城市軌道交通延伸工程信號系統(tǒng)車地?zé)o線通信技術(shù)方案研究

魯秋子

（北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司，北京 100037）

0 引言

近年來，基于通信的列車控制（Communication?Based?Train?Control，CBTC）系統(tǒng)[1]已成最為主流的列車信號控制系統(tǒng)。為實現(xiàn)對列車的監(jiān)督與控制，CBTC?系統(tǒng)利用無線通信技術(shù)實現(xiàn)車地雙向數(shù)據(jù)通信[2]，傳輸涉及行車安全的重要數(shù)據(jù)信息。隨著對列車運行速度及運營能力要求越來越高，列車運行控制對車地?zé)o線傳輸?shù)目煽啃?、可用性也提出了更高要求?/p>

目前城市軌道交通中已建成的軌道交通信號系統(tǒng)普遍采用?802.11?無線局域網(wǎng)技術(shù)（WLAN）承載車地?zé)o線列控信息。由于?WLAN?技術(shù)易受到民用?WIFI?設(shè)備等同頻干擾，在建及新建線路大多采用?TD-LTE?技術(shù)方案作為信號車地?zé)o線通信系統(tǒng)方案。而對于延伸工程，是采用與既有工程一致的?WLAN?技術(shù)，亦或更新為?TD-LTE技術(shù)，成為目前信號系統(tǒng)設(shè)計過程中一個需要重點探討的問題?；诩扔熊壍澜煌ň€路的延伸改造已經(jīng)十分普遍，本文就如何實現(xiàn)城市軌道交通延伸工程信號系統(tǒng)車地?zé)o線通信技術(shù)進行了研究。

1 車地?zé)o線通信系統(tǒng)

CBTC?信號系統(tǒng)中的車地?zé)o線通信系統(tǒng)實現(xiàn)了各信號子系統(tǒng)之間的列車控制信息、維護信息等的傳輸，實現(xiàn)了軌旁信號設(shè)備與車載設(shè)備之間連續(xù)、雙向的數(shù)據(jù)通信。目前城市軌道交通中信號系統(tǒng)車地?zé)o線通信技術(shù)主要有?WLAN?技術(shù)和?TD-LTE?技術(shù)。

1.1 WLAN 技術(shù)

目前，已建成的城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)采用的技術(shù)基本為?802.11?系列無線局域網(wǎng)技術(shù)[3]，工作于開放頻段?2.4GHz?ISM。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，CBTC?車地通信越來越容易受到民用?WIFI?設(shè)備的同頻干擾。在多個城市的軌道交通線路中已發(fā)生了因民用?WIFI設(shè)備同頻干擾，導(dǎo)致車地通信中斷、影響列車正常運營的事件。此外，WLAN?天線覆蓋范圍較小[4]，在直線隧道段，一般每隔?200??m?需設(shè)置?1?個軌旁無線接入點（AP）。因此，系統(tǒng)需要頻繁越區(qū)切換，這就導(dǎo)致系統(tǒng)易丟包。為從根本上解決車地通信干擾問題，必須采用新的車地通信技術(shù)，采用專用通信頻段。隨著第?4?代無線通信技術(shù)?LTE?逐漸成為一種成熟的車地通信方案，新建線路均采用?LTE?技術(shù)作為無線通信技術(shù)方案。

1.2 TD-LTE 技術(shù)

TD-LTE?是新一代的寬帶移動通信技術(shù)，為?3.9G?全球標準[5]。LTE?技術(shù)在設(shè)計上充分考慮了高速運行時的傳輸性能，能夠滿足城市軌道交通信號系統(tǒng)作為安全信息優(yōu)先傳輸、實時傳輸需求。采用非民用頻段，可以有效避免干擾，覆蓋范圍遠，有效減少越區(qū)切換。同時，LTE?是我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的?TD-SCDMA?的后續(xù)演進技術(shù)，有比較成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，可以有效降低成本。

1.3 TD-LTE 與 WLAN 比較分析

已建成城市軌道交通車地通信主要通過?WLAN?承載，存在抗干擾能力差、覆蓋范圍短、切換頻繁等問題（表1）。為保障系統(tǒng)的可用性和可靠性，相關(guān)政策以及技術(shù)的發(fā)展使得?LTE?技術(shù)成為了信號車地通信的主流技術(shù)方案。

2 舊線路延伸段建設(shè)

目前國內(nèi)車地?zé)o線通信多采用?WLAN?技術(shù)。在既有工程采用?WLAN?技術(shù)的前提下，延伸工程車地?zé)o線通信系統(tǒng)技術(shù)方案主要分為以下?3?種情況：

（1）延伸工程和既有工程保持一致，全線車地?zé)o線通信技術(shù)均采用?WLAN?技術(shù)；

（2）改造既有工程方案，全線車地?zé)o線通信技術(shù)均采用?LTE?技術(shù)；

（3）舊線路保持?WLAN?技術(shù)，新建線路采用LTE技術(shù)，列車在新舊線路交界處越區(qū)切換。

2.1 方案一：全線采用 WLAN 技術(shù)

CBTC?數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)由光纖骨干網(wǎng)和軌旁無線局域網(wǎng)等構(gòu)成。車載設(shè)備和軌旁設(shè)備通過設(shè)于軌旁的方向性天線和設(shè)于列車上的無線天線相聯(lián)系。車載子系統(tǒng)連接設(shè)置于每列車的車頭、車尾的?2.4GHz?全向無線天線以及相應(yīng)的發(fā)送/接收設(shè)備。每間隔約?200??m?設(shè)置軌旁?AP，與軌旁定向無線天線相連接。軌旁?AP?通過光纖與沿線車站的骨干網(wǎng)交換機連接，構(gòu)成軌旁環(huán)形光纖骨干網(wǎng)絡(luò)。

在實施時需在延伸工程的車站及沿線設(shè)置無線通信設(shè)備，通過改造與既有工程銜接車站的相關(guān)軟硬件，完成與既有線的系統(tǒng)接口。除與既有線的系統(tǒng)接口外，工程實施可直接按照新建模式進行。此方案實施難度較低，方案成熟度高，是目前城市軌道交通延伸線工程車地?zé)o線通信技術(shù)最常選用的一種方案。

表1 TD-LTE 與 WLAN 技術(shù)對比

2.2 方案二：改造既有工程，全線采用 LTE 技術(shù)

LTE?方案與?WLAN?類似，軌旁無線系統(tǒng)由?2?個完全獨立且互為冗余的網(wǎng)絡(luò)（A?網(wǎng)和?B?網(wǎng)）組成。每列車上在車頭和車尾分別安裝有?2?套數(shù)據(jù)接入單元?TAU。列車兩端?TAU?分別鏈接雙網(wǎng)中的?1?個，所有收發(fā)的無線通信數(shù)據(jù)都在?TAU?中傳輸，從而實現(xiàn)連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸冗余。

列車頭尾車載控制器通過?2?個獨立的以太網(wǎng)分別連接到兩端?TAU，同時接收雙網(wǎng)的信息，保證車載設(shè)備在單端故障或單網(wǎng)故障時車地通信數(shù)據(jù)的可靠性傳輸，不會影響到列車的正常運行。

考慮目前既有工程采用?WLAN?技術(shù)，若全線車地?zé)o線通信技術(shù)統(tǒng)一改為?LTE?技術(shù)，則需要拆除既有線車地?zé)o線通信設(shè)備，組建新的無線通信架構(gòu)。若既有工程建成時間較短且線路較長，更換新的通信技術(shù)代價太大，則不推薦更改車地?zé)o線通信技術(shù)方案。

2.3 方案三：WLAN 與 LTE 共存

在延伸線建設(shè)過程中，希望舊線繼續(xù)使用WLAN?技術(shù)而延長線使用?LTE?系統(tǒng)的情況下，如能利用已有WLAN網(wǎng)絡(luò)資源，使車載接入單元同時具有接入?WLAN?和?LTE的能力，將形成更多的車地?zé)o線傳輸路徑，增強傳輸系統(tǒng)冗余性，增大其可靠性，降低運營維護的復(fù)雜度。

2.3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

LTE?系統(tǒng)使用同站址雙網(wǎng)覆蓋方案，2?個網(wǎng)絡(luò)完全獨立，并行工作，互不影響。每個網(wǎng)絡(luò)部署各自獨立的核心網(wǎng)（EPC）、基帶處理單元（BBU）及其射頻處理單元（RRU）。WLAN?網(wǎng)絡(luò)使用線路已有網(wǎng)絡(luò)，采用同站址雙網(wǎng)覆蓋方案。

在車頭和車尾分別部署專用車載終端及?LTE?天線、WLAN?天線各?1?套，每臺終端同時接入?LTE-A?網(wǎng)、LTE-B?網(wǎng)和?WLAN?網(wǎng)絡(luò)，LTE?和?WLAN?混合組網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖?1?所示。

2.3.2 WLAN<E 切換分析

采用?WLAN?與?LTE?共存的方案，最大的難題是實現(xiàn)列車在新舊線路交界處的信號處理。車載設(shè)備在交界處通過軟切換的方式實現(xiàn)鏈路的切換。

為保證列車在切換帶信息的切換，WLAN?和?LTE?系統(tǒng)需設(shè)置最小的鏈路接入閾值。列車在?WLAN?區(qū)域只存在?WLAN?鏈路，當列車進入LTE?射頻區(qū)域時，一旦達到預(yù)定的建立?LTE?鏈路的閾值，車輛?TAU?將與軌旁通信設(shè)備建立?LTE?鏈路。當?WLAN?信號逐漸降低到最低值時，車載?AP?自動與WLAN?鏈路斷開，此時所有的數(shù)據(jù)都切換到?LTE?鏈路，不影響數(shù)據(jù)的正常傳輸。同樣，從?LTE?區(qū)域進入?WLAN區(qū)域的列車也可以實現(xiàn)新舊鏈接的切換。

此外，由于系統(tǒng)采用了2?種不用的通信技術(shù)，要使?2種無線通信方式共存且要實現(xiàn)全線互聯(lián)互通，需要WLAN中心處理器與?LTE?核心網(wǎng)有效交互信息。因此，有必要考慮跨系統(tǒng)切換的時延是否能夠滿足?CBTC?列車通信的要求。

鄭州市軌道交通?2?號線已在混合組網(wǎng)的情況下，對以?CBTC?業(yè)務(wù)為核心的綜合承載進行了測試。車頭車尾的車載終端分別同時接入?LTE-A、LTE-B?和?WLAN?網(wǎng)絡(luò)，在?LTE?全網(wǎng)停止工作、LTE?網(wǎng)和?WLAN?網(wǎng)均正常工作、WLAN?全網(wǎng)停止工作等情況下，分別模擬?WLAN?網(wǎng)單獨覆蓋、WLAN?網(wǎng)向?LTE?網(wǎng)過渡覆蓋、LTE?網(wǎng)單獨覆蓋、LTE?網(wǎng)向?WLAN?網(wǎng)過渡覆蓋等場景，完全鏡像舊線升級改造和延長線建設(shè)過程中的各種實際通信場景。結(jié)果表明，當?WLAN?網(wǎng)絡(luò)與?LTE?網(wǎng)絡(luò)之間發(fā)生網(wǎng)絡(luò)切換時，上行平均切換中斷時間為?172??ms，下行平均切換中斷時間為?200??ms[6]?？梢缘贸鼋Y(jié)論：專用車載接入單元終端能夠在?LTE?和?WLAN?混合組網(wǎng)的情況下實現(xiàn)?CBTC?的車地?zé)o線通信。

雖然基于混合組網(wǎng)業(yè)務(wù)成熟度不高，但是此方案可以用?1?套網(wǎng)管實現(xiàn)整網(wǎng)全部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的統(tǒng)一管理，使得網(wǎng)絡(luò)維護管理效率更高，國內(nèi)也有相關(guān)廠商可以實現(xiàn)混合組網(wǎng)方案。此方案代表了新技術(shù)的發(fā)展方向，也為今后的設(shè)計提供了新的思路，推薦在今后的延伸工程建設(shè)中采用?WLAN?與?LTE?共存的方案。

圖1 LTE 和 WLAN 混合組網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

表2 延伸工程車地?zé)o線通信系統(tǒng)技術(shù)方案優(yōu)缺點對比

3 結(jié)論

本文結(jié)合當前信號系統(tǒng)車地?zé)o線通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了?3?種城市軌道交通信號系統(tǒng)延伸工程車地?zé)o線通信技術(shù)的設(shè)計方案，并給出了不同方案的優(yōu)缺點分析，比選結(jié)果如表??2?所示。

未來設(shè)計過程中，還應(yīng)當緊密跟蹤?LTE?與?WLAN兼容性方面的技術(shù)發(fā)展及其在延伸線工程的應(yīng)用情況，為信號系統(tǒng)方案設(shè)計提供新的思路和參考。