地铁CBTC无线通信技术比较和总结
(原标题:干货!地铁CBTC系统——无线通信技术浅析)
地铁CBTC系统对无线通信的要求非常高,除了技术本身的因素外,还要考虑全球的应用成熟度和发展趋势,以及部署的成本等。因此选用何种技术进行列车控制系统中的无线通信要综合考虑。以下对每种技术的优劣进行比较:
1 GSM-R、WLAN、WiMax和TETRA的对比
WLAN |
GSM-R |
WiMAX |
TETRA多基站小区制 |
|
---|---|---|---|---|
适用频率 |
2.4G/5.8G |
800M/900M |
2.5G/3.5G |
800M/900M/公共频段 |
带宽能力 |
IEEE802.11g 理论最大速度54Mbit/s |
理论最大速度115Kbit/s |
IEEE802.16e 理论最大速度70Mbit/s |
几百K(取决于信道带宽) |
是否为宽带无线 |
是 |
否 |
是 |
否 |
覆盖范围 |
开阔环境200-600米 |
开阔环境5-10公里 |
开阔环境16公里 |
最远可达几十公里 |
漫游切换 |
120km/h |
500km/h |
低速或游牧 |
超过300km/h |
产品成熟度 |
成熟 |
成熟,但需要改频 |
不成熟 |
成熟 |
价值链成熟度 |
成熟 |
成熟,但需要改频 |
不成熟 |
成熟 |
在轨道交通行业信号系统的使用情况 |
多 在地铁多条线路中使用 |
无 但在大铁线路中,中国和欧洲均有实际案例 |
无 |
多 在地铁多条线路中使用 |
抗干扰能力 |
中 |
高 |
中 |
强 |
技术架构复杂性 |
中 |
高 |
高 |
高 |
技术架构严谨性 |
中 |
高 |
高 |
高 |
安全性 |
中 |
高 |
中 |
高 |
频率管制 |
2.4开放,5.8管制 |
管制 |
管制 |
可定制 |
工程施工 | 工程量较小 | 安装工作量不大,但安装后网优工作量较大 | 隧道内勘测计算复杂 | 包括有线和无线,工程复杂 |
从以上技术指标和工程方面的对比中我们可以发现,综合考虑各种因素,WLAN和TETRA(本质上TETRA无线覆盖主体也是WLAN)更加适合应用到现代地铁的无线控制系统中;而GSM-R在系统容量和隧道内的复杂勘测上有所欠缺,它的高速移动性更适合于在铁路上使用;而WiMax虽说在系统容量上有优势,但在技术协议、高速下的切换和产品链成熟度上多存在很多缺陷,且工程方面需要严格复杂的勘测和计算,这都限制了它在地铁列车控制系统这方面的应用。
2 裂缝波导、漏泄光缆和WLAN的对比
无线组网 | 裂缝波导 | 漏泄电缆 | WLAN |
---|---|---|---|
优点 | 传输频带宽、传输损耗小、可靠性高、抗干扰能力强 | 场强覆盖较好、抗干扰能力强 | 轨旁设备少、方便安装及维护 |
主要组件 | 中空铝质矩形管(WG),无线接入设备(TRE),波导管连接器(TGC),双面连接法兰(DFL),末端负载等 | 漏泄电缆(LCX),移动台,基地台,终端等 | 无线接入点(AP),无线客户端(AP Client),天线,工业以太网交换机等 |
最大传输距离 | 1600m | 600m | 300-400m |
漫游切换 | 很少 | 较少 | 频繁 |
安装精度要求 | 高 | 低 | 低 |
衰减特性 | 缓和 | 较缓 | 较快 |
抗干扰性 | 弱 | 强 | 强 |
维护方便度 | 相对困难 | 方便 | 方便 |
厂家 | ALSTOM、北京交大等 | ALSTOM、Bombadier等 | 日信、SIEMENS等 |
应用案例 | 北京地铁2号线及机场线信号系统等 | 上海轨道交通1号线、2号线及3号线二期等 | 北京地铁10号线和15号线信号系统等 |
以上三种技术在目前的地铁系统都有应用,各有优劣,单独建网时都会存在某些方面的不足,比如使用WLAN建网,目前大多数地铁系统使用的都是2.4G的免费频段,公众的某些发射机如果采用同样的频段有可能影响到地铁系统中车地的无线传输,进而影响到类车的调度;而选用泄漏电缆和裂缝波导管除了安装复杂外,成本也是不得不考虑的因素。因此在实际建网当中除了考虑频段外,可以考虑选择其中的2种或者3种技术结合使用。这样不仅可以建立更加完善的覆盖,而且成本也能得到更好的控制,这也是目前很多地铁系统采用的方案,包括与TETRA中设备的结合。
3 总结
地铁是与民生密切相关的重大工程,我们在追求无线通信带宽性能的同时更应该注重的是稳定,成熟和安全性。目前地铁系统所采用的整体数字集群方案基本都是TETRA系统,国内更是如此。所以国内绝大多数城市地铁基本上是采用WLAN技术或者LAN与漏泄光缆的结合(或者TETRA多基站与中继器和漏泄光缆的结合)承载CBTC和PIS系统,主要的出发点是基于技术和产品链的成熟度。目前采用的频段也以2.4G频段为主,个别采用5.8G频段(5.8G供货厂商比较少、布置密度大,且频率高导致衰减也大,而且根据无委会规定还需要收费)。尽管基于WLAN的应用已经很成熟,应用也很广泛,但其采用的频段是存在一些问题和潜在的风险,主要有:
Ø开放信道,无法阻止被窃听修改并转发,甚至伪造、干扰信息。
Ø用户不必与内部网络进行连接,攻击者容易隐藏和伪装。
Ø无线信号的衰减和丢失。
近期深圳地铁出现的列车被手持WIFI逼停的事件已经发生两次,经分析极有可能就是采用的2.4公共频段受到手持WIFI的干扰导致的。据报道,深圳目前除了龙华线采用有5.8G外,其他都是2.4G。而据深圳地铁人员介绍,目前全国地铁系统基本都是2.4G频段,但仅深圳出现这种情况,主要原因可能是深圳地铁中引入了3G信号,3G信号的引入使得乘客有条件使用特定设备将3G信号转为WIFI作为并网络热点,进而干扰到列车的调度信号,而北京、上海等城市目前未引入3G信号,广州地铁一直在做测试中,但也没有引入。
虽然目前主流地铁设备商大都提供基于2.4G频段的设备,且2.4G频段在地铁中的应用全球都很普遍,但随着信息技术的发展,WIFI作为无线覆盖会越来越普遍,乘客携带能发射WIFI信号的设备也会逐渐增加,因此采用公共频段的地铁调度未来系统受到的威胁越来越大。目前可以考虑采用扩频技术(深圳龙岗线使用的是庞巴迪公司提供的信号系统,系统对使用的频段进行扩频,使其有别于常规公共频段,且设备信号比较强,经过多次对地面上的线路测试,没有发现被WIFI干扰),或者申请专属频段(目前中国铁路系统使用的就是专属的800/900M频段,上下行各4M,此频段是铁路系统和中国移动公用,但在铁路沿线2-6公里属于铁路系统专属频段),目前法国地铁系统采用的就是专属频段。
同时,国内外已经在对这些存在问题做研究来降低或者解决这些风险,例如:
Ø通过建模计算AP的最佳密度,减少信号覆盖范围的同时留有相对冗余,防止数据丢失。
Ø使用信息序列号(Message Sequence Number)、时间戳(Time Stamp)。
Ø信息过时处理(Time-out)、源地址和目的地址鉴别(Source and Destination Indentifiers)、反馈信息(FeedbackMessage)、安全编码(Safety Code)。
Ø使用动态密钥、随机密钥、数据加密算法等。