城市軌道交通無線通信專網(wǎng)綜合平臺構(gòu)建探討

趙曉蓉 胥智鵬

（1.上海中鐵通信信號測試有限公司，上海 200436；2.上海申通地鐵集團有限公司技術(shù)中心，上海 201103）

1 專用無線通信系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展概況

在城市軌道交通的通信系統(tǒng)中，專用無線通信系統(tǒng)是行車指揮調(diào)度、站務(wù)管理、運營設(shè)施設(shè)備維護保障、應(yīng)急搶險等重要通信手段，是控制中心調(diào)度人員和分布在列車、車站、線路、車輛段、停車場、管理辦公區(qū)域上的車載或手持專用無線電臺使用人員之間建立實時可達信息的溝通路徑。

專用無線通信系統(tǒng)與公網(wǎng)無線通信系統(tǒng)的最根本區(qū)別，就是在性能上必須滿足呼叫建立時延、話權(quán)申請時延等關(guān)鍵性指標，突出一個“快”字，很少采用摘機模式，通常使用PTT一按即呼。

上海地鐵從1994年開通第一條運營線（1號線），最早開始使用450 MHz頻段的第一代模擬集群系統(tǒng)，使用5對雙工間隔10 MHz的頻率對，提供語音對講業(yè)務(wù)。系統(tǒng)分為控制中心子系統(tǒng)、車輛段子系統(tǒng)、公安子系統(tǒng)、維護子系統(tǒng)、緊急子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)需占用一對頻率。

從3號線開始，上海地鐵無線通信專網(wǎng)系統(tǒng)邁入數(shù)字化時代，部署了基于數(shù)字時分多址（TDMA）技術(shù)的陸上集群無線電系統(tǒng)（TETRA）。TETRA系統(tǒng)采用ACELP語音編碼和π/4-DQPSK調(diào)制，在指揮調(diào)度功能上比較完善，適合做無線通信專網(wǎng)系統(tǒng)。但TETRA本質(zhì)上屬于第二代移動通信制式，數(shù)據(jù)能力不強。雖然ETSI很早就開始致力于TETRA標準第二版（Release 2），以使TETRA在分組數(shù)據(jù)功能上有所改進，但目前尚未形成規(guī)模產(chǎn)業(yè)跟進，仍不能滿足應(yīng)用需求。同時，TETRA雖然空中接口標準是公開的，但內(nèi)部交換網(wǎng)絡(luò)接口標準并未統(tǒng)一，廠家都有各自的知識產(chǎn)權(quán)，TETRA的不開放性造成城市軌道交通各線路的系統(tǒng)分離，不能互聯(lián)互通形成網(wǎng)絡(luò)化，或為形成網(wǎng)絡(luò)化而不得不被某一家生產(chǎn)廠商所捆綁。

近年來，隨著公共安全和指揮調(diào)度需求的不斷提升，建設(shè)安全可靠、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的專業(yè)無線指揮調(diào)度專網(wǎng)系統(tǒng)成為各地城市軌道交通公司的迫切需求。傳統(tǒng)窄帶TETRA集群通信系統(tǒng)由于系統(tǒng)制式和技術(shù)能力的原因，無法支持日益增長的多媒體類業(yè)務(wù)，從而不能適應(yīng)現(xiàn)代寬帶應(yīng)用場景下的城市軌道交通運營指揮調(diào)度需求，部署新一代功能更強大的無線通信專網(wǎng)綜合平臺已成為各地軌道交通公司的當務(wù)之急。

最近十幾年，中國本土通信行業(yè)的技術(shù)能力得到飛速發(fā)展和大力提升。LTE移動通信公網(wǎng)技術(shù)在行業(yè)專網(wǎng)的應(yīng)用和發(fā)展，促進了無線通信專網(wǎng)系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通，為網(wǎng)絡(luò)化布局奠定了基礎(chǔ)。2014年，兼容4G LTE寬帶數(shù)據(jù)傳輸功能的多媒體集群調(diào)度通信系統(tǒng)B-TrunC正式形成國家標準，同時產(chǎn)業(yè)鏈聚集形成寬帶集群產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。2016年，B-TrunC技術(shù)成為國際標準。B-TrunC系統(tǒng)提供專業(yè)級數(shù)據(jù)接入和集群功能，能滿足軌道交通行業(yè)的信息化和保障網(wǎng)絡(luò)安全，呼叫建立時延<300 ms，話權(quán)申請<200 ms，在語音集群通信的基礎(chǔ)上增加多媒體調(diào)度功能。此外，在數(shù)據(jù)傳輸功能上，高帶寬屬性使B-TrunC系統(tǒng)能從容承載列車控制CBTC、車載監(jiān)控視頻、乘客信息等業(yè)務(wù)，性能和功能完全覆蓋TETRA技術(shù)。2015年，工信部發(fā)文批準軌道交通等行業(yè)無線通信專網(wǎng)系統(tǒng)的1.8 GHz頻率資源，加速了B-TrunC產(chǎn)業(yè)和市場的快速發(fā)展。在完整的標準體系支撐下，一個自主可控、端到端開放的軌道交通行業(yè)無線通信專網(wǎng)制式迅速發(fā)展。中國城市軌道交通協(xié)會與B-TrunC聯(lián)盟成立聯(lián)合小組，共同制訂了軌道交通行業(yè)的無線通信標準LTE-M，解決了軌道交通行業(yè)的迫切需求。第四代城市軌道交通無線通信專網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)來臨。

2 B-TrunC無線通信專網(wǎng)綜合平臺構(gòu)建

專用無線通信技術(shù)的發(fā)展，與公用無線通信技術(shù)的演進路徑類似。也經(jīng)歷了從第一代模擬集群、第二代數(shù)字集群（TETRA），第三代數(shù)字集群（GoTa、GT800）的迭代進化。B-TrunC是目前最先進的第四代商用無線專網(wǎng)通信技術(shù)，該系統(tǒng)延用公網(wǎng)LTE系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，為滿足專網(wǎng)一按即通、免摘機的快速響應(yīng)需求，在空中接口增加集群專用邏輯信道和物理信道的映射。在專用終端、eNodeB和EPC的鏈路上通過TFT將不同屬性的業(yè)務(wù)信息流過濾到相應(yīng)QoS的專用承載上，以端到端的視角，完成資源共享和安全保障，同時支持工信部2015年發(fā)文準予城市軌道交通等行業(yè)使用的企業(yè)網(wǎng)1.8 GHz頻段。

無線通信的本質(zhì)是為解決在移動狀態(tài)下，人與人之間的通信。第一代模擬系統(tǒng)主要解決話音通信，從第二代開始除了移動話音業(yè)務(wù)，也提供少量數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，但由于技術(shù)體制的限制，只能提供低速率的無線通道。直到移動通信技術(shù)邁入第四代時，在突破性技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的支撐下，移動通信的數(shù)據(jù)傳輸能力，才得到突飛猛進的提高，每赫茲使用頻譜效率極高。在此技術(shù)能力的基礎(chǔ)上，融入第四代移動通信技術(shù)的無線通信專網(wǎng)技術(shù)B-TrunC在以前窄帶TETRA的話音指揮調(diào)度能力上升成為具備綜合話音、文本、圖像、視頻為一體的多媒體指揮調(diào)度能力，并且在除端到端寬帶集群通信能力之外，還提供高速無線數(shù)據(jù)承載功能。借助系統(tǒng)9級QoS優(yōu)先級保障，能在保障列車控制信號CBTC的高優(yōu)先級前提下，同時承載其他無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，如乘客信息系統(tǒng)、車載視頻監(jiān)控、車輛狀態(tài)信息等。所以，B-TrunC無線通信專網(wǎng)實質(zhì)上已成為城市軌道交通行業(yè)的無線通信專網(wǎng)多業(yè)務(wù)綜合承載平臺，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 B-TrunC無線通信專網(wǎng)綜合平臺Fig.1 Integrated platform for B-TrunC wireless communication special networks

3 無線通信專網(wǎng)寬、窄系統(tǒng)融合方案

軌道交通目前正經(jīng)歷著行業(yè)大發(fā)展，許多新興城市從零公里起步，新建的軌道交通線路可以直接上無線通信LTE專網(wǎng)，無需考慮與既有老線老制式無線通信專網(wǎng)的關(guān)系，但像上海地鐵這樣已經(jīng)發(fā)展了20多年的超大型軌道交通網(wǎng)絡(luò)而言，為實現(xiàn)全路網(wǎng)統(tǒng)一指揮調(diào)度，就不得不考慮兩個問題。

1) 新建線路的LTE無線通信寬帶專網(wǎng)EPC之間的互聯(lián)互通。

2) 新建線路的LTE無線通信專網(wǎng)寬帶EPC與既有老線TETRA無線通信窄帶專網(wǎng)的互聯(lián)互通。

3.1 LTE無線通信寬帶專網(wǎng)建設(shè)方案

在上海地鐵這樣的軌道交通超大型網(wǎng)絡(luò)，在部署LTE無線通信專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)時，可考慮統(tǒng)一增強歸屬用戶服務(wù)器（eHSS）架構(gòu)。整個上海軌道交通區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)共用一個eHSS，允許有多個軌交線路集群核心網(wǎng)節(jié)點（TCN），但全網(wǎng)陸地移動網(wǎng)絡(luò)（PLMN）為一個，新建軌交線路的LTE無線通信寬帶專網(wǎng)之間互聯(lián)互通的架構(gòu)如圖2所示。

LTE無線通信寬帶專網(wǎng)是開放的系統(tǒng)，各網(wǎng)元之間通過標準接口實現(xiàn)系統(tǒng)級的互聯(lián)互通。寬帶專網(wǎng)中處理集群業(yè)務(wù)的核心功能模塊就是集群控制功能（TCF）和集群媒體功能（TMF），在共eHSS架構(gòu)下，互聯(lián)互通的主要接口是TC1和TC2，TC1接口主要用于完成eHSS對用戶的鑒權(quán)和認證:TC2接口分別在控制面和用戶面對業(yè)務(wù)流進行控制和承載。TC2的控制面是通過SIP協(xié)議來完成的。

3.2 LTE無線通信寬帶專網(wǎng)與既有線TETRA無線通信窄帶專網(wǎng)的互聯(lián)互通方案

上海軌道交通既有老線無線的專用無線調(diào)度網(wǎng)采用TETRA制式，新線部署B(yǎng)-TrunC專網(wǎng)后，為實現(xiàn)全網(wǎng)指揮調(diào)度，就必須研究寬、窄兩個專網(wǎng)系統(tǒng)的互聯(lián)互通和統(tǒng)一調(diào)度。寬、窄專網(wǎng)系統(tǒng)互聯(lián)互通后，需要支持的功能包括:

1) 跨系統(tǒng)單呼。

2) 跨系統(tǒng)組呼。

3) 跨系統(tǒng)呼叫的話權(quán)管理，包括話權(quán)申請、話權(quán)釋放、話權(quán)搶占。

4) 跨系統(tǒng)呼叫的釋放。

LTE無線通信寬帶專網(wǎng)和既有無線通信窄帶專網(wǎng)（如TETRA、PDT）如何才能實現(xiàn)系統(tǒng)級的互聯(lián)互通和全網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度呢？LTE寬帶專網(wǎng)B-TrunC對外系統(tǒng)的接口（包括外接調(diào)度臺的D接口）采用SIP/RTP協(xié)議棧，在全IP化的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)模式中，可以考慮沿用LTE無線通信寬帶專網(wǎng)的TC2接口方式，控制面采用SIP協(xié)議，用戶媒體層面采用RTP協(xié)議。國際上沒有標準的TETRA系統(tǒng)間接口，不同品牌廠商的交換網(wǎng)絡(luò)之間的接口、交換網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的網(wǎng)元之間的接口、交換網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)之間的接口、交換網(wǎng)絡(luò)與調(diào)度臺之間的接口都不是公開的標準接口?，F(xiàn)有的系統(tǒng)級互聯(lián)解決方案在TETRA側(cè)交換網(wǎng)絡(luò)通過SIP協(xié)議與B-TrunC網(wǎng)交換網(wǎng)元EPC實現(xiàn)呼叫控制，TETRA網(wǎng)與B-TrunC網(wǎng)核心側(cè)采用RTP協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互通，互連接口如圖3所示。

圖3 寬、窄無線通信專網(wǎng)系統(tǒng)互聯(lián)接口Fig.3 Interaction interface between broadband and narrowband wireless communication special networks

在標準SIP協(xié)議之上，需依據(jù)軌道交通行業(yè)專網(wǎng)用戶需求做一定的擴展和修改。為使無線通信寬、窄帶專網(wǎng)互聯(lián)后不至于造成全網(wǎng)無線通信專網(wǎng)系統(tǒng)過于復雜，可限定寬、窄帶集群終端只在各自歸屬的系統(tǒng)進行位置信息的更新和管理，以減少不必要的系統(tǒng)間消息交互?；ヂ?lián)后支持跨系統(tǒng)的單呼、組呼功能以及跨系統(tǒng)的呼叫話權(quán)申請、釋放、搶占。

4 結(jié)束語

城市軌道交通的專用無線通信系統(tǒng)，是地鐵運營的重要組成部分，系統(tǒng)的建設(shè)需要考慮新老技術(shù)的銜接和過渡，同時還要滿足線網(wǎng)運營的包括列車控制、統(tǒng)一全網(wǎng)調(diào)度在內(nèi)的多業(yè)務(wù)承載功能需求，應(yīng)統(tǒng)籌考慮系統(tǒng)的全生命周期成本，做到無線通信寬、窄帶專網(wǎng)的技術(shù)融合，平滑演進，既保護既有投資，又能做到專網(wǎng)功能的無縫銜接。

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