上海鹊客通讯技术有限公司

一、背景

CBTC是新一代轨道交通列车控制技术，目前正在开展的TD-LTE等LTE技术用于CBTC无线通信的升级换代，需要跨越的重大门槛是将常规的民用无线通信LTE系统定制为符合CBTC需求的具有高可靠性的专用通信系统。因此需要进行LTE用于CBTC的建模和测试，并建设一整套服务于CBTC的LTE专用的测试平台，为CBTC无线通信控制技术的规模化建设和运行提供技术支撑。

随着我国城市化进程步入新的发展阶段，城市交通已经成为城市发展的关键。我国到2020年将投资8000亿元在数十个城市建设轨道交通，适应城市化的进程。以上海为例，目前日均客流量约700万人次，约占公共交通客运总量的42%，已经成为市民出行的主要形式。

基于通信的列车控制系统(CBTC，Communication Based Train Control)已成为新建轨道交通列车控制系统的主流。系统中列车自身具有测速定位功能，信号轨旁设备通过车-地双向通信实时地获取列车位置和速度，并向列车传送安全间隔信息，实现了移动闭塞，能提供更小的列车安全间隔，从而更好地满足城市大容量高密度的客运要求。国内已投运或在建的CBTC线路已近50条。由于历史原因，通信制式大都采用了IEEE 802.11 /b/g/n系列标准;在工作频段上，使用的是开放的、免授权的2.LTEHz ISM频段。

2012年11月初，深圳地铁CBTC系统就因为受到乘客携带的移动Mi-Fi干扰，多趟列车在运行中突然停车，引起了社会、媒体和相关政府部门的广泛关注。国家信息产业部非常重视，刘利华副部长率队到申通专题调研，国家无线电管理局和轨道交通协会多次开会研讨对策，上海市政府采取积极措施责成上海市无线电管理局和上海申通地铁集团有限公司研究解决隐患。中国轨道交通协会确定未来将会采用基于专用频段的专用无线通信技术，为此上海申通地铁集团牵头联合上海大学等在沪相关单位在国内率先开展了专频的CBTC研究。

2013年起开展了基于专频专网技术的CBTC无线通信系统试验，包括实验室测试、隧道漏缆测试与张江实训线测试等三个阶段测试工作。实验室测试在上海大学--中国通号联合实验室进行。主要开展针对专频专网技术和设备的测试，并依托实验室建设的轨道交通CBTC轨旁与车载网络仿真系统，将被测设备接入，测试系统的物理层、接入层、网络层、应用层性能。在南通中天科技电磁场实验中心进行了隧道和漏缆环境测试，对专频专网系统进行接近于真实环境的性能评估。

2013年12月工信部向中国移动、中国电信、中国联通正式发放了第四代移动通信业务牌照，标志着中国电信产业正式进入了LTE时代。LTE具有的先进型使得其逐步深入到地铁领域，正在成为下一代CBTC无线通信技术。LTE技术面向民用互联网需求设计，为适应CBTC这种高可靠性的工业控制系统的要求，需要采取定制技术，以带宽为代价换取服务质量的提升，才能解决高速、漫游等特殊问题。因此需要建设CBTC的LTE专用的测试平台，开展LTE用于CBTC的建模和验证，指导厂商实现LTE的定制化，为新一代CBTC无线通信建设和运行提供技术支撑。

二、主要技术服务内容和技术关键

2.1 总体研究目标：

为了实现CBTC无线通信的技术换代，针对将LTE系统定制为符合CBTC需求的高可靠性专用系统的技术关键，建模、测试和验证轨道交通CBTC对无线通信的需求，为CBTC建设和运行提供方案验证和技术支撑。

2.2 具体技术服务内容包括：

(1)CBTC对车地无线通信的需求验证

联合用户、信号集成商，验证对车地无线通信带宽、时延等指标要求，对于无线系统可靠性、可用性、可维护性的要求。

论证和优化通信系统模型，在保证系统足够冗余和尽可能少的区间轨旁设备的前提下，对不同通信系统系统部件的可靠性作出评估，进行信号流程的并联串联结构优化，同时研究无线电传输方式。

开展轨道交通车地通信的需求分析和业务形态研究，不同通信业务需求对通信网络的不同性能指标及配置要求分析;对不同通信业务在城市轨道交通运行控制中的必要性、需求度进行评估，以及开展相应的适应性研究。

(2)轨道交通无线通信信道分析与测试

针对轨道交通隧道环境中通信模式的实际应用问题，通过实地测试以及理论分析，建立这一特殊空间的信道模型。

测试不同接入系统对CBTC系统的影响。测试分为实验室测试和现场测试。通过实验室测试，得出在不影响CBTC无线通信系统正常运行的条件下，对公共移动通信引入的限制条件。在实验室测试结束后，通过现场测试对提出的CBTC对公众移动通信引入限制条件进行验证和修正。

(3)轨道交通无线通信的专用测试

轨道交通无线通信专用测试技术要点在于将信道模型映射为信道的模拟计算，动态地实时再现隧道内信道传输特性。针对轨道交通CBTC车地无线通信系统测试需求，构建CBTC系统无线物理层、车-地通信网络层、信号应用层的测试系统，用于测试车载设备与轨旁设备之间各层的通信性能，并研究相关的测试流程、测试指标等规范草案。

(4)LTE通信对CBTC的适用性研究

研究的CBTC无线通信系统需求，开展符合需求的技术方案比选研究。通过对不同LTE技术的工作频率、编码与调制方式、接入方式、切换方式、传输带宽、移动性管理、安全机制、网络管理、可靠性设计、标准化、技术成熟度等基本属性进行深入比较研究，并对目标技术的系统设备进行全面测试验证，测试内容包括流量、容量、传输时延、漫游切换、误码率、抗干扰性能、冗余备份能力等指标。

(5)LTE技术方案定制研究

确定轨道交通无线传输通道系统技术架构。通过对无线传输通道技术的系统分析，整理出无线传输通道技术的系统架构，开展有线无线传输通道规划、频段分配和确定具体技术制式与技术实现方式研究。由于轨道交通CBTC对无线通信系统有着特殊的需求，包括但不限于：系统的高可用性，进而要求设备冗余、网络路由的冗余和自愈能力等;工作环境存在较强的振动;复杂的EMC环境;地下无GPS或北斗信号，导致系统同步困难等。因此，需要针对CBTC的需求，坚持尽可能避免在区间轨旁部署无线通信设备。提出对无线系统进行定制优化方案，包括系统架构、覆盖方式、同步方式、容量设计和系统可靠性等，以及列车车载专用电台研发定制。其中覆盖方式，重点放在漏缆传输应用优化分析，以及漏缆与智能天线可能的结合应用方案。指导无线通信厂商完成CBTC的LTE通信系统定制。

(6)LTE系统工程测试与服务

联合上海通号-上海大学的轨道交通无线通信实验室开展用于CBTC正式装备的测试与工程验证：(1)实验室技术性能测试;(2)实验室CBTC适应性测试;(3)试验线测试。根据CBTC的需求验证设备的高可靠性和系统的高可用性，开展移动互联网无线信号和其他频段信号与CBTC系统无线信号兼容性测试，实际环境下无线覆盖以及线路组网极限条件下的测试等工程测试。通过测试工程总结，提供专业测试报告，为地铁运营管理开展第三方服务。

2.3 技术关键：

上述技术服务工作，包括了以下关键技术：

LTE体系用于CBTC后的技术改造与定制;

轨道交通通信的信道模型;

专用信道仪的实现途径。

第一个关键技术涉及第四代移动通信标准。该技术包括TD-LTE和FDD-LTE等制式。LTE是集3G与WLAN于一体，并能够快速传输数据、高质量、音频、视频和图像等。LTE能够以100Mbps以上的速度下载，能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。但是LTE技术面向民用设计，对CBTC这样高可靠性的工业控制要求，需要采取定制技术，以带宽为代价换取服务质量的提升，并解决高速、漫游等特殊问题。

第二个关键技术涉及无线通信以及有线网络的建模。地下的空间由于特殊的多径环境和列车移动的多普勒效应使得信道的建立比起地面来更具特殊性。测试方法中空间位置、接收角度的精确度都有更精细的要求。有线网络存在可靠性以及有效性的矛盾。建模计算需要在基于电磁场理论以及网络传输理论的平台上进行。

第三个关键技术涉及实验室装备开发。具有随机特性的无线电传输衰落现象如何等价为确定性的电路结构与随机控制信号的联合作用的问题，涉及微波电路与计算机控制等。需要研究微波器件与电路的技术指标对系统性能的影响，并需作信号随机过程的分析。联合上海大学实验室现有的高端设备建设测试平台。

4G专频轨道交通CBTC无线通信关键技术

攻关内容(关键技术、创新点)

随着我国城市化进程步入新的发展阶段，城市交通已经成为城市发展的关键。我国到2020年将投资8000亿元在数十个城市建设轨道交通，适应城市化的进程。以上海为例，目前日均客流量约700万人次，约占公共交通客运总量的42%，已经成为市民出行的主要形式。

基于通信的列车控制系统(CBTC，Communication Based Train Control)已成为列车控制系统的主流。系统中列车自身具有测速定位功能，信号轨旁设备通过车-地双向通信实时地获取列车位置和速度，并向列车传送安全间隔信息，实现了移动闭塞，能提供更小的列车安全间隔，从而更好地满足城市大容量高密度的客运要求。

国内已投运或在建的CBTC线路已近50条。由于历史原因，通信制式大都采用了IEEE 802.11 /b/g/n系列标准;在工作频段上，使用的是开放的、免授权的2.4GHz ISM频段。2012年11月初，深圳地铁CBTC系统就因为受到乘客携带的移动Mi-Fi干扰，多趟列车在运行中突然停车，引起了社会、媒体和相关政府部门的广泛关注。

为了实现CBTC无线通信的技术换代，项目将深入梳理轨道交通CBTC中对无线通信的需求，将最新的第四代移动通信技术(4G)定制为符合CBTC需求的高可靠性专用系统的技术关键，构建基于4G专频技术的高可靠CBTC无线通信关键技术模型系统。产学研合作研究专业测试技术，在国内率先建设一整套基于4G专频技术的高可靠CBTC无线通信测试平台，为新一代CBTC无线通信大规模建设提供技术支撑。

主要技术、经济指标

本项目的技术将提高轨道交通CBTC无线通信系统的可用性、安全性，研究成果将为我国CBTC无线通信系统建设提供示范，为未来的CBTC系统提供4G车地通信方案，为轨道交通的无线通信系统安全提供技术保障，对我国大规模的轨道交通建设具有重要意义。

本项目的研究成果在全国轨道交通CBTC有着广阔的应用前景。我国规划建设的城市地铁总里程数已超过7000公里(至2020年)，按每公里地铁的信号与通信系统设备造价1千万计算，其潜在的市场规模高达数百亿元。