城市軌道交通1800MHz車地無線通信網(wǎng)絡(luò)方案研究

宋子良

摘要：隨著城市軌道交通服務和管理水平的不斷提高，對行車安全的要求也不斷提高，因此對車地無線通信系統(tǒng)的性能提出了更高的要求。為了更好地滿足高速行車過程中的無線通信傳輸質(zhì)量、速度和效率的要求，城市軌道交通車地無線通信網(wǎng)絡(luò)方案的合理與否起著重要的作用。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；車地無線通信；網(wǎng)絡(luò)方案；行車安全；車地信息傳輸 文獻標識碼：A

中圖分類號：U231 文章編號：1009-2374（2017）03-0014-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.03.007

1 概述

目前，車地信息傳輸業(yè)務主要有集群語音調(diào)度系統(tǒng)、CBTC系統(tǒng)、PIS系統(tǒng)、車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)及其他數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)取?/p>

集群語音調(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、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、確保行車安全及應對突發(fā)事件的必要保障。

CBTC系統(tǒng)主要作用為列車間距及速度防護、列車自動運行與調(diào)度，是城市軌道交通自動化系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，是保證列車和乘客安全，實現(xiàn)列車高效運行、指揮管理有序的自動控制系統(tǒng)。CBTC系統(tǒng)車地傳輸數(shù)據(jù)主要為列車位置、運行控制、移動授權(quán)等信息。該業(yè)務應用層要求低速的準實時數(shù)據(jù)的可靠傳輸；控制層要求最高優(yōu)先級的低速邏輯通道；通道層要求獨立、高可靠性及冗余的信道。

PIS系統(tǒng)用于列車車廂內(nèi)資訊發(fā)布、乘客指引信息的視頻展播。PIS系統(tǒng)車地傳輸數(shù)據(jù)主要為視頻信息。該業(yè)務應用層要求直播（廣播）為主、錄播（點播）為輔、錄播要考慮批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捓眯?；控制層要求廣播數(shù)據(jù)優(yōu)先級高、小區(qū)切換不丟包、限制錄播數(shù)據(jù)帶寬、以組播點播結(jié)合的方式進行節(jié)目數(shù)據(jù)傳送；通道層要求高傳輸質(zhì)量的廣播通道、組播通道。

車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)用于車內(nèi)情況的視頻監(jiān)視，并為應急調(diào)度指揮提供實時的車內(nèi)高清動態(tài)圖像信息。CCTV車地傳輸數(shù)據(jù)主要為視頻信息。該業(yè)務應用層要求海量的實時視頻數(shù)據(jù)傳輸、帶寬要求上行遠大于下行及流媒體形式的錄像回放；控制層要求實時視頻數(shù)據(jù)優(yōu)先級高、小區(qū)切換不丟。限制錄像回放帶寬；通道層要求大帶寬、高質(zhì)量的實時數(shù)據(jù)通道，減少重傳。

車況信息等主要是傳輸列車狀況信息，一般為低速率的數(shù)據(jù)信息。

2 軌道交通現(xiàn)狀分析

2.1 集群語音調(diào)度系統(tǒng)

目前，地鐵內(nèi)均采用TETRA系統(tǒng)單獨組網(wǎng)建設(shè)，采用800MHz TETRA數(shù)字集群技術(shù)，該系統(tǒng)成熟可靠。主要設(shè)備廠家有國外的MOTO和EADS兩家，均有開通運營業(yè)績；國內(nèi)的主要有中電54所、東方通信、海能達，均處于試驗或建設(shè)中。

在國內(nèi)地鐵行業(yè)內(nèi)，目前有溫州市域鐵路、廣州地鐵等采用基于LTE技術(shù)承載集群語音調(diào)度通信。

2.2 CBTC系統(tǒng)

既有的國內(nèi)地鐵CBTC系統(tǒng)基本上都采用2.4GHz或5.8GHz頻段WLAN技術(shù)建設(shè)車地無線網(wǎng)絡(luò)。國際上提供CBTC-R系統(tǒng)的主要廠家有阿爾斯通、泰雷茲、西門子、安薩爾多和龐巴迪。西門子采用的是IEEE802.11a/b/g技術(shù)，為直接序列擴頻方式或正交頻分復用方式；泰雷茲采用的是IEEE802.11技術(shù)，為跳頻擴頻方式；阿爾斯通采用的是IEEE802.11a/g技術(shù)，為正交頻分復用調(diào)制方式；安薩爾多不直接提供車地傳輸系統(tǒng)，而是將此部分由分包商（H3C或思科）提供，目前采用的無線通信技術(shù)是IEEE802.11g技術(shù)，為正交頻分復用調(diào)制方式；龐巴迪采用的是專有無線通信技術(shù)，采用直接序列擴頻方式。

近年來，多地地鐵公司已開始采用LTE技術(shù)進行CBTC系統(tǒng)承載，如武漢地鐵、上海地鐵等。

2.3 PIS系統(tǒng)和車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)乘客信息系統(tǒng)和車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)和其他信息傳送需要，建設(shè)的車地無線網(wǎng)絡(luò)，主要采用了以下三種技術(shù)：

2.3.1 WLAN技術(shù)。WLAN技術(shù)是目前應用最為廣泛的一種移動寬帶傳輸技術(shù)，其標準先后經(jīng)歷802.11a、802.11g、802.11n、802.11ac。采用無線局域網(wǎng)技術(shù)，可以實現(xiàn)列車與地面之間的雙向高速通信。提供高帶寬，可滿足120km/h運行狀態(tài)下的視頻數(shù)據(jù)傳送需求。由于無線局域網(wǎng)技術(shù)成熟、產(chǎn)業(yè)化水平高，目前國內(nèi)軌道交通PIS系統(tǒng)建設(shè)中，車地無線雙向?qū)拵鬏斁W(wǎng)大部分采用了無線局域網(wǎng)技術(shù)，工作頻段多數(shù)采用2.4GHz頻段，也有部分城市采用了5.8GHz頻段。

2.3.2 LTE技術(shù)。LTE方案是近來推行的一種方案，該方案利用4G技術(shù)，在移動性和帶寬方面均有大幅提高，20MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100Mbps與上行50Mbps的峰值速率，可以滿足系統(tǒng)需求。目前，鄭州地鐵、杭州地鐵等地利用1800MHz LTE技術(shù)傳輸PIS和CCTV視頻監(jiān)控信息已順利開通。國內(nèi)有數(shù)十家廠商能夠提供整套的LTE解決方案，產(chǎn)品成熟度較高，可選擇范圍大，但其工作頻段不能采用目前4G公用頻段，涉及頻率申請問題。

2.3.3 DVB-T技術(shù)。DVB-T（地面數(shù)字電視廣播標準），采用MPEG-2視音頻編碼以及COFDM調(diào)制方式，理論可達16Mbps上下行傳輸數(shù)據(jù)帶寬。其傳輸帶寬比較大，可實時傳輸高清視頻信號，采用單頻網(wǎng)技術(shù)，可以完成無縫切換，覆蓋效果好。系統(tǒng)一般通過分設(shè)車-地及地-車無線傳輸設(shè)備的方式實現(xiàn)列車與地面之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸、增加成本、行業(yè)內(nèi)是獨家技術(shù)，也存在頻率申請問題。

2.4 列車運行狀態(tài)監(jiān)測

通過車地無線網(wǎng)絡(luò)將傳感器采集到的列車關(guān)鍵參數(shù)以及列車火災報警信息實時傳送至地面監(jiān)測中心。此類業(yè)務具備周期性強、數(shù)據(jù)量小等特點。

2.5 帶寬預測

在高速移動狀態(tài)下，車地無線網(wǎng)絡(luò)應提供滿足寬帶、穩(wěn)定、具有按照優(yōu)先級調(diào)度和實時性要求的信號列控信息（雙向）、車載視頻監(jiān)控圖像回傳（上行）、車載PIS實時播放（下行）等車地無線數(shù)據(jù)業(yè)務承載。具體需求見表1。

3 1800MHz頻段資源現(xiàn)狀

3.1 相關(guān)政策

工業(yè)和信息化部《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》（工信部無[2015]65號）明確1800MHz頻段可以應用于城市軌道交通，以滿足目前地鐵無線通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的應用需求。中國軌道交通協(xié)會也積極與工信部溝通協(xié)調(diào)，建議地鐵采用1785～1805MHz全部20MHz頻段。

省經(jīng)信委無線電管理處已在2013年將1790～1795MHz這5MHz批復給南方電網(wǎng)。由于在1785～1790MHz以及1800～1805MHz范圍與公眾運營商頻段相鄰，容易相互干擾，無線電管理處相關(guān)負責人也表示1785～1790MHz以及1800～1805MHz范圍內(nèi)的頻段申請原則上不予審批。此外，在1785～1790MHz這5MHz中，中國電信方面提出為避免對其FDD-LTE頻點干擾，要求預留2MHz作為隔離。

3.2 其他城市軌道交通的頻率、頻點申請使用情況

根據(jù)工信部工信無函[2010]147號文，朔黃重載鐵路LTE車地通信項目在1.8GHz頻段，于山西、河北、內(nèi)蒙古三省區(qū)建網(wǎng)，并已開通運營。根據(jù)豫無辦[2011]31號文，鄭州地鐵1號線PIS車地無線采用LTE在1.8GHz頻段組網(wǎng)，并已經(jīng)開通運營。廈門地鐵1號線、深圳地鐵11號線采用LTE在1.8GHz頻段組網(wǎng)承載PIS車地無線業(yè)務，溫州市域S1線、廣州地鐵14號線、知識城支線、21號線采用LTE在1.8GHz組網(wǎng)承載無線調(diào)度業(yè)務，武漢地鐵6號線采用LTE在1.8GHz組網(wǎng)承載CBTC業(yè)務。

4 本工程原初步設(shè)計現(xiàn)狀

工程原初步設(shè)計中1800MHz頻段僅考慮承載PIS系統(tǒng)車地無線相關(guān)業(yè)務，即2路車載安全監(jiān)控視頻（每路2Mbps）上傳，以及1路車載實時PIS視頻信息（6Mbps）下傳。原則上需要占用10Mbps帶寬，需要申請1800MHz中的至少10M頻寬。

PIS車地無線通信網(wǎng)絡(luò)由核心網(wǎng)設(shè)備，車站/區(qū)間/車輛段/停車場的LTE基站設(shè)備（BBU、RRU）、漏泄同軸電纜及天線、網(wǎng)管、列車車載設(shè)備等組成。

在控制中心級設(shè)置核心網(wǎng)及網(wǎng)管設(shè)備，負責與其他業(yè)務服務器通過以太網(wǎng)交換機相連，通過LTE無線網(wǎng)絡(luò)進行列車-地面之間的信息交互。

在車站/區(qū)間設(shè)置LTE基站的BBU和RRU設(shè)備，覆蓋站臺周邊以及區(qū)間，實現(xiàn)與列車車載設(shè)備之間的無線通信。各LTE基站接入車站網(wǎng)絡(luò)交換機，通過通信傳輸系統(tǒng)提供的通道與控制中心連接。

在車輛段/停車場設(shè)置LTE基站的BBU和RRU設(shè)備，覆蓋出入段線及車庫等區(qū)域。

在每列車的車頭、車尾各設(shè)置1套車載設(shè)備，通過車載交換機與列車相關(guān)系統(tǒng)相連，接收由控制中心提供的實時數(shù)據(jù)及文本信息以及向控制中心發(fā)送實時的車況、視頻等信息。

5 1800MHz頻段利用方案

LTE在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，提供3MHz、5MHz、10MHz、15MHz以及20MHz頻寬的多元化產(chǎn)品?，F(xiàn)有的軌道交通項目中LTE網(wǎng)絡(luò)吞吐量測試結(jié)果見表2：

5.1 15MHz頻寬條件

由于1790～1795MHz已被占用，因此15MHz頻寬條件表現(xiàn)為1785～1790MHz頻段的5MHz頻寬和1795～1805MHz的10MHz頻寬。結(jié)合表2可知其中的10MHz頻寬可以滿足表1中所有業(yè)務的承載。

由于CBTC業(yè)務事關(guān)行車安全，對車地無線通信可靠性要求較高，需要組建2套LTE網(wǎng)絡(luò)（A網(wǎng)、B網(wǎng)），因此1785～1790MHz頻段的5MHz頻寬可分配給A網(wǎng)單獨承載CBTC，10MHz頻寬分配給B網(wǎng)承載CBTC、PIS、視頻監(jiān)控、車況信息、集群語音等。CBTC業(yè)務在A、B兩套網(wǎng)絡(luò)上同時傳輸，由信號系統(tǒng)同時接收并判斷確定使用有用信息。

此方案需要在將原初步設(shè)計專用通信系統(tǒng)中PIS方案的LTE單網(wǎng)改為雙網(wǎng)，即需要增加一整套LTE設(shè)備。

5.2 10MHz頻寬條件

10MHz頻寬條件可以為1795～1805MHz的1個10MHz頻寬，或2個5MHz頻寬。

5.2.1 一個10MHz頻寬。一個10MHz頻寬下只考慮1張LTE網(wǎng)絡(luò)，由于CBTC系統(tǒng)需要2張LTE網(wǎng)絡(luò)承載，此方案僅適用于承載表1中除CBTC業(yè)務外的其他業(yè)務。此方案即為原初步設(shè)計方案。

5.2.2 兩個5MHz頻寬。5MHz頻寬上下行帶寬最大為5Mbps和7Mbps，無法滿足PIS信息的傳送，可考慮組建2套LTE網(wǎng)絡(luò)（A網(wǎng)、B網(wǎng)），其中1個5MHz頻寬分配給A網(wǎng)單獨承載CBTC，另1個5MHz頻寬分配給B網(wǎng)承載CBTC、車況信息、集群語音等。

此方案需要將原初步設(shè)計中PIS車地無線方案由LTE（原主選方案）變更為WLAN方案（原備選方案），同時將原初步設(shè)計中信號系統(tǒng)的WLAN方案變更為LTE雙網(wǎng)方案。綜合考慮通信信號系統(tǒng)，需要增加一整套LTE

設(shè)備。

5.3 6MHz頻寬條件

6MHz頻寬條件下可以考慮2個3MHz頻寬組建A、B雙網(wǎng)，僅用于CBTC業(yè)務的承載。

此方案需要將原初步設(shè)計中PIS車地無線方案由LTE（原主選方案）變更為WLAN方案（原備選方案），同時將原初步設(shè)計中信號系統(tǒng)的WLAN方案變更為LTE雙網(wǎng)方案。綜合考慮通信信號系統(tǒng)，需要增加一整套LTE

設(shè)備。

6 結(jié)語

根據(jù)軌交協(xié)《關(guān)于推薦城軌交通項目新建1.8G專用頻段和LTE綜合無線通信系統(tǒng)的通知》（中城軌[2016]003號）中要求“應考慮在保證CBTC系統(tǒng)優(yōu)先的情況下開展綜合承載業(yè)務”，結(jié)合省經(jīng)信委對于1800MHz限制使用的基本原則下（見3.1小節(jié)），基本可以認為本工程的原初步設(shè)計方案不適用于現(xiàn)有的相關(guān)政策以及軌道交通LTE建設(shè)的發(fā)展方向。綜合上述1800MHz頻段利用方案，無論最終采用哪種頻寬條件，都涉及到了對方案的變更。

因此，城市軌道交通工程建議采用5.3小節(jié)的方案，即利用6MHz頻寬條件，建設(shè)2張LTE網(wǎng)絡(luò)滿足CBTC業(yè)務的承載。

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（責任編輯：黃銀芳）