车地无线通信系统的频率和传输效率要求

　　摘要：本文建议工作于1.785~1.805G专用频段的车地无线通信系统（称为列运车地通信系统）承载列车运行及安全、PIS、视频监控等信息，工作于5G公共频段的车地无线通信系统（称为增值车地通信系统）承载乘客数据服务业务，这样既能满足列车正常安全的需要，又能使轨道运营公司的利益最大化。

　　关键词：车地无线通信系统；无线通道传输效率；频率规划

　　本文试图站在轨道运营公司（包括地铁和大铁）的角度上，对车地无线通信系统的频段和传输效率要求提出想法和意见，争取既满足列车的正常运行的功能需求，又能使轨道运营公司的利益最大化。

　　一、车地无线通信的需求分类

　　各种轨道交通的车地无线通信的速率需求如下表所示。

　　A和B类业务属于铁路日常运营的支撑和保障功能，由轨道运营公司管理。尽管也可以利用PIS播发广告，但系统主要不是为了商业目的，如果用国家指配给A和B类业务的频段进行商业宣传，还可能面临监管限制。而C类为增值业务，通常包给第三方公司管理。由于技术和设备成熟度原因，目前绝大多数线路A和B类业务是由不同的车地无线通信系统承载的。但将A和B由同一车地通信系统承载的要求，在经济、维护等方面有一定的合理性，技术上也不存在不可克服的障碍。

　　C类业务对铁路运营来说不是必须的，但从长远来说，C类业务是一块大的市场蛋糕，能够为轨道运营公司带来丰厚的利润。理由如下：1.铁路车厢环境封闭，无论是话音还是数据通信都会有旺盛的需求。但因为速度高和车体衰减，依靠车厢外的基站直接和车内用户通信会是一个严重问题，尤其是高铁。而依靠大带宽的车地通信系统，将车内用户的数据流量通过wifi汇集，通过双向宽带车地无线通道传送，将是一个前途无限的应用领域。

　　2.宽带车地通信系统不仅改善车内通信环境，同时使车内网络成为地铁或铁路公司的驻地网，在车站接入公网运营商的网络，可以运营收费，推送广告，和公网运营商进行话费分成等，会成为铁路轨道运营公司新的利润产生点。

　　3.目前公网通信制式和频段繁多，都需要在铁路沿线进行覆盖，才能保证各网的用户通信，轨旁设备繁多，布线杂乱。如果铁路轨道运营公司依靠自有的车地宽带通信系统提供车内覆盖，这一切都可以简化。而且铁路修到哪里，通信覆盖就达到哪里，不再依赖公网运营商的覆盖能力和意愿。

　　理论上，由轨道运营公司牵头对车地通信系统的频率、传输效率和设备性能进行统一规划，可以做到既保证安全运营的功能需求，又能使自己的利益最大化。但长期以来，由于技术和管理各方面的因素影响，轨道运营公司没有顾及这方面的需求，放任通信设备厂家自行选择技术体制、自行申请频率，结果造成车地通信系统制式繁多，频段复杂，轨道业主无所适从，而各设备厂商由于技术水平限制和自身利益的影响，研发的系统多立足于解决当时的问题，在系统指标、频率占用、技术体制等方面缺乏前瞻性，造成不少问题。深圳曾出现的用户WIFI逼停地铁列车的事件只是一个例子。我国已经开始了轨道交通大发展时代，由轨道运营公司出面对车地通信系统的频率和性能要求进行统一规划已迫在眉捷，否则会造成越来越多的即成事实需要迁就，越来越多的问题和隐患难以解决。

　　二、频率规划

　　长期以来，没有轨道交通专用频率问题困扰着车地通信制造厂商。最近，工信部终于以非正式的方式批准1.785~1.805G的20MHz带宽可以用于轨道交通、电力、石油等行业，解决了轨道交通需要专属频段的问题。

　　在这种情况下，建议A类和B类业务中除了调度对讲以外的其它业务，由一套车地无线通信系统，工作在1.785~1.805G的轨道交通专用频段，该系统称为列车运营车地无线通信系统，以下简称列运通信系统。当然，这样做的前提是列运通信系统具有足够高的传输效率，在规定带宽内能将A类和B类业务同时传输，这个问题下一节讨论。

　　原有的列车调度对讲系统因为已有专用频点，系统成熟，应当继续使用。但列运通信系统应提供从调度员到司机的备用对讲的数据通道，这样一旦调度对讲系统出问题，还可以利用列运通信系统保持调度员和司机间的通信畅通。

　　把调度对讲业务合并入列运通信系统，也即用一套通信系统承载所有列车运营所需要的通信的业务，会带来的问题是安全水平降低和事故风险，原因在于：

　　1.一旦列车运营车地通信系统出现问题，不仅列车停驶，调度员和司机的对讲也中断，不利于事故现场的通信联络。

　　2.地铁里存在多套对讲系统，只把调度对讲合并到列运通信系统，对于降低运营成本效果不明显。

　　3.多年来人们已经习惯对讲系统的使用方法和设备维护，迁移成本也较高。

　　承载C类业务的车地通信系统称为增值服务车地通信系统，简称增值通信系统。增值通信系统通常是包给第三方公司管理，应工作在5G的公用频段。2.4G因为带宽有限和公众通信干扰问题，不应在新线上继续使用。目前我国已开放以下的5G公用频段资源有5725-5825MHz，5150-5350MHz（室内使用），5470-5725MHz（室外使用），将来还可能开放更多的5G的频段资源。

　　增值通信系统可以占用高达160MHz的带宽，汇聚车内的上下行数据流量，在车上用网关在5G和2.4Gwifi间进行转换，车厢内采用2.4G的WIFI覆盖，乘客的通信设备通过2.4G的WIFI进行对外通信。

　　有种建议是在5G的公用频段上，拨出一部分带宽，用802.11n或ac的技术，使用列运通信系统，这种做法的不当之处如下：

　　1.在工信部已经指定1.785~1.805G可以用作列运通信系统的工作频率后，不可能再在5G频段上再为轨道交通指定专用频段。

　　2.随着2.4G公用频段的日趋饱和，越来越多的电子设备会工作到5G上，而且对于远距离点对点通信、无人机图传等应用，5G比2.4G频段更适合，这样工作在5G公用频段上的列运通信系统将来不可避免与公众通信相互干扰。

　　3.高于2.7G的无线信号已经不能用漏缆传播，只能依赖天线，5G无线信号绕射能力差，必须直线传播，导致轨旁基站密度大，安装维护成本升高。有些地铁线的2.4GWLAN的无线PIS数据传输系统在新开通时能正常工作，但过了一段时间后，出现故障的设备越来越多，而业主不同意厂家频繁下地铁隧道进行更换和维护，结果最后系统工作效果越来越差，最后停用。所以增大轨旁基站间距，尽量将基站安装在站台附近，具有一定的现实意义。

　　4.同样技术方案和实现方式的无线通信系统，工作在5G比工作在1.8G，成本要高，可靠性要低，耗电要大。

　　一部分通信设备厂家在促使国家无委将5825-5925MHz带宽指定为轨道交通专用频段，这实际上并不恰当，理由如下：

　　1.该带宽如果只由列运通信系统占用，是种巨大的频谱资源浪费。

　　2.该带宽如果运行增值通信系统，对乘客提供数据服务，考虑到高铁旅客的数据通信需求和轨道交通环境下的通信系统传输效率，长远看来是不够用的。

　　3.如果将该带宽指定为轨道交通专用，在广大的没有露天轨道线路到达的地区，该段频谱公众无法使用，这是不合理的。

　　增值通信系统对5G频带的占用的最好办法是“事实占用”，在开放的5G频段中根据实际需要占用带宽情况，在已被增值通信系统占用的频段上，露天线路沿途的公众通信设备，检测到增值通信系统的信号功率会自动或人工避开，久而久之会成为事实占用。即使短时间发生冲突，对列车的正常运行无碍。

　　三、系统传输效率要求

　　对于无线宽带传输系统来说，传输效率，即单位带宽内能传输的数据率，是最重要的一项性能指标。列运通信系统如果没有足够高的传输效率，无法在规定带宽内能将A类和B类业务同时传输，这样只能退回到两套系统方案，即一套系统工作在1.8G，只传输A类业务，另一套工作在5.8G，只传输B类业务，这对轨道运营公司来说，肯定不是好的选择。同样，增值通信系统如果没有足够高的传输效率，在可以使用的带宽内传输速率不能吸收用户流量，使乘客体验很差，也会导致系统使用率低下，收益下降。

　　我们现在讨论1.8G的20MHz专用带宽的使用。只有最多20MHz带宽，列运通信系统只能采用时分技术体制。由于A类业务传输的可靠性要求极高，除了要求单个列运通信系统系统的传输可靠性高、错漏率低外，双系统同时工作是合理的选择。要传输的信号数据包复制成两路进入两个系统，两个系统在不同的频点上进行传输，到了目的端后进行合并，删除冗余和错误的数据包。这样，如果一个系统发生致命故障，也不会导致A类业务传输的中断。因此，一条线需要两个频点，以支持两个列运通信系统的同时工作。

　　另一方面，地铁各线路之间并线和交叉时，如果工作频率相同会导致各线路之间相互干扰，所以必须以频分的方式区分不同的线路。线路两两交汇或并行的情况最多，3条线路同时交汇的情况较少但也存在，所以最多考虑3条线路的交叉汇合的情况，超过3条路的交汇并行就必须依赖站点设置、物理遮蔽等方式消除线间干扰。这样全市需要6个频点才能完成覆盖，而且要求列运通信系统在不同的路段可以使用不同的频点，以应付复杂的线路交汇和并行情况。

　　现在考虑每个频点的带宽，比较合适的列运通信系统工作的载波宽度为3MHz，原因在于：

　　1.LTE的带宽档次为1.4/3/5/10/15/20MHz，1.4MHz太小，5MHZ及以上太大。

　　2.1.785~1.805G的20MHz带宽是批给轨道交通、电力等共用的，一个城市内可以用于轨道交通的频率需要地方无委再批。如果采用3MHz的载波宽度，两条线路频点避让的情况，就需要至少将4个频点12MHz带宽划归轨道交通专用，而且在需要进行3线避让的有限区域内，或者不存在干扰的地下隧道区域内，可以再启用另外两个频点6MHz带宽。在上述区域外这6MHz带宽可以拨给其它用途。

　　3.用3MHz的频点带宽，6个频点占据18MHz，在20MHz带宽两端各空1MHz，这看起来频谱利用率较低，但在目前的应用环境中有一定的合理性，原因在于这20MHz带宽是原来FDD频段用于上下行隔离的带宽。

　　两个无线通信系统，如果工作在相邻的频带上，会带来邻带干扰。X系统的发出的信号会进入Y的接收设备中，影响Y的正常通信，反之亦然。在轨道交通环境中，这种干扰的问题就更严重，因为轨旁基站和车内乘客的最短距离都非常小，X系统的用户终端在Y系统的基站旁掠过时，Y系统收到的X系统终端的信号能量，要比收到的处在较远距离上的Y系统自己的终端发出的信号能量大得多，这会阻塞Y系统对自己终端信号的接收。

　　为了降低相互之间干扰，通信系统都在射频前端安装了滤波器，将其它通信系统的信号能量尽可能地衰减，而把自己的信号尽可能地不衰减。但滤波器在带宽边缘有一定的过渡带宽，在过渡带宽内，传输特性从带内不衰减过渡到带外大衰减。而过渡带是不能用于信号传输的。在系统规划时，频带相邻的系统都会让出一段带宽不使用作为过渡带，同时将滤波器的过渡带尽量缩窄，将带外衰减尽可能地做大，使得带宽利用率升高，干扰能量降低。但这样做是有一定代价的，过渡带越窄、带外衰减越大，滤波器的体积就越大、价格越高，还会造成通带内信号衰减增大，所以最终滤波器的性能是各方面折衷的结果。

　　但对于1.785~1.805G，情况有些不同，这20MHz带宽本来是用作FDD制式频段的上下行隔离，原本认为不会被使用的，这样和该频段相邻的通信系统在设计和使用时就没有上述的邻带干扰的顾忌，频谱使用上没有保留过渡带，滤波器在这20MHz带宽的衰减也不是很陡峭。这样，紧邻边带的频谱实际上是无法使用的。由于占据1.805G以上带宽的DCS1800系统部署已久，占据1.785G以下的FDD-LTE牌照已发，实验网已建立，不可能因为轨道交通非正式的新批频段而升级设备，这样只有轨道交通出让多一些过渡带才能保证不互相干扰。

　　建议各地无委最低分配给轨道交通12MHz的带宽，在3线之间存在干扰的有限区域内，在和其它合法使用该频段的系统不相互冲突的情况下，另外允许使用另外6MHz带宽。

　　下面我们讨论列运通信系统频点规划和应当具备的传输效率。每个列车A类业务的通信数据率按500Kbps计算，需要在双系统内同时传送。B类业务如果要求上下各一路速率为4Mbps的标清视频流，分流到双系统中传送，这样总的数据率就需要2*0.5+2*4=9Mbps。在正常通车情况下，一个轨旁基站范围内可能出现两个列车（每个方向各有一列），这样在6MHz的带宽内，就需要传输2*9=18Mbps的数据率，所以我们考虑把18Mbps@6MHz作为列运通信系统的传输效率的基本要求，并且要求同向相邻列车间的通信不互相干扰。由于车载终端和轨旁基站间因距离远近可能造成传输速率起伏明显，会导致数据积压、丢失和延迟增大，为保证视频监控信息的实时性，建议要求在任何一个1秒的时间间隔内，平均传输效率大于或等于18Mbps@6MHz。

　　在异常情况下，列车发生拥塞，一个轨旁基站覆盖范围内可能出现多个列车，此时每列车的A类业务是必须保证的，在如果系统达到18Mbps@6MHz基本传输效率要求，在列车可能相互干扰的密集区域可以最多容纳18列车进行A类通信，或者10个列车进行A类通信的同时和1个列车进行视频通信。在停车场、车辆段区域情况也类似。

　　为了提高传输数据率，进行高清视频通信，可以把频点和流量的挪用作为列运通信系统的可选功能。列运通信系统除了占用分配给本线路段的2个频点外，可以在线间不互相干扰的区域，将指配给轨道交通的其它频点挪过来使用。在一线双洞，双向之间不互相干扰情况下，轨旁基站可以把所有流量给一个列车使用。这要求线路规划时确定频点和流量挪用路段，列车在不同的路段采用不同的挪用策略。

　　下面讨论增值通信系统占用的频带宽度和应当具备的传输效率。增值通信系统的业务在将来一定程度上是要和公网通信运营商相竞争的，因此系统应当提供足够的数据传输容量，以吸引越来越多的人使用增值通信系统上网通信。传输容量指标的设定需要一定的前瞻性，以满足越来越大量的个人通信需求。一列地铁列车能容纳的乘客人数在1500~2000左右，按照每人平均100kbps的速率计算，总的传输速率就在150Mbps~200Mbps之间。所以考虑将地铁一个列车的传输速率需求定在250Mbps。由于车载终端和轨旁基站间因距离远近可能造成传输速率起伏明显，会导致数据积压、丢失和延迟增大，影响用户体验，所以要求增值通信系统在任何一个10秒的时间间隔内，平均传输速率大于或等于250Mbps。

　　考虑到双向、交汇、并行等情况，参照802.11ac协议，我们的意见是单个运行方向的增值通信系统占用带宽不宜超过80MHz，也即要求增值通信系统的传输效率高于250Mbps@80MHz。所有线占用不超过160Mhz带宽，线路交汇或并行处各线降低速率，使占用的总带宽保持在160Mhz。这种限制的原因在于不能过多挤占5G的公共频带做商业运营，被人诟病。5G的公用频段看起来很宽，但有一些已指定用途，例如5150-5350MHz规定室内使用，其发射功率受限。这样公众室外可以使用的频带并不多。如果轨道运营公司委托第三方公司，采用增值通信系统占用公用频带成了另一个通信运营商，这必然招致目前三大运营商的不满。因为三大运营商也大量部署WLAN设备进行延伸覆盖，他们实际上对此也无话可说。然而如果轨道交通挤占过多公共频段，导致公众对公共频段使用的不便，引起公众的不满情绪，这反过来会影响该业务是否能被公众和政府接受。

　　综上所述，列运通信系统工作在1785-1805MHz的带宽上，每个频点宽度3MHz，双系统占用两个频点，传输效率要求不低于18Mbps@6MHz。增值通信系统占用5G公共频段上的80MHz带宽，传输效率不低于250Mbps@80MHz。列运通信系统和增值通信系统的设计都需要考虑既充分利用带宽，又支持全市范围内的频率规划，避免线间干扰及和公众通信干扰。

　　四、结束语

　　本文就车地通信系统的频率和传输效率发表了一些粗浅的意见，希望抛砖引玉，能引起轨道运营公司对该问题的关注，牵头组织对该问题的讨论和研究，为车地通信设备厂家提出规范性的指导意见，使他们少走弯路，也使轨道运营公司获得良好的社会效益和经济收益。

　　贾学卿