行业要闻

 

【摘　要】针对目前城市轨道交通车地宽带无线传输通信技术方案的选择,简要介绍并比较了WLAN(无线局域网)、WiMAX(无线宽带移动接入)、3G(UMTS、UWB、LTE)等技术的不同特点。从适合轨道交通专用业务网的特点出发,必须尽可能同时满足高移动性和高带宽容量两个必备条件。在目前产业成熟度的条件下,符合IEEE 802. 16e的WiMAX技术成为满足城市轨道交通车地宽带移动视频通信的最佳选择。

【关键词】城市轨道交通;车地通信;无线局域网;宽带移动通信

 

      前言

      城市轨道交通的服务水平,必需的硬件装备成为了各城市轨道交通运营企业的迫切需求。高清晰数字视频在城市轨道交通运行车辆的实时播出,车站值班员、控制中心调度员、车辆段DCC车务人员对列车车厢内的实时图像监控,列车驾驶员对前方车站旅客候车情况的实时监控等,已成为列车运营新的需求。为满足这类需求,必须提供车地之间的高速数据无线传输通道。这个无线传输通道必须同时具备高数据容量和快速移动性两个条件。最近在深圳、广州和北京,均试用过基于WLAN技术的列车无线宽带传送业务,采用的均为基于802.11的WLAN技术,但效果不甚理想。

      移动宽带无线通信及接入技术是目前最热门的通信技术之一,3G(UMTS、UWB、LTE)技术方兴未艾,4G技术的研究又迅猛发展。从市场成熟度和3G技术发展的角度来看,移动无线技术的发展演进路径主要有三条:一是WCDMA和TD-SCDMA,均从HSPA演进至HSPA +,进而到LTE;二是CDMA2000沿着EV-DO Rev.0/Rev.A/Rev.B,最终到UMB;三是IEEE 802.16m的WiMAX路线。这其中LTE拥有最多的支持者,WiMAX次之。另一方面,从IEEE系列无线接入技术标准的角度分类,主要包括:802.11(无线局域网WLAN),802.15(无线个域网WPAN:蓝牙与UWB),802.16(无线城域网WMAN:WIMAX),以及802.20(宽带移动接入标准WBMA)。一般地说,WLAN可以提供热点覆盖、低移动性和高数据传输速率,WPAN提供超近距离的无线高数据传输速率连接,WMAN提供城域覆盖和高数据传输速率,WBMA提供广覆盖、高移动性和高数据传输速率。

      城市轨道交通的通信网络是一个典型的专用业务网,网络规模不大,但业务种类丰富,电路域业务与分组域业务同处一个网络,实时和非实时业务并存。而轨道交通列车运行时速一般按80 km/h考虑,因此车地无线通信技术的选择必须兼顾综合业务宽带应用和可移动性特点。可供选择的技术主要有WLAN技术、WiMAX技术及3G技术等。

1、无线局域网(WLAN)技术

      无线局域网有时也称为Wi-Fi(Wireless Fidelity,又称802.11b标准),主要包括IEEE 802.11系列标准。其主要特性为速度快、可靠性高、在开放性区域通信距离可达305 m,在封闭性区域、通信距离为76 m到122 m,方便与现有的有线以太网络整合,组网的成本很低。在实施形式上主要有两种:一是具有定向天线的Wi-Fi,二是具有Mesh网络拓扑结构的Wi-Fi。

      目前,IEEE 802.11已成为无线局域网的主流标准。1997年,IEEE 802.11标准定义了单一的MAC层和多样的物理层,先后推出了IEEE 802.11b,IEEE 802.11a和IEEE 802.11g物理层标准;最近又发展了IEEE 802.11n标准。目前在各城市轨道交通试验性应用或做过测试的基本上是基于IEEE 802.11系列标准的技术。

1.1 IEEE 802.11a标准

      IEEE 802.11a与IEEE 802.11b几乎同时出现。IEEE 802.11a运行在5 GHz的UNII频段上,与802.11b使用了不同的频率标准,二者互不兼容。IEEE 802.11a采用OFDM(正交频分复用)技术,可提供的最高数据传输速率为54 Mbit/s。802.11a的优点是具有较高的网络速率,信号不易被干扰;缺点是成本较高,信号容易被障碍物阻隔。

1.2 IEEE 802.11b标准

      1999年7月,IEEE扩大了802.11应用标准,创建了802.11b。相比传统的以太网,该标准可以支持最高11 Mbit/s的数据传输速率。802.11b继承了802.11的无线信号频率标准,采用2.4 GHz直接序列扩频。由于使用了未受规范的2.4 GHz扩频,其无线局域网信号也很容易被微波炉、无绳电话或者其他电器设备发出的信号所干扰。安装802.11b设备时,注意与其他设备保持一定的距离即可解决这一问题。

      802.11b的优点是成本低,信号辐射较好,不容易被阻隔;缺点是带宽速率较低,信号容易受到干扰。

1.3 IEEE 802.11g标准

      IEEE 802.11b使用了CCK调制技术来提高数据传输速率,最高可达11 Mbit/s。因为传输速率超过11 Mbit/s,CCK为了对抗多径干扰,需要更复杂的均衡及调制,实现起来非常困难。因此,IEEE802.11工作组为了推动无线局域网的发展,又引入OFDM调制技术。IEEE 802.11g标准采用了OFDM技术,数据传输速率可达54 Mbit/s。802.11g结合了802.11a和802.11b两者的优点,是一种混合标准。它既能适应传统的802.11b标准,在2.4 GHz频率下提供11 Mbit/s数据传输率,也符合802.11a标准在5 GHz频率下提供56 Mbit/s数据传输率。

      802.11g的优点是具备较高的网络速率,信号质量好,不容易被阻隔;缺点是成本比802.11b高,电器设备可能会影响到2.4 GHz频段信号。

      802.11g和802.11a都拥有最高54 Mbit/s的传输速率,但它们的总数据带宽却因为非重叠信道的不同而不同。802.11a支持12条非重叠信道,因此其总带宽为54 Mbit/s×12=648 Mbit/s。而802.11g只支持3条非重叠信道,其总带宽仅为54Mbit/s×3=162 Mbit/s(同理,802.11b的总带宽为11 Mbit/s×3=33 Mbit/s)。即当接入的客户端数目较少时,也许分辨不出802.11a和802.11g的速度差别;但随着客户端数目的增加,数据流量的增大,802.11g便会越来越慢,直至带宽耗尽。802.11g的54 Mbit/s高速和向下兼容802.11b的两大优点并不能同时实现。只有当802.11g网络处于“纯g模式”时,网络客户端与接入点之间的连接速度才能达到54 Mbit/s。一旦接入点中有802.11b客户端接入,802.11g客户端的连接速度立刻会下降到与802.11b同一水准。这就是802.11g设计中所谓的“b-g混合运行模式”,也就是802.11g用来向下兼容802.11b的条件。

1.4 IEEE 802.11n标准

      IEEE 802.11n标准是IEEE推出的最新标准,通过采用智能天线技术,将MIMO(多入多出)与OFDM技术相结合而应用的MIMO OFDM技术,提高了无线传输质量,使传输速率得到极大提升。其传输速率从IEEE 802.11a和IEEE 802.11g的54 Mbit/s增加至108 Mbit/s以上,最高速率可达320 Mbit/s。

      另外,802.11n采用了一种软件无线电技术,是一个完全可编程的硬件平台,使得不同系统的基站和终端都可以通过这一平台的不同软件实现互通和兼容,使得WLAN的兼容性得到极大改善。这意味着WLAN将不但能实现802.11n向前后兼容, 而且可以实现WLAN与无线广域网络的结合(如3G)。

      802.11n无线网络标准在2009年3月正式发布。它的优点是具有最快的网络速率和最广的信号覆盖范围,信号干扰影响较小。它被宣称可以解决目前无线网络存在的所有问题。802.11n的最终速度可以达到600 Mbit/s,有效距离提高50%左右。支持802.11n标准的无线接入产品可以获得以太局域网的传输能力。另外,IEEE在WLAN方面的主要进展还包括802.11i(安全方面内容)、802.11e(服务质量方面的内容)、802.11f(接入点之间的切换协议)等。

      Wi-Fi技术具有可移动性、价格低廉的优点。它的定位主要是作为高速有线接入技术的补充,将来逐渐也会成为蜂窝移动通信的补充。而关键技术无疑决定着Wi-Fi的补充力度。现在OFDM、MIMO、智能天线和软件无线电等,都开始应用到无线局域网中以提升Wi-Fi性能。比如说,802.11n采用MIMO与OFDM相结合,使数据速率成倍提高。另外,天线及传输技术的改进使得无线局域网的传输距离大大增加,可以达到几公里。WLAN技术的发展定位,决定了随着将来的发展,在满足传输带宽方面不是问题,但在支持移动性方面则略显不足,因而对于城市轨道交通列车的快速移动性很难得到满足。在多个城市的试用中,也验证了这个不足。

2、WiMAX技术

      WiMAX (World Interoperability for MicrowaveAccess),即全球微波接入互操作性。它是一项无线城域网(WMAN)技术,是针对微波和毫米波频段提出的一种新的空中接口标准(即802.16标准),满足在各种传播环境(包括视距、近视距和非视距)中获得最优性能。它用于将802.11a无线接入热点连接到互联网,也可连接公司与家庭等环境至有线骨干线路。它可作为线缆和DSL的无线扩展技术,被称作“无线DSL”,从而实现无线宽带接入。

      WiMAX是建立在IEEE 802. 16和ETSIHiperMAN无线城域网标准基础上的无线数字通信技术,支持点对点或点对多点的网络结构,可选择在需执照频段或免执照的频谱中操作。它可以为固定站提供达50 km的宽带无线接入,以及为移动站提供5~15 km的宽带无线接入。利用WiMAX减少了经常影响Wi-Fi的干扰问题。它可以向用户提供三种等级的服务:CBR(Constant Bit Rate)、CIR(Committed Rate)、BE(Best Effort),业务覆盖数据、视频、话音(VoIP)等。WiMAX单链路的数据传输速率、频谱效率优于3G,与3G增强技术(WCDMA HSDPA、CDMA2000 1x EV/DV)相当,主要应用于城域网宽带接入市场,也可用于3G系统基站到核心网络的数据传输。

      作为线缆和xDSL的无线扩展技术,是为解决宽带接入“最后一公里”的问题而设计的。其应用范围与LMDS相似,但成本低得多,还可以利用非许可频段,将来可以在电信运营商中广泛使用。虽然WiMAX出现的时间不长,但发展态势良好,最近又被ITU接受为3G标准之一。目前该标准具有802.16d和802.16e两种形式。IEEE 802.16d标准的设计初衷是解决固定接入的问题,而IEEE 802.16e则面向移动设备如何接入WiMAX网络而设计。前者的调制方式是OFDM,后者的调制方式是OFDMA。两者的相同之处在于都把载波分割为多个子载波;不同之处在于OFDMA比OFDM更进一步,经多个子载波再合并为子信道。与802.11不同,802.16采用一种称为授权请求接入的协议。这种协议不会允许数据冲突,因此可以更加有效地利用带宽。802.16d的设计初衷就是满足无线城域网的要求,所以对WMAN提供全力支持。

      另外,IEEE802.20标准工作组正在制定的新一代标准,主要针对移动宽带无线接入(WBMA)。它提供与移动电话系统一样的覆盖率和移动速度,并拥有Wi-Fi的数据传输速率。WBMA目前主要采用一种从局域网(LAN)扩展到广域网(WAN)的互联网协议———IEEE 802. 20标准。而IEEE 802.21工作组正在为建立一个独立于介质之上的切换方案而努力。该方案支持IEEE 802.11、IEEE 802.16和3G的通用、无缝漫游和切换。这一非常富有远见的举措对WiMAX今后的产业化和规模化已经做了很好的铺垫。

      WiMAX是宽带移动性实现的无障碍途径,将成为“4G”的基础,并可提供真正的自由移动性。WiMAX相对于其它有线或无线的接入技术,除高速率、大覆盖范围外,还有统一的国际标准,这使得它在成本控制、设备互操作性以及规模经济的实现上更胜一筹,同时又具有成本低、易实施的优势。此外,WiMAX还具备核心技术独特、开放网络模式、基于IP的无线宽带、可以支持不确定应用的网络等特点。802.16e就是针对移动性用户而提出的,因而对城市轨道交通列车宽带和移动性的特点比较具有针对性,应该是比较适合的技术。据了解,目前设备供应商生产出来的产品能够满足最高达120km/h的移动速度。

3、超移动宽带技术

      超移动宽带(UMB)是一种第三代(3G)移动电话技术,是CDMA2000系列标准的升级版本,可升级至20 MHz的带宽,可在现有或新分配的频段中部署。UMB能够带来更大的带宽、频段和波段选择范围,以及网络的可升级性和灵活性。UMB系统是以OFDMA(正交频分复用接入)技术为基础、专门针对无线移动环境和实时应用优化的移动无线宽带系统。它继承了DO系统的自适应编码调制、HARQ(物理层混合重传)以及QoS(业务服务质量)控制机制,结合了CDMA、TDM、QOFDMA(准OFDMA)、LDPC(低密度奇偶校验码)等其它先进技术,同时引入了基于MIMO(多路输入输出)、SDMA(空分复用接入)和Beamforming(波束赋性)等多天线技术,使系统可以在达到更高传输效率的同时经济有效地支持各类具有QoS要求的应用。

      作为3G移动技术,UMB在移动台高速、大范围移动,基站广域覆盖和高质量的语音,以及中低速数据业务的支持等方面,优于WiMAX,主要应用于广域网移动电话与中低速数据移动传输市场。

4、通用移动通信系统技术

      通用移动通信系统(Universal Mobile Telecom-munications System,简称UMTS)也是一种3G移动电话技术。它使用WCDMA作为底层标准,由3GPP定型。UMTS有时也叫3GSM,强调结合了3G技术而且是GSM标准的后续标准。UMTS支持1 920 kbit/s的传输速率(不是经常看到的2Mbit/s),然而在现实高负载系统中典型的最高速率大约只有384 kbit/s。即使这样,数据传输速率已经高出GSM纠错数据信道14.4 kbit/s或者多个14.4 kbit/s组成的HSCSD信道。UMTS实现的前提是现在广泛使用GSM移动电话系统,属于2G技术。今天的UMTS网络未来可能升级成HSDPA,有时也叫3.5G。它可以实现下行链路大于10 Mbit/s的传输速度。

      UMTS结合了WCDMA的空中接口(移动电话和基站的空中通信协议)、GSM系统的移动应用核心部分(MAP)(此协议提供从用户或者到用户的呼叫路由功能),以及GSM的语音编码算法(例如自适应多速率(AMR)和加强全速率(EFR,它们定义了将语音数字化、压缩、编码的方法)。换言之,WCDMA(依照IMT-2000的定义)只是一个空中接口,而UMTS才是一个用于3G全球移动通信的完整协议栈,可用来代替GSM。

      UMTS技术强调的是GSM标准的后续,为解决GSM平滑过渡到3G而提出,在运营商的发展和公众服务方面应该可以完全满足带宽的需要,而且是比较现实和经济的选择。但对于城市轨道交通这类专网应用,高宽带方面的局限是它可能被采用的一个限制,对它在专网进一步发展前景不太乐观。

5、3GPP长期演进技术

      3GPP长期演进( Long Term Evolution,简称LTE)项目,是近两年来3GPP启动的最大的新技术研发项目。这种以OFDM/FDMA为核心的技术可以被看作“准4G”技术。3GPP LTE项目的主要性能目标包括:在20 MHz频谱带宽能够提供下行100 Mbit/s、上行50 Mbit/s的峰值速率;改善小区边缘用户的性能;提高小区容量;降低系统延迟,用户平面内部单向传输时延低于5 ms,控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50 ms,从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100 ms;支持100km半径的小区覆盖;能够为350 km/h高速移动用户提供>100 kbit/s的接入服务;支持成对或非成对频谱,并可灵活配置1.25 ~20 MHz多种带宽。

      LTE项目是3G的演进,它改进并增强了3G的空中接入技术,采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准;改善了小区边缘用户的性能,提高小区容量和降低系统延迟。LTE系统在整体架构上将基于分组交换,通过系统设计和严格的QoS机制,保证实时业务(如VoIP)的服务质量。LTE的研究,包含了一些普遍认为很重要的部分,如等待时间的减少、更高的用户数据速率、系统容量和覆盖的改善以及运营成本的降低。考虑到需要提供比3G更高的数据速率和未来可能分配的频谱,LTE需要支持高于5 MHz的传输带宽。

      作为最近业界讨论最为热烈的未来“准4G”技术,对满足城市轨道交通列车移动性宽带接入似乎很理想,但目前仅处于标准讨论阶段。

6、结语

      宽带无线接入技术整体上看应该可以分为两个大类:一类是以IEEE 802系列标准为主的宽带无线接入技术,包括无线局域网WLAN(802.11)、无线个域网WPAN (802.15)、无线城域网WMAN(802.16)和宽带移动接入标准WBMA(802.20),还有正在研究中的认知无线电(802.22,应用的侧重点不同,在此不作介绍)。这类技术主要提供热点、城域或大范围覆盖,提供低移动性和高数据传输速率覆盖,面向的用户主要是笔记本终端和802.16e终端持有者。只有802.20正试图解决高移动性问题。正热门的802.16e技术提供的主要是具有一定移动特性的宽带数据业务,目前最大移动速度能够支持到120 km/h左右。802.16e接入IP核心网,也可以提供VoIP业务。

      另一类是以3G及相关演进技术为主的无线通信技术。3G从设计最初就是为话音业务和数据业务共同设计的。对于话音业务,其核心网络仍采用电路交换方式实现,QoS有较高的保障,对于支持高移动性没有任何障碍。3G技术的设计基础是针对公众移动通信。为最大限度满足最广大公众的接入,它必然对专网的特殊应用有一定局限,这主要体现在供应商的层面。另一方面,支持高宽带的3G以上技术目前毕竟还没有形成产业化,仅处于技术研究阶段。

      目前正热门的3G演进技术“3GPP长期演进(LTE)”的核心技术(OFDM和MIMO),与IEEE 802.16e的WiMAX殊途同归。但在目前产业条件成熟的产品中,只有IEEE 802.16e的WiMAX产品有支持快速移动的产品,而且这个产业也随着它的优势在非运营商和运营商领域快速发展。

      综合各种因素,在民用标准化技术产品中,WiMAX成为了现阶段城市轨道交通车地宽带无线传输技术的又一选择。

 

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