中长期铁路网规划》，预计到2015年，中国高速铁路运营里程将达到1.9万千米；到2020年，中国铁路营业里程将达到12万千米以上，快速客运网基本覆盖中国各省省会及50万以上人口城市。
2 基于通信的列车控制系统（CBTC系统）
随着现代轨道交通的运输效率越来越高，要求前后两列列车的行车间隔也越来越短，这势必需要专门的铁路行车指挥或列车控制系统来代替人工来指挥列车运行。以地铁为例，传统行车指挥系统一般采用基于轨道电路的固定闭塞形式，其能够支持的最小列车运行间隔一般为100秒，而如果采用基于无线通信的列车控制系统，能够支持的最小列车间隙则能够达到75秒，相当于运输效率能够再提高25%。此外，基于CBTC信号系统相对于传统的轨道交通信号系统也有着其他显著优势，包括：
1）无需繁杂的电缆，转而以无线通信系统代替，减少电缆铺设及维护成本。
2）车辆与控制中心可实现双向通信，大幅度提高了列车区间通过能力。
3）信息传输流量大、效率高、速度快，容易实现移动自动闭塞系统。
4）适应各种车型、不同车速、不同运量、不同牵引方式的列车，兼容性强。
5）支持信息分类传输，可以集中发送和处理，提高调度效率。
可以看出，在轨道交通中，无线通信系统已不再是仅仅承担传统的语音功能，而是还要承担更加重要的列车控制数据的传输通道功能。目前在大铁领域，CBTC系统已经有了比较成熟的基于GSM-R网络的CTCS-3列控系统，而在城市轨道交通领域，也已经开始了基于WiFi的列车控制系统的尝试。因此，从支撑列车高效和安全运行的角度来说，通信系统对于轨道交通有了更加重要的作用和意义。
3 目前CBTC系统存在的问题
虽然CBTC系统能够大幅提高列车的运行效率，但是在实际运用过程中现有的CBTC系统还是存在比较大的问题。
1）频率受限。在大铁领域，由于历史原因，分配的GSM-R带宽仅有4M，可用频点也仅有19个，因此在进行频率规划时非常困难；而在城市轨道交通领域，没有专门给CBTC系统分配专属频谱，而是与民用WiFi 2.4G共享频段。
2）频率干扰。在大铁领域，国内分配的4M GSM-R带宽与中国移动共享，因此存在严重的互相干扰却无法解决的现状；而在城市轨道交通领域，由于与民用共享2.4G频谱，因此也存在与其他WiFi系统的严重干扰，无疑带来极大的安全隐患。
3）传输瓶颈。在大铁领域，GSM-R系统由于采用低速CSD（电路域数据业务）来承载列控业务，所能提供最高9.6 kbps的带宽显然非常有限，而目前通过GPRS承载的一些PS域业务，也由于其最多提供171 kbps的传输能力显得捉襟见肘；而在城市轨道交通领域，虽然WiFi技术相比CSD和GPRS能够提供较高传输带宽，但是由于与其他车载民用WiFi系统共享信道以及相互干扰也会极大的影响传输速率，而且在高速运行时，WiFi的有效速率将更低，甚至无法使用。显然，诸如未来视频监控和实时电视等高带宽业务无法在既有系统上承载。
4 未来大轨道交通通信系统的融合趋势
鉴于目前CBTC系统存在的问题，需要有一种全新的通信系统来解决目前列控数据传输的安全性和可靠性要求，同时又要兼顾未来轨道交通中新业务的承载需求以及车上乘客对于无线宽带接入的要求。
在城市轨道交通领域，目前每个城市除了大力建设传统的地铁、轻轨项目之外，城际和市郊铁路也在同步快速发展，以满足城乡之间的快速交通的需求。而从目前城际和市郊铁路的建设来看，由于都是1.435米的标准轨距，所以绝大部分将采用城市周边以往废弃的大铁轨道来进行改造，从而大幅缩减土建成本；但是，我们也应该看到这种建设方式也必将带来城市轨道车辆的复用，实现跨线套跑，从运营和维护方面也可大幅节约投资。
而在大铁领域，由于铁路系统机制改革以及公司化运作，在未来也不排除既有线路复用为城际铁路，尤其是既有的一些货运线路或者一些等级较低的线路。
此外，我们还应该看到未来诸如视频监控、实时电视、乘客信息系统（PIS）、乘客高速上网等新业务在未来通信系统承载的需求。
综合考虑以上几种情况，不难看出作为CBTC系统必将有融合趋势，即未来的通信系统不仅需要满足高速铁路的列控数据承载，又要能够满足城市轨道交通的列控数据的承载，同时又能兼顾未来高带宽的新业务的承载。从目前通信行业发展方向来看，无疑只有基于下一代LTE技术的CBTC系统能够有效解决上述问题，同时又能够满足目前既有通信系统的演进要求以及未来大轨道交通通信系统的融合。
5 大轨道交通通信系统的新挑战
对于未来轨道交通CBTC系统的融合，基于LTE技术的LTE-R不仅能够有效解决目前CBTC系统遇到的各种问题和瓶颈，还能够大幅降低业主单位的建设和运营成本。
LTE-R是基于4G LTE技术的下一代轨道交通通信系统，不仅能够满足传统语音以及高达100Mbps的高速数据传输的需求，还能够提供非常强大和专业的集群通信功能，比如组呼、广播、优先级呼叫、功能号码、位置路由等等，完全能够满足未来轨道交通对于语音和数据传输的需要。此外，由于LTE-R在接入层提供的数据传输“管道”的强大承载能力，未来可以有效兼顾轨道车辆上不同的信号系统，实现“多个信号系统+1个通信系统”的组网格局，同时又能兼顾未来高带宽业务的接入需求；不仅能够大幅降低业主单位的建设和维护成本，还能够为业主单位带来诸如乘客上网业务等新的利润增长点。
由于LTE-R扁平化组网，相比传统通信系统建设，也将大幅减少通信子系统的建设成本。
图2 LTE-R扁平化组网示意图
此外LTE-R系统需要提供CBTC系统中最重要的QoS保障以及可靠性组网，最大程度的提高了可靠性和安全性，为信号和列控系统提供了“永不掉线”的技术保障；而针对高速铁路的抗多普勒频移、MIMO优化、分布式基站等关键技术也应在下一代LTE-R系统中保留和优化，保证移动终端的高速移动和无线接入网络的深度覆盖的需求。
6 结束语
轨道交通的发展日新月异，下一代LTE-R系统不仅能够有效解决未来轨道交通的综合通信需求以及技术瓶颈。但是，我们也应该看到，由于轨道交通对于通信系统的安全性和可靠性的严格要求，通信系统的融合虽然是未来发展的方向，但是在相当长的时间里，新技术势必会与既有的系统长期共存。因此，未来的通信系统也应充分考虑到这一行业特点，在充分保证轨道交通的运营安全的前提下，为融合的大趋势保驾护航。
参考文献
[1]贾佳.轨道交通机电系统的可用性分析[J].机电信息，2011（18）.