地鐵PIS車地?zé)o線技術(shù)方案研究

田海超，于孝安，王 通，張勝陽

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081；2. 杭州華三通信技術(shù)有限公司 北京分部，北京 100052）

軌道交通信息系統(tǒng)

地鐵PIS車地?zé)o線技術(shù)方案研究

田海超1，于孝安1，王 通2，張勝陽1

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081；2. 杭州華三通信技術(shù)有限公司 北京分部，北京 100052）

車地?zé)o線技術(shù)方案會(huì)直接影響地鐵PIS的最終運(yùn)行效果。隨著國內(nèi)城市地鐵線路的不斷建設(shè)以及技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，對(duì)于PIS中車地?zé)o線技術(shù)方案的選擇成為地鐵通信系統(tǒng)從業(yè)人員關(guān)注的重點(diǎn)。本文著重介紹了當(dāng)前國內(nèi)地鐵PIS中的車地?zé)o線技術(shù)方案，并針對(duì)PIS當(dāng)前及未來業(yè)務(wù)需求、應(yīng)用現(xiàn)狀及技術(shù)原理進(jìn)行分析，提出了適合于PIS業(yè)務(wù)需求的技術(shù)方案。

PIS；車地?zé)o線；數(shù)字電視；LTE；WLAN

車地?zé)o線通信作為乘客信息系統(tǒng)（以下簡稱PIS）中重要的組成部分，其主要功能就是列車在快速移動(dòng)過程中，為車 -地以及地 -車之間的各種數(shù)據(jù)信息、視頻信息和控制信息提供傳輸通道，這也是PIS 相對(duì)于其他系統(tǒng)所特有的需求。而 PIS 的實(shí)施，尤其是車地?zé)o線部分往往面臨著比其他系統(tǒng)復(fù)雜得多的物理環(huán)境。另外，隨著高清視頻的不斷發(fā)展及地鐵運(yùn)營的需求增加，對(duì)車地?zé)o線服務(wù)的需求量也不斷增大。因此，如何選擇能夠提供穩(wěn)定的車地?zé)o線服務(wù)的集成方案是當(dāng)前亟需解決的重要課題。

1 PIS車地?zé)o線技術(shù)要求

當(dāng)前地鐵 PIS 在車地?zé)o線通信方面主要關(guān)注下面6個(gè)問題。

1.1 帶寬

網(wǎng)絡(luò)承載的數(shù)據(jù)不僅是數(shù)據(jù)信息，還包括視頻和音頻信息，因此對(duì)通信帶寬有著較高的要求，當(dāng)前地鐵運(yùn)營要求車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)至少提供 15 Mbps 以上的帶寬。

1.2 漫游

列車在高速移動(dòng)情況下，車載無線設(shè)備需要不斷地與軌旁的無線設(shè)備進(jìn)行通信，考慮到 PIS 的車地?zé)o線主要為視頻數(shù)據(jù)的雙向傳輸，因此即便是短暫的通信中斷也會(huì)嚴(yán)重影響視頻的播放效果，因此要求漫游切換時(shí)間非常短。

1.3 丟包率

因?yàn)閿?shù)據(jù)的丟包會(huì)對(duì)視頻播放的效果影響嚴(yán)重，所以本系統(tǒng)需要對(duì)無線通信的丟包率有嚴(yán)格的控制，一般為小于 1%。

1.4 抗干擾

PIS 系統(tǒng)的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行環(huán)境比較復(fù)雜，同時(shí)會(huì)與其他系統(tǒng)（如信號(hào)系統(tǒng)的 CBTC 系統(tǒng)等）的無線網(wǎng)絡(luò)有所疊加，因此必須保證 PIS 系統(tǒng)的無線信號(hào)和專用無線系統(tǒng)場(chǎng)強(qiáng)能夠在全線無縫覆蓋，同時(shí)避免對(duì)地鐵其它系統(tǒng)產(chǎn)生相互干擾。

1.5 管理維護(hù)

因?yàn)?PIS 是旅客乘坐地鐵出行的一個(gè)重要窗口，所以對(duì)車地?zé)o線通信維護(hù)管理的要求非常高。

1.6 環(huán)境適應(yīng)性

因?yàn)檐嚨責(zé)o線的安裝環(huán)境為多振動(dòng)、潮濕等復(fù)雜的環(huán)境下，所以對(duì)設(shè)備的可靠性相對(duì)其他系統(tǒng)的要求就會(huì)高很多。

針對(duì)上述需求，在已經(jīng)完成建設(shè)和正在建設(shè)的城市地鐵線路中，PIS 的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)主要采用數(shù)字電視、LTE、WLAN 這 3種技術(shù)方案進(jìn)行建設(shè)。

2 PIS車地?zé)o線方案應(yīng)用現(xiàn)狀及技術(shù)分析

2.1 數(shù)字電視

目前，基于數(shù)字電視技術(shù)構(gòu)建地鐵PIS 車地?zé)o線方案的主要有 2 種 :（1）基于 DVB-T 技術(shù) ；（2）基于數(shù)字電視技術(shù)為地鐵行業(yè)定制開發(fā)的解決方案。

在 DVB-T 技術(shù)下，要求獨(dú)立設(shè)置基站并借助軌道交通民用通信移動(dòng)信號(hào)引入（POI）系統(tǒng)的漏纜通道?；?DVB-T 的移動(dòng)電視系統(tǒng)采用廣播電視頻率，并不易受到干擾，同時(shí)不會(huì)影響其他無線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了視頻信號(hào)實(shí)時(shí)播放。但是，該技術(shù)僅僅實(shí)現(xiàn)了控制中心到列車的單向數(shù)據(jù)傳輸，即實(shí)現(xiàn)了 PIS 系統(tǒng)資訊節(jié)目的下傳，而無法實(shí)現(xiàn)車載視頻上傳控制中心的功能和車載無線設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)管理功能，無法滿足軌道交通運(yùn)營管理要求。并且，該方案需要獨(dú)立建設(shè)，占用漏纜資源，各建設(shè)方協(xié)調(diào)難度大，產(chǎn)權(quán)不清晰，對(duì)無線信號(hào)覆蓋要求高，而漏纜覆蓋受到公網(wǎng)運(yùn)營商的制約，很難實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的覆蓋效果。更適合地面部分的傳輸，沒有針對(duì)適應(yīng)地鐵使用環(huán)境的定制開發(fā)，缺乏 QoS 保障機(jī)制。地鐵 PIS 數(shù)字電視方案拓?fù)鋱D如圖1所示。

當(dāng)前，地鐵線路中應(yīng)用的數(shù)字電視方案一般都是基于地面數(shù)字電視廣播（DTMB，Digital Television Terrestrial Multimedia Broadcasting）的以太網(wǎng)無線寬帶傳輸網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)繼承新的時(shí)域同步正交頻分復(fù)用（TDS-OFDM，Time Domain Synchronous-Orthogonal Frequency Division Multiplexing）調(diào)制和單頻網(wǎng)組網(wǎng)覆蓋核心技術(shù)，可進(jìn)行雙向傳輸、媒體流轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的定制開發(fā)、引用智能多天線技術(shù)提高數(shù)據(jù)接收的可靠性、進(jìn)行數(shù)據(jù)包的分集處理支持多頻段定制開發(fā)，滿足不同運(yùn)營者的需求。

圖1 地鐵PIS數(shù)字電視方案拓?fù)?/p>

DTMB是一種具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)地面數(shù)字多媒體電視廣播的服務(wù)需求、傳輸條件和信道特征，DTMB傳輸系統(tǒng)采用了創(chuàng)新的 TDS-OFDM 調(diào)制方式。使用特殊設(shè)計(jì)的PN 序列作為同步信號(hào)填充 OFDM 保護(hù)間隔，實(shí)現(xiàn)了快速穩(wěn)健的同步和高效的信道估計(jì)，提高了頻譜效率。在抗多信道噪聲、多徑、多普勒衰落、時(shí)鐘恢復(fù)、傳輸效率等方面優(yōu)于其它地面數(shù)字電視傳輸國際標(biāo)準(zhǔn)，具備良好的性能。DTMB高度靈活的操作模式，使其具有很強(qiáng)的移動(dòng)接受能力。

2.2 LTE

長期演進(jìn)（LTE，Long Term Evolution）采用 OFDM 和MIMO 作 為 其 無 線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。在 20 MHz 頻譜帶寬下能夠提供理論上下行 100 Mbit/s 與上 行 50 Mbit/s 的 峰值速率。時(shí)分長期演進(jìn)（TD-LTE，Time Division Long Term Evolution） 用 時(shí) 間來分離接收和發(fā)送信道，接收和發(fā)送使用同一頻率載波的不同時(shí)隙作為信道的承載，其單方向的資源在時(shí)間上是不連續(xù)的，時(shí)間資源在兩個(gè)方向上進(jìn)行分配，可以比較好地適應(yīng)地鐵PIS 車地間的非對(duì)稱業(yè)務(wù)需求。地鐵 PIS TD-LTE 方案拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 地鐵PIS TD-LTE方案拓?fù)?/p>

圖3 地鐵PIS WLAN方案拓?fù)?/p>

TD-LTE 方案采用 車 站 部 署 BBU，軌 旁 部 署 RRU 的 方式實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)的覆蓋，對(duì)于隧道可以采用漏纜方式，對(duì)于地面或者高架段可以采用天線方式。在漏纜的使用方式上，也可采用與民用無線共用的方式，以節(jié)省建設(shè)成本。但是，這樣可能存在業(yè)務(wù)系統(tǒng)的產(chǎn)權(quán)不明確的問題。RRU具備單通道 20 W 的發(fā)射功率，可以實(shí)現(xiàn) 1 200 m 的單小區(qū)覆蓋能力，可大幅減少軌道沿線有源設(shè)備部署數(shù)量，也可減少列車行進(jìn)過程中的切換次數(shù)。如果車站間距大于相鄰車站RRU的覆蓋能力，需要進(jìn)行加裝RRU，采用將RRU拉遠(yuǎn)到隧道中。另外，車載終端TAU 的發(fā)射功率也在 2 W 左右，相對(duì)于其他應(yīng)用方案中的無線設(shè)備，其發(fā)射功率會(huì)大很多。

LTE 方案實(shí)施較為復(fù)雜，由于采用時(shí)分技術(shù)，TDD-LTE 對(duì)時(shí)鐘精度要求高（50 ppb），根據(jù) GB 50157 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范，一級(jí)母鐘精度達(dá)到 100 ppb 級(jí)別，但各車站二級(jí)母鐘精度在 1 000 ppb 級(jí)別，無法滿足 TD-LTE 要求，只能各車站單獨(dú)建立高精度時(shí)鐘系統(tǒng)從GPS取時(shí)鐘，增加額外設(shè)備和復(fù)雜的工程施工成本。在運(yùn)營商，也需要配備專門人員來維護(hù)LTE 設(shè)備，對(duì)于運(yùn)營維護(hù)的要求較高。

2.3 WLAN

WLAN 是地鐵 PIS 車地?zé)o線中應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)方案，也是目前在 PIS 車地?zé)o線領(lǐng)域應(yīng)用業(yè)績最廣、技術(shù)最為成熟的方案。地鐵 PIS TD-LTE 方案拓?fù)鋱D如圖3所示。

車地?zé)o線高帶寬不僅可以承載更多車到地的高清監(jiān)控視頻，而且也可以承擔(dān)更多的業(yè)務(wù)，如車廂無線熱點(diǎn)覆蓋業(yè)務(wù)，為地鐵帶來更多的運(yùn)營方式和利益增長點(diǎn)。另外，采用 WLAN 技術(shù)主要工作在 2.4G 和 5 G 頻段，該頻段屬于 ISM 頻段，無需授權(quán)許可即可使用，所以，不必承擔(dān)頻段占用費(fèi)用，可以免費(fèi)使用，這將給地鐵 PIS 的后續(xù)運(yùn)營節(jié)省大量的運(yùn)營成本。高帶寬提供能力以及豐富的免費(fèi)頻帶資源都是 WLAN 技術(shù)在地鐵 PIS 的車地?zé)o線方案中相對(duì)于數(shù)字電視和 LTE 技術(shù)的重要優(yōu)勢(shì)。

2.4 技術(shù)方案對(duì)比

通過對(duì)數(shù)字電視、LTE、WLAN 這 3種在地鐵PIS 中的技術(shù)方案進(jìn)行分析，可得出如表 1 中的結(jié)論。

3 結(jié)束語

通過對(duì)數(shù)字電視、LTE、WLAN 在地鐵 PIS 車地?zé)o線應(yīng)用方案的分析，可以看出，WLAN作為目前技術(shù)最為成熟、應(yīng)用文案例最為廣泛的車地?zé)o線方 案，相對(duì)于其他技術(shù)具備很大的優(yōu)勢(shì)。隨著地鐵行業(yè)頻段的確定以及后續(xù) 802.11ac 標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，WLAN方案將能夠發(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì)，為地鐵車地?zé)o線帶來更高更加穩(wěn)定的帶寬，不僅能夠滿足當(dāng)前 PIS 業(yè)務(wù)系統(tǒng)的需要，同時(shí)也可以滿足其他涉及車地?zé)o線業(yè)務(wù)的承載，為地鐵運(yùn)營方創(chuàng)造更大的價(jià)值，同時(shí)也為廣大乘客帶來更好的乘坐體驗(yàn)。

表1 車地?zé)o線技術(shù)方案對(duì)比

[1] 張甲文 . 基于 DVB 標(biāo)準(zhǔn)的車 - 地?zé)o線通信技術(shù)在地鐵中的應(yīng)用 [J]. 現(xiàn)代城市軌道交通 , 2012（1）.

[2] 楊文超，楊維康，郜煥平 . DTMB 車載數(shù)字電視終端與實(shí)現(xiàn) [J]. 電子產(chǎn)品世界，2008（4）.

[3] 陳其銘，張炎炎，潘 毅，孫 煉 . TD-LTE 系統(tǒng)內(nèi)抗干擾技術(shù) [J]. 電信科學(xué) , 2010（11）.

責(zé)任編輯 方 圓

Scheme of train-ground wireless communication for metro PIS

TIAN Haichao1, YU Xiao,an1, WANG Tong2, ZHANG Shengyang1
( 1. Institute of Computing Technologies, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China; 2. Beijing Branch, Huasan Communication Technology Co. Ltd., Beijing 100052, China )

The train-ground wireless scheme would decide the running effect of metro PIS. With the development of domestic metro construction and technical improvement, the choice of PIS train-ground wireless scheme became the key content of metro communication system employee who should think about. The current domestic metro PIS trainground wireless scheme was introduced emphatically. According to the current and future service demands, the status of application, the technical principle, the proper scheme that adapted PIS service demands was put forward nally.

PIS; train-ground wireless; digital TV; LTE; WLAN

U231.7∶TP39

：A

1005-8451（2015）01-0046-04

2014-07-21

田海超，工程師；于孝安，工程師。