地铁车地通信步入LTE时代

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在地铁的高速发展过程中，CBTC（基于通信的列车控制技术）发挥了极其重要的作用，它保证了地铁控制信号的实时和稳定传输，对提供安全、高效和舒适的轨道交通出行体验发挥了至关重要的作用。从蒸汽动力火车到电力机车，再到自动驾驶列车，为满足不同时期的列车运营需求，CBTC技术也在不断发生变化。

        当前，地铁CBTC系统主要由TETRA+WiFi网络来承载，其中TETRA主要提供语音调度，WiFi负责列控承载和PIS等数据业务。然而，这种组网方式的弊端随着近年来多起地铁事故的发生而逐渐浮出水面，这对以安全为第一要务的轨道交通行业来说，毫无疑问是不可接受的。

        WiFi抗干扰性能差，存在安全隐患

        WiFi作为一种无线通信技术标准，在对安全性拥有极高要求的地铁车地通信应用中具有先天缺陷。首先，从频点数来看，国内主流的WiFi频段2.4G共约80MHz带宽，22MHz带宽的信道，完全不重叠信道为仅为3个。这意味着AP密集分布时，不同AP相同信道之间的同频干扰是必然。然而，在TETRA+WiFi组网模式下，由于WiFi在城区的有效覆盖距离一般只有200米左右，这使得地铁沿线需要大量、密集地部署热点（AP），来提供持续、完整的信号覆盖。如果WiFi热点同频干扰问题不能得到有效解决，必然给地铁运营留下安全隐患。

        

        图1  WiFi同频干扰示意图

        其次，从信道结构层面来说，WiFi使用的是载波侦听/冲突检测方式进行资源分配，设备发送信息前进监听（载波监听），如果通道正被使用，设备在发送前必须等待，在多用户情况下，系统资源的利用率较低。并且，WiFi只能做整个信道带宽级（20/40/80MHZ）的信号强度检测，颗粒度粗，反馈不及时，只能时分反馈信道质量，无法及时跟踪信道质量。在同频干扰无法避免的情况下，这种粗线条的干扰检测机制更为地铁安全运营带来诸多不确定性。

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        再次，在干扰控制方面，WiFi仅通过TPC约束AP和STA的最大发射功率，并无其他干扰控制技术。由于WiFi所用的2.4GHz是非牌照频段，符合发射功率限制等技术要求的各类无线电通信设备及工业、科学和医疗等非无线通信设备均可使用。因此在对地铁网络进行规划时，很难找到一片WiFi“净土”。这样一来，前期规划的网络因为后期加入AP而可能导致干扰控制变得不可控，或者由于临时个人AP的引入而导致网络干扰增加。如今，带WiFi功能的手机大都可以随时“变身”临时AP，地铁沿线可能充斥着各种靠WiFi通信的设备和仪器，便携式路由器，甚至是各种蓝牙设备等，都可能会对地铁WiFi信号发起冷不丁的干扰冲击。总之，无法统一规划导致随意出现的WiFi干扰源很难控制，时刻对列车的安全运行构成威胁，2012年11月深圳地铁遭便携式WiFi路由器逼停便是现实的案例。而根据国家有关规定，在该频段内的无线电台站之间产生干扰，原则上不受保护，应由被干扰方自行解决或双方协商解决。

        

        图2 统一规划难导致干扰不可控

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        LTE拥有完善的抗干扰技术，可靠性高

        相比WiFi网络，LTE有着完善的抗干扰技术，在干扰检测、干扰避免、干扰控制三个层面均优于WiFi。首先，从干扰检测层面来说，不同于WiFi只能提供系统带宽（20/40/80MHZ）级的信号强度检测和反馈，LTE采用OFDM直载波调度，领先的导频设计使得时频域均匀分配，保证了对信道时频域变化的及时跟踪，能够实现2ms的快速调度响应，使干扰检测更及时、更准确。拿一个苹果作比喻，如果苹果中出现了一个虫眼,在WiFi基于系统带宽级信号强度检测和反馈机制下,整个苹果就会烂掉。而LTE基于OFDM子载波调度的机制,能够将未坏的部分充分利用,妥善处理。另外，LTE采用周期或非周期的及时反馈机制，多个终端可同时反馈，使得干扰反馈更及时。

        其次，在干扰避免方面，LTE也明显优于WiFi。LTE网络具有完善的编码、重传和IRC（干扰抑制合并）机制，并拥有毫秒级的调度机制，可根据干扰情况动态调度资源。在检测到干扰后，LTE可以通过频选调度，根据每个终端的信道状况，优先分配干扰小、信号质量高的子带频率资源。同时，LTE还可以采取AMC（自适应调制编码），根据信道干扰情况自适应调整调制与编码策略。而WiFi只能提供固定的、系统带宽级（如20MHZ）的信道选择，而且由于频点不足，该功能的实际效果非常有限。

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        再次，从干扰控制角度来说，LTE拥有完善的功率控制机制，能够有效控制整个网络的干扰水平。为了控制信号干扰，LTE采取了多种干扰抑制算法和机制来降低网络的整体干扰水平，如ICIC（小区干扰协调）干扰抑制算法和CoMP（协同多点）上行干扰控制等。而WiFi只能通过TPC来约束AP和SAT的最大发射功率，干扰控制能力十分有限。

        综上不难看出，无论是发现干扰，规避干扰，还是控制干扰，LTE都具有独特的优势，这大大提升了其抗干扰能力。基于以上三点，在同样的干扰环境下，LTE的接收灵敏度更高，吞吐率随用户增减变化更平稳。在多小区业务的干扰测试中，WiFi网络无论是单流AP还是双流AP，随着用户数的增加，小区吞吐率急剧衰减（并发用户数增加到5,小区容量下降88.4%以上）。而LTE由于其良好的物理信道结构和抗干扰技术，用户数增加，小区吞吐率影响较少。

        

        图3 WiFi多小区干扰测试结果

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        在单小区业务干扰测试测试中，在FTP、UDP、HTTP业务方面，随着用户的增加，WiFi网络性能急剧下降，而LTE网络变化不大。

        

        图4 WiFi单小区业务干扰测试结果

        LTE：地铁CBTC的理想选择

        除了抗干扰性外，LTE在移动性方面也要优于WiFi。这是因为WiFi受协议本身限制，在列车高速运行时其带宽和稳定性都无法保证。WiFi的覆盖范围较小，列车在运行过程中需要频繁地重选和关联新的AP，由此带来的高时延会直接影响到网络接入的稳定性。

        归根结底，无论是抗干扰性还是高速移动状态下的稳定性，最终都会反映到到地铁CBTC系统的可靠性，并进一步影响到地铁的可靠性和安全性。而安全和可靠，从来都是乘客对轨道交通最基本的要求，也是地铁运营商最不容忽视的地方。

        对地铁运营商而言，当前最主要需求是在保证安全的前提下提高运能，并进一步提高乘客的出行满意度。为此，新时代的CBTC需要能够胜任以下任务：通过通信系统承载列控信息，根据流量实时调配列车，以更加高效的集群通信提高调度效率；通过车厢和轨道的视频监控提高运输安全性，以车载PIS（乘客信息系统）业务和车内宽带接入业务提升乘客的出行体验。

        面对这些需求，传统的TETRA窄带集群显然已经无法满足需求，而TETRA+WiFi的方案在可靠性和移动性方面弊端凸显。因此，集语音、视频和数据为一体的LTE宽带数字集群技术必将成为地铁运营调度和应急指挥的必然选择。可预见，在移动宽带浪潮的推动下，与其它各行各业的信息化过程一样，轨道交通车地通信也将步入LTE时代。