城市軌道交通車地無線通信技術(shù)應(yīng)用發(fā)展方向

侯禮舉

（北京通號國鐵城市軌道技術(shù)有限公司，北京100070）

城市軌道交通車地無線通信技術(shù)應(yīng)用發(fā)展方向

侯禮舉

（北京通號國鐵城市軌道技術(shù)有限公司，北京100070）

目前的城市軌道交通車地無線通信系統(tǒng)存在多系統(tǒng)、多制式、多網(wǎng)并存等現(xiàn)象,給運營和使用帶來一系列問題。經(jīng)分析和研究，可采用第4代移動通信技術(shù)(4G)，利用LTE(長期演進)作為傳輸平臺，發(fā)揮其一系列問題先進的技術(shù)優(yōu)勢，對車地無線通信業(yè)務(wù)進行統(tǒng)一整合，實現(xiàn)共網(wǎng)傳輸，即綜合承載理念。

車地無線通信；LTE；綜合承載

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.061

1 引言

在當今城市軌道交通領(lǐng)域中，為滿足運營的各種需求，保證列車的正常運行，列車與地面要保持連續(xù)的通信和聯(lián)系，即車地無線通信系統(tǒng)。在整個軌道交通體系中，各系統(tǒng)根據(jù)自身的功能需求，有獨立的車地無線通信網(wǎng)絡(luò)，如信號系統(tǒng)、列車運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、無線列調(diào)系統(tǒng)、CCTV、PIS系統(tǒng)等。

由于受無線頻譜資源和無線技術(shù)標準體制限制，既有車地通信系統(tǒng)通常采用公用的開放頻段（ISM2.4GHz），存在易受干擾、穩(wěn)定性差、傳輸帶寬小、無QoS機制、漫游切換頻繁等問題，從而導(dǎo)致信息傳輸質(zhì)量較差，有時會出現(xiàn)通信中斷、延時等現(xiàn)象，進而出現(xiàn)系列問題，比如信號系統(tǒng)緊急停車，PIS系統(tǒng)圖像不連續(xù)、馬賽克嚴重、播放畫面不連續(xù)等系列問題，影響了正常的運營。另外，由于各系統(tǒng)獨立組網(wǎng)，造成了重復(fù)投資、浪費資源、施工維修困難等。隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化和智能化建設(shè)的快速發(fā)展，急需采用一種新的技術(shù)方案，以解決既有車地無線通信存在的問題和不足。

2 城市軌道交通車地無線通信業(yè)務(wù)介紹

2.1 CBTC系統(tǒng)

CBTC（基于通信的列車控制系統(tǒng)）是目前城市軌道交通信號系統(tǒng)主要采用的制式，通過車地無線通信系統(tǒng)進行列車與地面的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)列車運行的自動控制和調(diào)度，主要功能有ATS（列車自動監(jiān)控）、ATP（列車自動防護）和ATO（列車自動運行）。CBTC是城市軌道交通自動化體系中的關(guān)鍵系統(tǒng)，對保證列車運行安全、提高列車運行效率起著重要的作用。

車地無線通信是連續(xù)的、雙向的，車地通信分為地-車信息傳輸（下行）和車-地信息傳輸（上行）。其中，車對地（上行）的傳輸信息包括：列車ID、列車位置、列車運行速度、列車運行方向、設(shè)備告警等信息；地對車（下行）的傳輸信息包括：列車ID、前方進路數(shù)等信息。CBTC車地通信是一個安全苛求系統(tǒng)，為保證車地通信數(shù)據(jù)的實時性和可靠性，無線通信網(wǎng)絡(luò)采用了雙環(huán)網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)，無線覆蓋采用了完全雙層覆蓋方式。

2.2 列車運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

列車運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通過傳感器采集列車電流、電壓、軸溫、車下轉(zhuǎn)向架、車輛一/二系懸掛系統(tǒng)、發(fā)動機、制動器等設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)，并通過車地無線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到地面監(jiān)測中心，上行傳輸速率為100kbps，地面監(jiān)測中心通過對數(shù)據(jù)進行集中處理和分析，實現(xiàn)對列車運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和遠程故障診斷功能。

2.3 無線列車調(diào)度系統(tǒng)

城市軌道交通無線列車調(diào)度系統(tǒng)為控制中心調(diào)度員、車輛段調(diào)度員、車站值班員等固定用戶與列車司機、防災(zāi)、維修等移動用戶之間提供迅速、有效的通信手段，是提高運輸效率、確保行車安全及應(yīng)對突發(fā)事件的必要保障。

在城市軌道交通的無線列車調(diào)度系統(tǒng)中，車地之間（上行），地車之間（下行），主要都是傳輸語音信息，要求上下行傳輸速率為100kbps。

2.4 CCTV系統(tǒng)

CCTV（視頻監(jiān)控系統(tǒng)）概括的來說就是將列車駕駛室、列車車廂的視頻監(jiān)控圖像通過無線的方式傳輸?shù)娇刂浦行?，進行集中監(jiān)視，也可以通過無線網(wǎng)絡(luò)將實時監(jiān)控錄像傳送到地面監(jiān)控站進行監(jiān)控。通過車地之間的視頻傳輸，地面控制中心可以實現(xiàn)對駕駛室、設(shè)備間、車廂等重點區(qū)域的實時監(jiān)控，保障列車運行安全和旅客人身安全，滿足運營的需求。

CCTV系統(tǒng)需要具有多路畫面實時錄像、多路畫面實時顯示以及根據(jù)需要靈活設(shè)置圖像壓縮質(zhì)量和錄像存儲等功能。圖像信息傳輸都從車廂傳到地面，是上行業(yè)務(wù)，下行業(yè)務(wù)只有一些視頻控制命令。上行業(yè)務(wù)的傳輸速率決定于圖像的壓縮格式、攝像機數(shù)量和攝像機類型，一般不大于4Mbps。

2.5 PIS系統(tǒng)

PIS（乘客信息系統(tǒng)）是一個多媒體咨詢發(fā)布、播控與管理的平臺，可在多種顯示終端上顯示多種類型的、多信息源的、平行的、分區(qū)的、帶優(yōu)先級的信息。PIS可以向乘客發(fā)布更直觀、更形象的各種有用信息，可以提供列車到發(fā)時間、轉(zhuǎn)播電視節(jié)目、播放監(jiān)視畫面，為乘客提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，提高運營的整體水平。

PIS的數(shù)據(jù)傳輸由地面將視頻、圖像信息通過PIS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)杰噹麅?nèi)顯示屏進行播放，所有的數(shù)據(jù)傳輸都是下行傳輸，一般傳輸?shù)男畔⒍际歉咔逡曨l。

緊急文本信息用于城市軌道交通路網(wǎng)異常情況下的乘客通知，可在PIS系統(tǒng)的顯示終端上顯示。緊急文本是數(shù)據(jù)量很小的文本信息。

2.6 城市軌道交通車地無線通信帶寬

根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會技術(shù)裝備專業(yè)委員會2015年發(fā)布的《城市軌道交通CBTC信號系統(tǒng)行業(yè)技術(shù)規(guī)范－數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)規(guī)范》6.1.2.2節(jié)，“在非切換區(qū)域，CBTC業(yè)務(wù)的單列車無線網(wǎng)絡(luò)信息傳輸上下行總速率不小于1Mbps”，因此CBTC業(yè)務(wù)傳輸速率需求為1Mbps，上下行按各512kbps考慮，另綜合考慮其它系統(tǒng)業(yè)務(wù)，城市軌道交通車地無線通信需求見表1。

表1 城市軌道交通車地無線通信需求

通過上表可知，在上述各系統(tǒng)業(yè)務(wù)并發(fā)情況下，在一個無線覆蓋區(qū)內(nèi)，目前城市軌道交通車地無線通信容量總體需求為上行8.2Mbps左右，下行12.8Mbps左右。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析，如果采用專用無線頻段和先進的車地無線通信技術(shù)，在滿足軌道交通運營需求的情況下，可將上述各種車地無線通信業(yè)務(wù)整合，實現(xiàn)綜合承載，以解決既有車地無線通信系統(tǒng)中存在的問題和不足。

3 城市軌道交通車地無線通信新技術(shù)應(yīng)用可行性分析

3.1 專用無線頻段介紹

根據(jù)工業(yè)與信息化部發(fā)布無[2015]65號文件“關(guān)于重新發(fā)布1785-1805MHz頻段無線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知”，該文件明確指出城市軌道交通行業(yè)專用通信可以使用該頻段，為解決城市軌道交通車地通信專用頻率問題的提供了依據(jù)。

主要無線技術(shù)參數(shù)如下：

1）頻率范圍：1785～1805MHz；

2）雙工方式：時分雙工（TDD）；

3）信道帶寬：250kHz、500kHz、1MHz、1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz。

由上述得知，1785～1805MHz頻段為專用無線頻段，可以應(yīng)用于城市軌道交通車地無線通信系統(tǒng)，使用時須向省級無線電管理機構(gòu)申請。文件中還規(guī)定雙工方式為時分雙工和信道帶寬，LTE技術(shù)的帶寬包含在內(nèi)（黑體部分）。因此，結(jié)合時分雙工方式，該頻段可以采用TD-LTE技術(shù)。

3.2 TD-LTE技術(shù)介紹

LTE是第四代移動通信技術(shù)(4G)，在設(shè)計時考慮了350km時速情況下的無線傳輸性能、完善的業(yè)務(wù)優(yōu)先級策略（支撐不同優(yōu)先級的多業(yè)務(wù)）、實時性和高吞吐率并具備高安全性和高可靠性的特點。同時，TD-LTE是我國擁有核心自主知識產(chǎn)權(quán)的國際通信標準技術(shù)，已經(jīng)在我國大規(guī)模商用，有較成熟的產(chǎn)業(yè)鏈。

3.2.1 系統(tǒng)基本信息

LTE基本信息如表2所示，包括頻率和帶寬信息等。

表2 LTE系統(tǒng)基本信息

3.2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

LTE按照網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分：核心控制系統(tǒng)、車站無線接入系統(tǒng)、車載終端系統(tǒng)。LTE技術(shù)構(gòu)成示意圖見圖1（核心系統(tǒng)可按冗余配置）：

圖1 LTE構(gòu)成示意圖

3.2.3 系統(tǒng)組網(wǎng)方式

LTE能夠支持多種專網(wǎng)頻段及快速定制服務(wù)，并且支持網(wǎng)絡(luò)IP化，以及星型、鏈型、樹型多樣化的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，滿足地鐵環(huán)境中寬帶化、運行高速化、容量大、覆蓋廣、吞吐量高的需求，確保列車在0～120km/h的移動場景下吞吐率>60Mbps，平均下行速率>40Mbps，平均上行速率>20Mbps，并提供豐富的傳輸接口，如：FE/GE電口、FE/GE光口、E1/T1接口。采用扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，網(wǎng)元節(jié)點少，傳輸時延<50ms。

3.2.4 無線覆蓋方式

LTE的無線覆蓋方式可采用漏泄電纜和無線覆蓋方式。漏纜覆蓋方式具有無線場強可預(yù)算、場強覆蓋均勻穩(wěn)定等特點；無線覆蓋方式具有安裝靈活，適合于場站線路較復(fù)雜的地域。具體采用何種覆蓋方式，應(yīng)與工程現(xiàn)場實際需求情況確定。

3.2.5 LTE系統(tǒng)性能和特點

1）先進的基站平臺、平滑演進

TDLTE與GSM/UMTS/CDMA/WiMAX共享第四代基站的硬件平臺、硬件設(shè)備，技術(shù)能力共享，確保TD-LTE專網(wǎng)技術(shù)演進。

2）容量大、覆蓋廣、吞吐量高、切換快

TD-LTE系統(tǒng)容量大，可支持多個系統(tǒng)的無線通信業(yè)務(wù)的統(tǒng)一整合和綜合承載，包括數(shù)據(jù)、語音和圖像等各種信息，平均下行速率>40Mbps，平均上行速率>20Mbps。

TD-LTE系統(tǒng)覆蓋廣，通過多天線接收分集、上行ICIC等特性實現(xiàn)最大支持15km的小區(qū)覆蓋。

系統(tǒng)采用特有的針對移動場景的算法，實現(xiàn)快速的跨區(qū)切換，漫游時間小于100ms，傳輸延遲小于50ms。

3）完善的IP傳輸機制

LTE提供9級QoS保障機制，通過多種QoS機制保證傳輸QoS目標，提供盡可能高的容量、實現(xiàn)差異化服務(wù)，保證優(yōu)先級最高的業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時能夠優(yōu)先傳輸?shù)竭_目的地，不會出現(xiàn)傳輸中斷或數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。

4）簡化工程、易部署

TD-LTE設(shè)備體積小，重量輕，便于搬運，支持分散安裝實現(xiàn)全場景無縫覆蓋，無需大規(guī)模建設(shè)工程。可實現(xiàn)各系統(tǒng)共建共享，保護投資。

3.3 TD-LTE綜合承載通信性能測試結(jié)果

201 4年，由北京地鐵、北京交通大學(xué)、通號設(shè)計院、華為公司、中興公司等單位完成的TD-LTE系統(tǒng)通信性能測試結(jié)果見表3。

表3 TD-LTE綜合承載通信性能測試結(jié)果

根據(jù)目前各系統(tǒng)車地無線通信需求，并考慮今后的技術(shù)發(fā)展，CBTC、CCTV和PIS系統(tǒng)綜合承載時需要15MHz頻寬，再結(jié)合表1中的各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，可以看出，TD-LTE的15MHz頻寬的吞吐量（上行11Mbps，下行19Mbps）滿足綜合承載所需的傳輸速率（上行8.2Mbps，下行12.8Mbps）。因此，通過采用專用無線頻段和LTE通信技術(shù)，可對各種車地通信業(yè)務(wù)進行統(tǒng)一整合，實現(xiàn)綜合承載，此方案是可行的。

3.4 應(yīng)用情況介紹

目前國內(nèi)正在建設(shè)的許多城市軌道交通項目中，已開始應(yīng)用LTE技術(shù)對車地無線通信系統(tǒng)進行整合，采用綜合承載方案，如鄭州地鐵2號線和烏魯木齊地鐵1號線，采用CBTC+PIS綜合承載；青島地鐵R5線采用CBTC+PIS+CCTV綜合承載方案。

4 結(jié)論

隨著城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，采用LTE移動通信技術(shù)整合統(tǒng)一車地無線通信業(yè)務(wù)，實現(xiàn)綜合承載，符合未來軌道交通智能化、集成化、節(jié)省投資、方便維護的建設(shè)方向，在今后的城市軌道交通建設(shè)中，具有廣闊的應(yīng)用前景。

【1】尹?？?TD-LTE無線通信系統(tǒng)在鐵路上的應(yīng)用[J].鐵路通信信號工程技術(shù),2013,10(3):1-5.

【2】劉寶昌，胡恒杰，朱強.TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃研究[J].電氣工程技術(shù)與標準化，2010,23（1）：12-13.

【3】李新.TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋特性淺析[J].電信科學(xué)，2009(1):43-47.

Application Development Direction of Train-station Wireless Communication Technology inUrban Rail Transit

HOULi-ju
（BeijingUrbanTransitTechnologyCo.Ltd.,Beijng100070,China）

Multi system,multi-standard, multi-network are coexisting in the current train-station wireless communication system of urban rail transit has multi-system, bringing operations and the useage a range of issues. Through analysising and researching, we can adopt the fourth generation mobile communication technology (4G), aswell as use the LTE (LongTermEvolution) as the transport platformto play its advantage,finally integrate the train-station wirelesscommunicationbusiness,toachieveatotalnettransfers,namelyintegratedbearingconcept.

train-stationwirelesscommunication;LTE;integratedbearing

U285.21

B

1007-9467（2016）07-0095-03

2016-6-7

侯禮舉（1966～），男，山東泰安人，工程師，從事軌道交通通信信號工程技術(shù)研究，（電子信箱）hlj6609@sina.com。