高速运行的城市轨道交通车地宽带无线通信系统研究

邵君

（中铁二院工程集团有限责任公司 四川省成都市 610031）

目前，国内城市轨道交通已开通运行的线路的运行速度主要为100km/h 及以下，为缩短旅行时间，城市轨道交通已逐渐向高速化发展，近期规划建设的线路运行速度提高到140km/h、160km/h 及更高，在高速运行下的乘客信息系统车地传输比低速状态下的车地传输通信面临更多的问题，如多普勒效应和快速切换带来的影响是高速环境下不得不解决的两个重要的难题。

目前轨道交通大都采用802.11 系列WLAN 技术承载乘客信息系统，基于802.11 系列的WLAN 技术由于其技术标准体制的限制，存在切换频繁、干扰大、移动场景带宽小等问题。因此，当列车在140km/h（～48m/s）高速运行时，会带来诸多的挑战如多普勒频移、隧道的多径效应、切换等，分析和探讨如何解决这些挑战是燃眉之急。

1 高速运行的轨道交通车地宽带无线通信系统需求

1.1 轨道交通车地宽带无线通信系统需求

高速运行的城市轨道交通的车地无线通信主要包括CBTC（列车控制业务）、列车紧急文本下发业务、列车运行状态监测、CCTV 列车视频监控业务、PIS 系统业务、集群调度业务等，还有车厢内乘客上网的需求。

PIS 系统车地实时传输的内容一般可分为三类：首先是车载PIS 实时播放视频信息，从地面到列车上，一般带宽为5～8Mbps，二类，实时视频监视信息，从列车上到地面，每路带宽为512kbps～4Mbps，此外还包括车辆状态信息，带宽约为0.2Mbps.系统提供的双向传输的有效带宽应不低于16Mb/s。在应急情况下,指挥中心需要了解更多的现场情况，需将紧急情况下的车载图像信息全部上传，将需要更大的传输带宽。

车厢内乘客上网，每节车厢按照旅客100 人同时接入和并发应用，车厢接入用户按照50%并发访问外网，每个接入用户有200kbps 外网访问带宽，需要的带宽为40Mbps。

1.2 高速运行带来多普勒频移的影响

多普勒频移示意图如图1 所示。

当终端在运动中通信，尤其是在高速情况下，终端和基站都有直视信号，接收端的信号频率会发生变化，称为多普勒效应。多普勒效应所引起的频移称为多普勒频移（Doppler shift），多普勒频移计算公式为：

其中：

（2）θ 为终端移动方向和信号传播方向的角度；

表1：不同频段系统频率偏移统计表

图1：多普勒频移示意图

（3）v 是终端运动速度，m/s；

（4）C 为电磁波传播速度，3×108m/s；

（5）f 为载波频率。

不同频段系统频率偏移统计表如表1。

其实，人们用橡皮擦除铅笔痕迹到现在只有200多年的历史。铅笔和橡皮看似一对密不可分的伙伴，但它们却不是同时被发明出来的。在橡皮诞生之前，人们一直用面包擦掉铅笔的痕迹。柔软的质地加上适当的黏性，使面包纤维可以吸附铅笔的石墨分子，从而达到擦除铅笔痕迹的效果。不过，用面包擦除笔迹之后会产生很多黏黏的面包渣，很不卫生。在粮食匮乏的年代，这样使用面包无疑也是一种奢侈的行为。

在实际应用中，若无法从根本上解决多普勒频移带来的影响，必然对通信效果造成负面影响，主要如下：

（1）多普勒频偏引起相位偏转，影响信道估计，降低接入成功率和上下行吞吐率；

（2）小区内不同用户多普勒频偏不同会产生用户间干扰，降低多用户上行吞吐率；

（3）影响与邻区的频率同步，降低切换成功率。

2 车地宽带无线通信系统技术分析

2.1 LTE技术

LTE（Long Term Evolution）长期演进，是3GPP 制定的以OFDM/MIMO 为核心技术的下一代无线技术标准，也被通俗的称为3.9G，被视作从3G 向4G 演进的主流技术。LTE 技术引入了OFDMA、SC-FDMA 等物理层接入技术，支持MIMO 技术，具有高数据速率、分组传送、延迟降低、广域覆盖和向下兼容等优势。在20MHz 频谱带宽能够提供下行100Mbps、上行50Mbps 的峰值速率。LTE 技术目前已经成为一个成熟的宽带无线技术，在全球范围内，已得到了广泛的应用，整个LTE 产业链已经相对成熟。

从轨交协“中城轨[2016]第003 号文‘关于推荐城轨交通项目新建CBTC 系统使用1.8G 专用频段和LTE 综合无线通信系统的通知’”发布后，目前城市轨道交通中，考虑到安全性、稳定性和可靠性方面的因素，CBTC 系统均采用1.8GHz 专用频段LTE 技术组建轨道交通信号系统车地无线通信系统。

2.2 LTE_U技术

LTE_U（Long Term Evolution_Unlicensed）长期演进在非授权频谱上，非授权频带LTE。LTE_U 技术希望通过使用更宽的带宽来提高网络的通信能力，系统通过将LTE 的技术引入到非授权频段上，通过增加系统频谱资源来提高系统的性能和吞吐量。目前LTE_U的非授权频带主要包括2.4GHz（2400 MHz ～2483.5MHz），5G 频段（5150 MHz ～5250 MHz、5725MHz ～5850 MHz）。

LTE-U 技术充分继承了LTE 的高性能优势，并结合了WLAN技术易部署的特点，因此，系统具备单站覆盖距离大、系统抗干扰能力强、高速移动性强、用户容量大、更高的安全性和可靠性的特点。

2.3 EUHT技术

EUHT enhanced ultra-high throughput（新一代高速宽带无线移动通信系统）具备完全自主知识产权的核心芯片和整套技术应用标准组成，EUHT 技术是面向轨道交通行业、具有完全自主知识产权的超高速无线通信技术，该技术解决高速移动情况下的大容量数据传输难题，具有高可靠性、低时延、大容量及高速移动适应性的是技术优势。该技术在物理层采用MIMIO-OFDM 制式，频率域子载波间隔78.125KHz，系统设计时采用时分双工，支持灵活的帧长和帧内上下行配比，可针对移动场景调节帧结构，达到可靠数据传输的需求。EUHT 支持的技术频段较多，包括600M～800MHz、3.3G～3.8GHz、5.1G～5.9GHz、8G～10GHz，目前已投入使用的轨道交通线路大都采用5.8G 频段。

2.4 Wireless Fiber技术

Wireless Fiber 技术采用增强802.11 技术，满足高速运行的轨道交通车地无线的高容量无线连接和QoS 的需求。Wireless Fiber支持4.9～6GHz 频段，采用OFDM 技术，增强系统抗干扰能力；系统平均速率为350Mbps/80MHz；支持2*2MIMO 及3*3MIMO，切换时延低，能对不同业务划分QoS 优先级，保证服务质量。

2.5 WLAN技术

无线局域网（WLAN）的代表是由IEEE 802.11 工作组制定的无线通信系统，从1997年第一代802.11 标准发布至今已有21年的时间，为适应新业务的应用，不断发展，802.11 系列主要发布有802.11b、802.11a、802.11g、802.11n、802.11ac、802.11ax 物 理层标准。802.11b 工作在2.4GHz 频段，可支持最高11Mbps 的共享接入速率；802.11a 工作在5GHz 频段，其理论速率高达54Mbps；802.11g 采用OFDM 技术，与802.11a 一样可支持最高54Mbps 的速率，同时它工作在2.4GHz 频段； 802.11n 工作在 2.4 GHz 或5 GHz，采用MIMO（多入多出）与OFDM（正交频分复用）技术，可与以前的 IEEE 802.11a/b/g 设备通信兼容；802.11ac 工作于5G 频段，是在802.11n 基础上发展而来，它采用并扩展了源自802.11n的空中接口，每个通道的工作频宽将由802.11n 的最大40MHz，提升到80MHz 甚至是160MHz。8021.11ax 采用MU-MIMO 及正交频分多址OFDMA、多AP 空分复用等技术，使网络的传输带宽及速度得到较大的提升，速率提升到600Mbps，最高到9.6Gbps。

2.6 5G技术

5G 是国际电信联盟ITU 制定的第五代移动通信标准，相比于4G，5G 致力于在增强移动宽带eMBB、海量物联mMTC、高可靠低时延uRLLC 等领域为用户提供服务。2017年12月，NSA（Non-Standalone，非独立组网）标准第一个版本正式冻结，2018年6月，5G SA 标准冻结。2019年工信部正式向中国移动、联通、电信和广电发放5G 商用牌照。目前，5G 已完成多个城市的正式商用。相比于4G 技术，5G 在峰值速率、用户体验速率、频谱效率、移动性、时延和连接密度等方面都有较大的改进。

2.7 技术分析比较

从高速运行的城市轨道交通车地宽带无线通信系统的业务及带宽需求、业务特征及无线通信的演进趋势各方面进行综合分析可得出：

（1）LTE 技术能满足无线通信系统安全、可靠的要求，系统设备的产业链较丰富，但是LTE 技术的专用频段只有20MHz，首先需满足信号系统的使用，部分城市无委会批复给轨道交通的使用的频率只有10MHz 甚至5MHz，仅能满足信号系统的使用需求；

（2）LTE_U 技术是LTE 技术在非授权频段上的使用，可解决目前专用频谱资源匮乏的问题，但是其产业链发展还需加强，支持该技术的厂商较少；

（3）EUHT 是我国全自主开发的无线通信技术，系统具有EUHT 采用较大的子载波间隔（78KHz），可以容忍更大的多普勒频偏，但是存在技术的独有性；

（4）WLAN 技术移动性差、覆盖半径小；

（5）Wireless Fiber 支持高速移动，系统传输带宽也较宽，但是技术具有私有性；

（6）5G 技术支持高速移动，系统传输带宽高，但是目前轨道交通中无专用频段，5G 如何与轨道交通业务深度结合需要进一步探究及探讨。

3 高速运行的车地宽带无线通信系统建设建议

高速运行的的城市城市轨道交通车地宽带无线通信系统主要解决高速移动和大容量传输需求的问题，结合前面的分析，综合考虑车地宽带无线通信系统在传输带宽、移动性、安全性、可靠性及可实施性方面的要求。特别是在高速移动的线路，列车运行速度快，应充分考虑多普勒频移的影响。从前面分析看，LTE、LTE_U、EUHT、Wireless Fiber、5G 技术均可满足其高速移动切换。从工程实施的角度看，应从各线路的频率规划来选择适合于各线的轨道交通车地无线方案；从技术的发展趋势看，5G、Wi-Fi6 作为技术的发展方向，可为轨道交通车地宽带通信系统提供可靠的保证。系统能提供大容量的带宽，可为智慧轨道交通建设提供基础的传输通道，为后续的智慧化提供基础。

4 结束语

随着城市轨道交通向高速化发展，车地间的无线通信业务逐渐加大，本文从乘客信息系统的车地无线宽带业务的需求出发，分析了目前适合于高速运行的城市轨道交通的几种宽带无线接入技术，为高速运行的城市轨道交通线路的车地无线通信系统选择提出了建议方案。