市域軌道交通基于TD-LTE技術(shù)的多網(wǎng)融合解決方案研究

張正杰

（蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司，江蘇 蘇州 215004）

1 研究背景

近年來，我國(guó)城市軌道交通建設(shè)飛速發(fā)展，各地都在加快城市軌道交通建設(shè)。其形式逐漸呈現(xiàn)多樣化，從最初的市區(qū)線（M線），擴(kuò)張到市域快線（R線），又逐漸興起了市域鐵路（S線）。隨著各個(gè)城市地鐵線網(wǎng)規(guī)模的逐漸形成，主城核心區(qū)與外圍衛(wèi)星城、組團(tuán)城市以及沿途城鎮(zhèn)之間的交通建設(shè)迫在眉睫。縮短城區(qū)和郊區(qū)之間的距離、促進(jìn)城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展的愿望愈發(fā)強(qiáng)烈，市域鐵路勢(shì)必成為未來主流的軌道交通建設(shè)模式[1]。

市域鐵路（也稱市域軌道交通）是介于鐵路和城市軌道交通之間的一種新型交通制式。針對(duì)這種新型軌道交通模式，目前暫無現(xiàn)行規(guī)范可循，也無任何成功案例參考。其既不同于國(guó)鐵，也不同于地鐵，通信系統(tǒng)方案無法完全參照既有的軌道交通形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。市域鐵路從運(yùn)營(yíng)管理模式來講，更偏向于城市軌道交通，無線通信系統(tǒng)所承載的業(yè)務(wù)與傳統(tǒng)的城市軌道交通基本相同。但是，目前城市軌道交通中應(yīng)用的無線通信技術(shù)仍存在一定的技術(shù)局限性，特別是廣泛采用的車地寬帶技術(shù)WLAN已經(jīng)無法跟上市域鐵路高速發(fā)展的步伐，急需尋求一種新的技術(shù)滿足市域鐵路車地寬帶的接入需求。

2 國(guó)內(nèi)主要城市軌道交通無線通信系統(tǒng)的建設(shè)現(xiàn)狀

車地?zé)o線通信是城市軌道交通安全運(yùn)營(yíng)的神經(jīng)中樞。城市軌道交通采用無線通信技術(shù)的系統(tǒng)有很多，包括專用無線調(diào)度、乘客信息系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、公安無線系統(tǒng)、消防無線系統(tǒng)、民用無線系統(tǒng)、車輛信息及檢測(cè)信息上傳系統(tǒng)和車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)等。此外，還可能包括無線政務(wù)網(wǎng)和為了滿足乘客上網(wǎng)需求的WiFi接入系統(tǒng)。

按照業(yè)務(wù)需求劃分，上述系統(tǒng)需求可以分為專用業(yè)務(wù)需求和非專用業(yè)務(wù)需求。專用業(yè)務(wù)需求主要是指軌道交通內(nèi)部各無線通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求，如信號(hào)、專用無線調(diào)度等系統(tǒng)。這些業(yè)務(wù)是軌道交通正常運(yùn)行的保障。非專用業(yè)務(wù)需求主要包括公安、消防、政務(wù)和民用通信等。由于它的服務(wù)主體各有差異，同時(shí)需實(shí)現(xiàn)與各自業(yè)務(wù)系統(tǒng)的對(duì)接，因此不建議進(jìn)行無線通信網(wǎng)絡(luò)整合。若條件允許，可考慮無線覆蓋介質(zhì)共享。本文主要討論了專用無線通信系統(tǒng)進(jìn)行多網(wǎng)融合的可行性，包括專用無線調(diào)度系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)（含車載CCTV、車輛狀態(tài)信息的上傳和流媒體的分發(fā)）。

從專用無線通信系統(tǒng)承載的數(shù)據(jù)類型劃分，主要分為車地語音通信業(yè)務(wù)（如專用無線調(diào)度系統(tǒng)）和車地寬帶數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)（如PIS、信號(hào)系統(tǒng)CBTC等）。目前，從已開通的線路來看，國(guó)內(nèi)地鐵大多采用TETRA承載車地語音通信，采用WLAN技術(shù)承載信號(hào)CBTC列控信息，采用工作在開放頻段的WLAN系統(tǒng)承載PIS業(yè)務(wù)，但也有個(gè)別城市采用雙向DVB-T（地面數(shù)字電視廣播，數(shù)字視頻的地面?zhèn)鬏敇?biāo)準(zhǔn)）承載車載PIS業(yè)務(wù)，如武漢、長(zhǎng)沙、南昌和重慶等。隨著1.8 GHz頻率資源的開放和TD-LTE技術(shù)的成熟，新建地鐵線路開始廣泛采用TD-LTE技術(shù)承載業(yè)務(wù)。

3 系統(tǒng)方案

目前，基于TD-LTE技術(shù)的多網(wǎng)融合解決方案主要考慮承載CBTC、專用無線語音調(diào)度業(yè)務(wù)、PIS業(yè)務(wù)、CCTV業(yè)務(wù)以及PCA業(yè)務(wù)。后五種業(yè)務(wù)均可由一張LTE網(wǎng)進(jìn)行承載，溫州S1線就采用了該實(shí)施方案。但是，如果需要承載CBTC網(wǎng)絡(luò)時(shí)，則需考慮此重新建設(shè)專門的LTE網(wǎng)進(jìn)行承載[2]。

根據(jù)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)原則，為保證系統(tǒng)業(yè)務(wù)的可靠性和安全性，無線網(wǎng)絡(luò)必須冗余設(shè)置。此時(shí)，LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)按照A、B雙網(wǎng)設(shè)計(jì)，兩張網(wǎng)絡(luò)完全獨(dú)立，并行工作，互不影響。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)包括核心網(wǎng)（EPC）、基站（eNodeB）和車載無線設(shè)備（TAU）。其中，A網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)用于承載CBTC業(yè)務(wù)，B網(wǎng)絡(luò)用于承載CBTC業(yè)務(wù)備份、集群語音、PIS和CCTV等業(yè)務(wù)。LTE網(wǎng)絡(luò)邏輯架構(gòu)如圖1所示[3]。

圖1 多網(wǎng)融合方案邏輯架構(gòu)

筆者建議A網(wǎng)由信號(hào)系統(tǒng)建設(shè)，B網(wǎng)由通信系統(tǒng)建設(shè)，具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

與單網(wǎng)構(gòu)成方案一致，LTE網(wǎng)絡(luò)需要在控制中心、車站、車輛段/停車場(chǎng)、軌道旁和車輛中部署相關(guān)設(shè)備。但是，中心設(shè)備、基站設(shè)備、車載設(shè)備和覆蓋系統(tǒng)均按照布置兩套。其中，兩套核心網(wǎng)設(shè)備、網(wǎng)管及應(yīng)用、接口服務(wù)器均統(tǒng)一安放在控制中心，兩套車站及區(qū)間設(shè)備均按照同址設(shè)置考慮，車載設(shè)備也按照冗余原則配置。此外，采用多網(wǎng)融合方案覆蓋的區(qū)域主要包括所有車站、上下行正線、折返線、車輛段/停車場(chǎng)和試車線等。

4 結(jié) 論

目前，TD-LTE技術(shù)非常適應(yīng)市域軌道交通業(yè)務(wù)承載模型。隨著各系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求的不斷增加，車載CCTV由目前主流的標(biāo)清視頻上傳逐漸演變?yōu)楦咔逡曨l上傳，從2路視頻變?yōu)檎麄€(gè)列車的視頻上傳；PIS系統(tǒng)從標(biāo)清視頻演變成高清；語音調(diào)度通信從單純的語音通話需求變?yōu)槎嗝襟w調(diào)度需求等。各系統(tǒng)業(yè)務(wù)對(duì)無線通信系統(tǒng)的要求越來越高，帶寬需求越來越大。未來，隨著帶寬需求的增加，頻率資源緊張將成為發(fā)展的瓶頸。因此，無線通信技術(shù)的發(fā)展要與時(shí)俱進(jìn)，以滿足不斷發(fā)展的業(yè)務(wù)承載需求[4-6]。

圖2 LTE多網(wǎng)融合方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)