基于TD-LTE制式的北京市軌道交通車地寬帶無線通信系統(tǒng)工程建設(shè)規(guī)范化研究

陳偉 周竹青 衛(wèi)瑞東

(1.中鐵通信信號勘測設(shè)計院有限公司,北京 100000;2.北京軌道交通路網(wǎng)管理有限公司,北京 100000)

0 引言

近年來北京市軌道交通建設(shè)得到迅速發(fā)展，截至2017年12月31日，北京市軌道交通路網(wǎng)共有運營線路22條，運營車站370座，運營總里程達到608公里[1]。

隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展，其安全性、舒適性和高效性得到社會的普遍關(guān)注，現(xiàn)代化的軌道交通需要與之相適應(yīng)的現(xiàn)代化通信系統(tǒng)來保證正常的運營服務(wù)。尤其是近幾年，多個城市對市域軌道交通進行了規(guī)劃。這類線路具有超高速（時速均在120km/h以上，部分線路規(guī)劃時速在160km/h以上）、線路長而且站間距大等顯著特點。

同時，由于傳統(tǒng)城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)所采用的基于IEEE 802.11系列標準的WLAN制式由于自身的技術(shù)限制，無法滿足這些超高速市域軌道交通的運營需求。因此，既能承載低時延的控制信息又能承載大帶寬的多媒體信息，既適應(yīng)運輸效率、保證行車安全、提高現(xiàn)代化管理水平和傳遞語音、數(shù)據(jù)、圖像等各種信息的需要，又做到系統(tǒng)可靠、功能合理、設(shè)備成熟、技術(shù)先進、經(jīng)濟實用，是當前車地?zé)o線通信系統(tǒng)技術(shù)升級的新載體。

1 北京市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

1.1 車地?zé)o線通信技術(shù)制式現(xiàn)狀

目前北京市軌道交通的1號線、2號線、13號線以及八通線等四條線路車地通信采用了DVB-T技術(shù)，而其他線路車地通信采用了基于IEEE 802.11系列協(xié)議族的WLAN技術(shù)。下列圖表描述了既有運營各線路車地通信組網(wǎng)制式以及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)帶寬，如表1所示。

1.2 車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)承載現(xiàn)狀

圖1 北京市軌道交通車地?zé)o線業(yè)務(wù)承載現(xiàn)狀圖[2]

目前大部分北京市已運營線路車地?zé)o線通信所承載車載視頻上傳、PIS信息下發(fā)等功能尚不完善、未達到系統(tǒng)建設(shè)初衷，如圖1所示。

表1 北京市軌道交通車地?zé)o線通信組網(wǎng)制式表[2]

2 北京市軌道交通車地寬帶無線通信系統(tǒng)研究

2.1 業(yè)務(wù)承載及帶寬需求（表2）

表2 北京市軌道交通車地寬帶無線通信業(yè)務(wù)承載及帶寬需求表

2.2 組網(wǎng)規(guī)劃

北京市軌道交通車地寬帶無線通信系統(tǒng)依據(jù)承載業(yè)務(wù)需求及使用的頻段規(guī)劃如下：

A網(wǎng)：工作于1.8G授權(quán)頻段（1785MHz-1805MHz）。A網(wǎng)可承載列車控制、視頻監(jiān)視、列車乘客信息、列車運行狀態(tài)信息以及無線調(diào)度電話、列車中心廣播、列車乘客緊急對講等業(yè)務(wù)。

B網(wǎng)：工作于1.8G授權(quán)頻段（1785MHz-1790MHz）。B網(wǎng)可承載列車控制信息，同時B網(wǎng)的接入層可作為無線調(diào)度電話、列車中心廣播等關(guān)鍵業(yè)務(wù)的備份接入。

C網(wǎng)：工作于5.8G非授權(quán)頻段網(wǎng)絡(luò)（5725MHz-5850MHz）。C網(wǎng)僅承載視頻監(jiān)視、列車乘客信息等非關(guān)鍵生產(chǎn)業(yè)務(wù)。

D網(wǎng)：工作于5.1G非授權(quán)頻段網(wǎng)絡(luò)（5150MHz-5350MHz）或2.4G非授權(quán)頻段網(wǎng)絡(luò)（2400MHz-2483MHz）。D網(wǎng)可承載軌道交通信息化類及服務(wù)類等非關(guān)鍵業(yè)務(wù)，其中2.4G非授權(quán)頻段須為線路未使用的該頻段或信號業(yè)務(wù)清退后的該頻段。

A、B、C及D網(wǎng)絡(luò)頻率應(yīng)完全獨立，互不影響，如圖2所示。

圖2 北京市軌道交通車地寬帶無線通信系統(tǒng)頻段規(guī)劃圖

2.3 總體架構(gòu)

北京市軌道交通車地寬帶無線通信系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由中心層、接入層、終端層三層組成。

中心層主要完成列車控制、列車視頻監(jiān)視、列車乘客信息、列車運行狀態(tài)以及無線調(diào)度電話、列車中心廣播、列車乘客緊急對講等業(yè)務(wù)的處理，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理及存儲等功能。

接入層主要完成網(wǎng)絡(luò)無線接入側(cè)的信號收發(fā)處理，支持通過射頻系統(tǒng)（天線/漏纜/波導(dǎo)管）進行無線覆蓋。

終端層主要實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)處理及各車載設(shè)備業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的交互。

3 基于LTE制式車地寬帶無線通信系統(tǒng)工程建設(shè)規(guī)范化研究

LTE技術(shù)是3GPP（第三代合作伙伴計劃）組織制定的通用移動通信系統(tǒng)技術(shù)標準的長期演進，具有高帶寬、低時延、抗干擾等特點。在20M帶寬組網(wǎng)的情況下，下行峰值速率為100Mbit/s，上行為50Mbit/s。頻譜分配靈活，可支持多種帶寬分配（支持5MHz/10MHz/15MHz/20MHz多種頻寬）。

LTE技術(shù)與WLAN技術(shù)關(guān)鍵性能分析如表3所示。

表3 LTE技術(shù)與WLAN技術(shù)關(guān)鍵性能對比表

LTE技術(shù)與現(xiàn)有的WLAN技術(shù)相比具有明顯優(yōu)勢。目前，在我國地鐵建設(shè)中，開始逐步引入LTE技術(shù)實現(xiàn)車地?zé)o線通信。2013年底鄭州1號線、2017年底北京燕房線順利開通，都是我國在車地?zé)o線車地通信中應(yīng)用LTE技術(shù)的成功嘗試。

3.1 頻率規(guī)劃原則

LTE網(wǎng)絡(luò)根據(jù)線路建設(shè)情況和場景可設(shè)置為單網(wǎng)或雙網(wǎng)（A網(wǎng)、B網(wǎng)）。

（1）單網(wǎng)絡(luò)（A網(wǎng)）規(guī)劃（表4）。

表4 單網(wǎng)頻率規(guī)劃表（A網(wǎng)）

表5 雙網(wǎng)頻率規(guī)劃表（A網(wǎng)/B網(wǎng)）

（2）雙網(wǎng)絡(luò)（A網(wǎng)/B網(wǎng)）規(guī)劃（表5）。

3.2 系統(tǒng)建設(shè)原則

中心層設(shè)備主要包括歸屬簽約用戶服務(wù)器、核心網(wǎng)設(shè)備、IEEE 1588V2時鐘同步服務(wù)器、中心匯聚交換機、網(wǎng)間互聯(lián)路由器、信號接入路由器、列控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器、調(diào)度信息服務(wù)器以及網(wǎng)管設(shè)備等。

表6 車載TAU配置和承載業(yè)務(wù)表

接入層設(shè)備主要包括基站BBU設(shè)備、基站RRU設(shè)備、天饋系統(tǒng)（含合路器、漏泄同軸電纜和天線）、防雷器等組成。

TD-LTE系統(tǒng)支持具有嚴格服務(wù)質(zhì)量（QoS）保證的數(shù)據(jù)、語音、圖像、視頻等多媒體業(yè)務(wù)，支持端到端QoS保證。

終端層設(shè)備主要包括手持終端和車載TAU，其中車載TAU配置和承載業(yè)務(wù)如表6所示。

4 總結(jié)及展望

車地?zé)o線通信系統(tǒng)是對城市軌道交通的指揮調(diào)度、行車組織過程進行記錄的主要手段，是城市軌道交通正常運行中不可或缺的關(guān)鍵系統(tǒng)，在突發(fā)時間下對監(jiān)督、調(diào)度、指揮、通訊等提供了重要的工作依據(jù)。因此，城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)要求具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。

隨著國內(nèi)城市軌道交通的規(guī)劃和發(fā)展，車地?zé)o線通信系統(tǒng)未來將會向著高帶寬、多功能、智能化的方向發(fā)展。因此，充分利用LTE技術(shù)高帶寬、低時延、抗干擾的特點，將LTE技術(shù)引入城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)類和語音類業(yè)務(wù)綜合承載，提高城市軌道交通運輸?shù)姆?wù)質(zhì)量，提升乘客服務(wù)體驗將是車地?zé)o線通信系統(tǒng)發(fā)展的大勢所趨。目前，在我國新建地鐵項目中，開始逐步引入LTE技術(shù)實現(xiàn)車地?zé)o線通信。2013年底鄭州1號線、2017年底北京燕房線順利開通，都是我國在車地?zé)o線車地通信中應(yīng)用LTE技術(shù)的成功嘗試。