地鐵CBTC無線通信技術比較和總結
（原标題：幹貨！地鐵CBTC系統——無線通信技術淺析）
地鐵CBTC系統對無線通信的要求非常高，除了技術本身的因素外(wài)，還要考慮全球的應用成熟度和發展趨勢，以及部署的成本等。因此選用何種技術進行列車(chē)控制系統中(zhōng)的無線通信要綜合考慮。以下(xià)對每種技術的優劣進行比較：
1 GSM-R、WLAN、WiMax和TETRA的對比
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WLAN |
GSM-R |
WiMAX |
TETRA多基站小(xiǎo)區制 |
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|---|---|---|---|---|
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适用頻(pín)率 |
2.4G/5.8G |
800M/900M |
2.5G/3.5G |
800M/900M/公共頻(pín)段 |
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帶寬能力 |
IEEE802.11g 理論最大(dà)速度54Mbit/s |
理論最大(dà)速度115Kbit/s |
IEEE802.16e 理論最大(dà)速度70Mbit/s |
幾百K（取決于信道帶寬） |
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是否爲寬帶無線 |
是 |
否 |
是 |
否 |
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覆蓋範圍 |
開(kāi)闊環境200-600米 |
開(kāi)闊環境5-10公裏 |
開(kāi)闊環境16公裏 |
最遠可達幾十公裏 |
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漫遊切換 |
120km/h |
500km/h |
低速或遊牧 |
超過300km/h |
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産品成熟度 |
成熟 |
成熟，但需要改頻(pín) |
不成熟 |
成熟 |
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價值鏈成熟度 |
成熟 |
成熟，但需要改頻(pín) |
不成熟 |
成熟 |
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在軌道交通行業信号系統的使用情況 |
多 在地鐵多條線路中(zhōng)使用 |
無 但在大(dà)鐵線路中(zhōng),中(zhōng)國和歐洲均有實際案例 |
無 |
多 在地鐵多條線路中(zhōng)使用 |
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抗幹擾能力 |
中(zhōng) |
高 |
中(zhōng) |
強 |
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技術架構複雜(zá)性 |
中(zhōng) |
高 |
高 |
高 |
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技術架構嚴謹性 |
中(zhōng) |
高 |
高 |
高 |
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安全性 |
中(zhōng) |
高 |
中(zhōng) |
高 |
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頻(pín)率管制 |
2.4開(kāi)放(fàng)，5.8管制 |
管制 |
管制 |
可定制 |
| 工(gōng)程施工(gōng) | 工(gōng)程量較小(xiǎo) | 安裝工(gōng)作量不大(dà)，但安裝後網優工(gōng)作量較大(dà) | 隧道内勘測計算複雜(zá) | 包括有線和無線，工(gōng)程複雜(zá) |
從以上技術指标和工(gōng)程方面的對比中(zhōng)我(wǒ)(wǒ)們可以發現，綜合考慮各種因素，WLAN和TETRA（本質上TETRA無線覆蓋主體(tǐ)也是WLAN）更加适合應用到現代地鐵的無線控制系統中(zhōng)；而GSM-R在系統容量和隧道内的複雜(zá)勘測上有所欠缺，它的高速移動性更适合于在鐵路上使用；而WiMax雖說在系統容量上有優勢，但在技術協議、高速下(xià)的切換和産品鏈成熟度上多存在很多缺陷，且工(gōng)程方面需要嚴格複雜(zá)的勘測和計算，這都限制了它在地鐵列車(chē)控制系統這方面的應用。
2 裂縫波導、漏洩光纜和WLAN的對比
| 無線組網 | 裂縫波導 | 漏洩電纜 | WLAN |
|---|---|---|---|
| 優點 | 傳輸頻(pín)帶寬、傳輸損耗小(xiǎo)、可靠性高、抗幹擾能力強 | 場強覆蓋較好、抗幹擾能力強 | 軌旁設備少、方便安裝及維護 |
| 主要組件 | 中(zhōng)空鋁質矩形管（WG），無線接入設備（TRE），波導管連接器（TGC），雙面連接法蘭（DFL），末端負載等 | 漏洩電纜（LCX），移動台，基地台，終端等 | 無線接入點（AP），無線客戶端（AP Client），天線，工(gōng)業以太網交換機等 |
| 最大(dà)傳輸距離(lí) | 1600m | 600m | 300-400m |
| 漫遊切換 | 很少 | 較少 | 頻(pín)繁 |
| 安裝精度要求 | 高 | 低 | 低 |
| 衰減特性 | 緩和 | 較緩 | 較快 |
| 抗幹擾性 | 弱 | 強 | 強 |
| 維護方便度 | 相對困難 | 方便 | 方便 |
| 廠家 | ALSTOM、北(běi)京交大(dà)等 | ALSTOM、Bombadier等 | 日信、SIEMENS等 |
| 應用案例 | 北(běi)京地鐵2号線及機場線信号系統等 | 上海軌道交通1号線、2号線及3号線二期等 | 北(běi)京地鐵10号線和15号線信号系統等 |
以上三種技術在目前的地鐵系統都有應用，各有優劣，單獨建網時都會存在某些方面的不足，比如使用WLAN建網，目前大(dà)多數地鐵系統使用的都是2.4G的免費(fèi)頻(pín)段，公衆的某些發射機如果采用同樣的頻(pín)段有可能影響到地鐵系統中(zhōng)車(chē)地的無線傳輸，進而影響到類車(chē)的調度；而選用洩漏電纜和裂縫波導管除了安裝複雜(zá)外(wài)，成本也是不得不考慮的因素。因此在實際建網當中(zhōng)除了考慮頻(pín)段外(wài)，可以考慮選擇其中(zhōng)的2種或者3種技術結合使用。這樣不僅可以建立更加完善的覆蓋，而且成本也能得到更好的控制，這也是目前很多地鐵系統采用的方案，包括與TETRA中(zhōng)設備的結合。
3 總結
地鐵是與民生(shēng)密切相關的重大(dà)工(gōng)程，我(wǒ)(wǒ)們在追求無線通信帶寬性能的同時更應該注重的是穩定，成熟和安全性。目前地鐵系統所采用的整體(tǐ)數字集群方案基本都是TETRA系統，國内更是如此。所以國内絕大(dà)多數城市地鐵基本上是采用WLAN技術或者LAN與漏洩光纜的結合（或者TETRA多基站與中(zhōng)繼器和漏洩光纜的結合）承載CBTC和PIS系統，主要的出發點是基于技術和産品鏈的成熟度。目前采用的頻(pín)段也以2.4G頻(pín)段爲主，個别采用5.8G頻(pín)段（5.8G供貨廠商(shāng)比較少、布置密度大(dà)，且頻(pín)率高導緻衰減也大(dà)，而且根據無委會規定還需要收費(fèi)）。盡管基于WLAN的應用已經很成熟，應用也很廣泛，但其采用的頻(pín)段是存在一(yī)些問題和潛在的風險，主要有：
Ø開(kāi)放(fàng)信道，無法阻止被竊聽(tīng)修改并轉發，甚至僞造、幹擾信息。
Ø用戶不必與内部網絡進行連接，攻擊者容易隐藏和僞裝。
Ø無線信号的衰減和丢失。
近期深圳地鐵出現的列車(chē)被手持WIFI逼停的事件已經發生(shēng)兩次，經分(fēn)析極有可能就是采用的2.4公共頻(pín)段受到手持WIFI的幹擾導緻的。據報道，深圳目前除了龍華線采用有5.8G外(wài)，其他都是2.4G。而據深圳地鐵人員(yuán)介紹，目前全國地鐵系統基本都是2.4G頻(pín)段，但僅深圳出現這種情況，主要原因可能是深圳地鐵中(zhōng)引入了3G信号，3G信号的引入使得乘客有條件使用特定設備将3G信号轉爲WIFI作爲并網絡熱點，進而幹擾到列車(chē)的調度信号，而北(běi)京、上海等城市目前未引入3G信号，廣州地鐵一(yī)直在做測試中(zhōng)，但也沒有引入。
雖然目前主流地鐵設備商(shāng)大(dà)都提供基于2.4G頻(pín)段的設備，且2.4G頻(pín)段在地鐵中(zhōng)的應用全球都很普遍，但随着信息技術的發展，WIFI作爲無線覆蓋會越來越普遍，乘客攜帶能發射WIFI信号的設備也會逐漸增加，因此采用公共頻(pín)段的地鐵調度未來系統受到的威脅越來越大(dà)。目前可以考慮采用擴頻(pín)技術（深圳龍崗線使用的是龐巴迪公司提供的信号系統，系統對使用的頻(pín)段進行擴頻(pín)，使其有别于常規公共頻(pín)段，且設備信号比較強，經過多次對地面上的線路測試，沒有發現被WIFI幹擾），或者申請專屬頻(pín)段（目前中(zhōng)國鐵路系統使用的就是專屬的800/900M頻(pín)段，上下(xià)行各4M，此頻(pín)段是鐵路系統和中(zhōng)國移動公用，但在鐵路沿線2-6公裏屬于鐵路系統專屬頻(pín)段），目前法國地鐵系統采用的就是專屬頻(pín)段。
同時，國内外(wài)已經在對這些存在問題做研究來降低或者解決這些風險，例如：
Ø通過建模計算AP的最佳密度，減少信号覆蓋範圍的同時留有相對冗餘，防止數據丢失。
Ø使用信息序列号（Message Sequence Number）、時間戳（Time Stamp）。
Ø信息過時處理（Time-out）、源地址和目的地址鑒别（Source and Destination Indentifiers）、反饋信息（FeedbackMessage）、安全編碼（Safety Code）。
Ø使用動态密鑰、随機密鑰、數據加密算法等。
電話(huà):
