基于TD-LTE的市域快速軌道交通無線綜合通信網(wǎng)方案研究

劉曉慶

（廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

市域快速軌道交通（簡稱市域快軌）是一種主要服務(wù)于城市郊區(qū)和周邊新城、城鎮(zhèn)與中心城區(qū)聯(lián)系，并具有通勤客運服務(wù)功能的中、長距離的大運量城市軌道交通系統(tǒng)。目前，北京、廣州、成都、福州等城市均將160 km/h運行速度的市域快軌線路加入到城市軌道交通線網(wǎng)建設(shè)中，傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)已無法滿足列車高速行駛時的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量要求，因此對列車高速運行下的軌道交通無線綜合通信網(wǎng)建設(shè)提出了更高的運營安全要求。如何將無線綜合通信網(wǎng)的新技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通的無線集群系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)（PIS）、信號系統(tǒng)、列車視頻和車輛狀態(tài)信息監(jiān)控系統(tǒng)等建設(shè)中，如何更加合理地利用有限的無線頻率資源，進一步降低工程建設(shè)成本，營造高效、舒適、便捷的城市軌道交通體系，以滿足人們不斷增長的出行需求，已成為城市軌道交通領(lǐng)域中令人關(guān)注的重點問題。

1 需求分析

市域快軌無線通信網(wǎng)絡(luò)的主要承載業(yè)務(wù)包括無線集群系統(tǒng)、PIS、信號系統(tǒng)、列車視頻和車輛狀態(tài)信息監(jiān)控系統(tǒng)等。地下區(qū)間各系統(tǒng)的業(yè)務(wù)帶寬需求見表1，高架區(qū)間各系統(tǒng)的業(yè)務(wù)帶寬需求見表2。

在各種業(yè)務(wù)承載要求中，盡管信號專業(yè)所需業(yè)務(wù)帶寬不大，但由于信號系統(tǒng)涉及到行車安全，為充分考慮網(wǎng)絡(luò)可靠性，明確要求采用雙網(wǎng)冗余架構(gòu)。

無線視頻調(diào)度主要用于視頻采集、視頻回傳以及視頻分發(fā)，為相關(guān)調(diào)度人員提供一線的視頻或圖像，業(yè)務(wù)需求為雙向。視頻業(yè)務(wù)一般采用組播方式，1 Mb/s能夠滿足最低需求，在視頻采集場景復(fù)雜時需要2 Mb/s。

表1 地下區(qū)間各系統(tǒng)的業(yè)務(wù)帶寬需求

表2 高架區(qū)間各系統(tǒng)的業(yè)務(wù)帶寬需求

PIS地面至車上的業(yè)務(wù)基本需要包括1路MPEG-2的視頻以及有關(guān)信息發(fā)布的文本信息，8 Mb/s能夠滿足最低要求。

以廣州地鐵運營管理需求為例，列車視頻要求具備實時上傳不少于2路720P高清圖像的能力，每路圖像的最少碼流不低于4M，即需要不小于8M碼流的承載能力，在實際網(wǎng)絡(luò)承載能力不足時，上傳圖像仍然采用標清制式（高清轉(zhuǎn)標清），即2M碼流為最低要求。

在地下區(qū)間，按平均1列列車處于1個小區(qū)的情況考慮。列車基本業(yè)務(wù)需求為：基于通信的列車自動控制系統(tǒng)（CBTC）、列車在線監(jiān)測、司機1路視頻調(diào)度、語音集群、1路高清車載視頻（上傳控制中心）、1路視頻直播（控制中心下傳至列車）。

在高架區(qū)間，按平均1列列車處于1個小區(qū)的情況考慮。此時單列車基本業(yè)務(wù)需求為：CBTC、列車在線監(jiān)測、司機1路視頻調(diào)度、語音集群、1路高清車載視頻（上傳控制中心）。

2 制式選擇

在目前我國城市軌道交通建設(shè)中，車地無線通信系統(tǒng)采用的主要技術(shù)為802.11系列WLAN技術(shù)[1]。而WLAN理論上只適用于低速環(huán)境（小于80～120 km/h），隨著列車運行速度的提升，傳輸數(shù)據(jù)的切換失敗率也大幅提高[2]，系統(tǒng)易丟包，造成視頻畫面停滯或馬賽克[3]；WLAN僅能實現(xiàn)標清信號的傳輸，暫不滿足高清的要求[4]；WLAN工作頻段是2.4G，屬于開放頻段，外界干擾源多，對運營安全要求較高的無線傳輸系統(tǒng)會導(dǎo)致傳輸中斷，進而影響車輛的正常運行[5]。如深圳地鐵2號線、5號線曾因外界無線信號干擾，導(dǎo)致列車多次出現(xiàn)緊急制動，造成列車晚點，大量旅客滯留，產(chǎn)生了不良的社會影響[6]。

TD-LTE是國際標準化的移動通信技術(shù)[7]，TD-LTE通信系統(tǒng)特點如下：

（1）傳輸帶寬高，可滿足多路實時視頻流下發(fā)及視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)回傳需求，20 MHz頻段組網(wǎng)，下行峰值可達50 Mb/s，終端處于小區(qū)邊緣時仍可實現(xiàn)30 Mb/s高帶寬能力。

（2）T D-L T E具備強接入性，可保證高速移動時的無線數(shù)據(jù)質(zhì)量，理論上支持500 km/h的移動速度，可滿足列車高速行駛下的數(shù)據(jù)傳輸[8]。

（3）在可靠性保障方面，具備系統(tǒng)級冗余、設(shè)備級冗余和單板級冗余，以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

（4）抗干擾能力強。使用行業(yè)專用頻段，系統(tǒng)外干擾少。并采用小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)等抗干擾技術(shù)，降低系統(tǒng)內(nèi)部干擾，最大限度降低因頻率干擾帶來的系統(tǒng)穩(wěn)定性、業(yè)務(wù)帶寬的損失。

（5）業(yè)務(wù)可擴展性好，TDLTE作為綜合性寬帶無線網(wǎng)絡(luò)平臺，可滿足PIS、車載視頻監(jiān)控等各種類型數(shù)據(jù)的傳輸，各種業(yè)務(wù)通過完善的服務(wù)質(zhì)量（QoS）機制實現(xiàn)精細化的業(yè)務(wù)優(yōu)先級管理，打造良好的業(yè)務(wù)擴展能力，完全支持集群調(diào)度通信。

（6）針對車地無線通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的新需求，TD-LTE技術(shù)不但支持傳輸語音、低速數(shù)據(jù)等窄帶業(yè)務(wù)，也支持無線視頻傳輸?shù)葘拵I(yè)務(wù)[9]。

考慮到市域快軌的運行速度為120～160 km/h，并參考鄭州地鐵1號線等采用TD-LTE技術(shù)組建車地無線通信網(wǎng)絡(luò)的實際使用效果，該技術(shù)能滿足運營安全要求，同時可滿足乘客對獲得綜合、實時信息的需求，如運營服務(wù)信息、公共資訊信息、新聞娛樂信息，以及地鐵事故時應(yīng)急疏散的聲音、圖像引導(dǎo)等[10]。因此，為了提升市域快軌的安全性和舒適性，有必要利用1 785～1 805 MHz專用頻段組建高安全、高性能、抗干擾的TD-LTE市域快軌無線綜合通信網(wǎng)。

3 系統(tǒng)方案

3.1 系統(tǒng)組網(wǎng)方案

基于對市域快軌車地無線傳輸業(yè)務(wù)的需求分析，以廣州地鐵18號線為研究背景，可實現(xiàn)TD-LTE無線信息傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組網(wǎng)方案有以下3種：

（1）通信信號業(yè)務(wù)建設(shè)TD-LTE綜合承載網(wǎng)絡(luò)。建設(shè)1套硬件完全冗余的TD-LTE綜合承載網(wǎng)絡(luò)，考慮到信號CBTC系統(tǒng)對無線數(shù)據(jù)的可靠性、安全性要求更高，必須采用雙網(wǎng)冗余的設(shè)置方式，建議由信號專業(yè)對綜合承載網(wǎng)絡(luò)進行建設(shè)，為通信專業(yè)的相關(guān)業(yè)務(wù)需求配置無線數(shù)據(jù)傳輸通道。TD-LTE雙網(wǎng)綜合承載傳輸網(wǎng)絡(luò)示意見圖1。

優(yōu)點：該方案可降低TD-LTE車地無線信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的整體造價，實現(xiàn)資源的整合和充分利用，滿足信號系統(tǒng)對車地無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩砸?，?jié)約頻帶資源的使用寬度。雙網(wǎng)之間可應(yīng)用MIMO技術(shù)，進一步提高信息傳輸效率。

缺點：信號系統(tǒng)與通信系統(tǒng)在無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)增加了接口，同時系統(tǒng)的涵蓋范圍遠大于信號系統(tǒng)常規(guī)覆蓋的行車區(qū)域。

（2）通信信號業(yè)務(wù)獨立建設(shè)單網(wǎng)，由通信專業(yè)為信號專業(yè)提供冗余通道。通信信號專業(yè)各自建設(shè)1套TD-LTE硬件傳輸網(wǎng)絡(luò)，通信專業(yè)單網(wǎng)承載無線調(diào)度業(yè)務(wù)和列車運行緊急數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)?？紤]到信號CBTC系統(tǒng)對無線數(shù)據(jù)的可靠性、安全性要求更高，必須采用雙網(wǎng)冗余的設(shè)置方式，則由通信專業(yè)為信號專業(yè)配置冗余無線數(shù)據(jù)傳輸通道，以滿足信號系統(tǒng)冗余需求。TD-LTE雙網(wǎng)冗余傳輸網(wǎng)絡(luò)示意見圖2。

優(yōu)點：該方案同樣可降低TD-LTE車地無線信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的整體造價，實現(xiàn)資源的整合和充分利用，技術(shù)上滿足信號系統(tǒng)對車地無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅?jié)約頻帶資源的使用寬度。

缺點：信號系統(tǒng)與通信系統(tǒng)在無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)增加了接口，同時信號系統(tǒng)冗余通道的可靠性和安全性需要由通信系統(tǒng)保障。

圖1 TD-LTE雙網(wǎng)綜合承載傳輸網(wǎng)絡(luò)示意圖

（3）通信專業(yè)獨立建設(shè)單網(wǎng)，信號專業(yè)獨立建設(shè)冗余雙網(wǎng)。通信專業(yè)獨立建設(shè)1套TD-LTE硬件傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，承載無線調(diào)度業(yè)務(wù)和列車運行緊急數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)?？紤]到信號CBTC系統(tǒng)對無線數(shù)據(jù)的可靠性、安全性要求更高，必須采用雙網(wǎng)冗余的設(shè)置方式，信號專業(yè)獨立建設(shè)1套冗余無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。TD-LTE三網(wǎng)冗余承載傳輸網(wǎng)絡(luò)示意見圖3。

優(yōu)點：該方案中通信、信號2個系統(tǒng)在無線信息傳輸系統(tǒng)上完全獨立，工程安裝、調(diào)試以及后期的設(shè)備維護都相對獨立，降低了專業(yè)之間的依賴，在管理上更為便利。

缺點：增加了工程建設(shè)的成本，增加了無線頻帶資源的使用寬度。

為了滿足以上3 種方案的建設(shè)和使用需求，同時因1 765～1 785 MHz為中國電信的FDD-LTE上行頻段，1 805～1 830 MHz為中國移動的DCS下行頻段，考慮系統(tǒng)之間的影響應(yīng)降至最小，建議在市域快軌工程中，采用地下段按10 MHz+3 MHz、高架區(qū)間及地面區(qū)間按5 MHz+3 MHz的雙網(wǎng)方式組建無線綜合通信網(wǎng)，承載各專業(yè)的無線語音、數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成方案

基于TD-LTE技術(shù)的市域快軌無線綜合通信網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成包括：無線核心網(wǎng)服務(wù)器、基站（BBU）、軌旁無線設(shè)備（RRU）、無線車載終端（TAU）及漏纜、天線等（見圖4）。根據(jù)市域快軌的運輸特點，無線綜合通信網(wǎng)BBU按正線車站、車輛段、停車場等為單位進行設(shè)置，其無線核心網(wǎng)設(shè)備放置在控制中心機房內(nèi)。

3.3 無線信號覆蓋方案

市域快軌無線綜合通信網(wǎng)的無線場強覆蓋范圍包括全線各車站的站廳、出入口、設(shè)備區(qū)、站臺、地下隧道區(qū)間、高架區(qū)間，以及車輛段和停車場區(qū)域，可采用如下方式進行場強覆蓋：

圖2 TD-LTE雙網(wǎng)冗余傳輸網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖3 TD-LTE三網(wǎng)冗余承載傳輸網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖4 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成示意圖

（1）區(qū)間線路采用RRU+漏纜輻射方式進行場強覆蓋（見圖5），并可通過對無線參數(shù)優(yōu)化、增強TD-LTE信號強度、利用車輛的屏蔽作用等措施降低無線干擾[11]。

（2）車站、車輛段、停車場采用RRU+室內(nèi)全向天線覆蓋（見圖6）。

圖5 區(qū)間無線信號覆蓋方式

圖6 車站、車輛段、停車場無線信號覆蓋方式

4 結(jié)束語

市域快軌對建設(shè)基于TD-LTE技術(shù)的無線綜合通信網(wǎng)的需求十分迫切。在此，重點對業(yè)務(wù)需求分析、系統(tǒng)組網(wǎng)方案比選、無線信號覆蓋方案等進行研究，結(jié)合TD-LTE公網(wǎng)和行業(yè)專網(wǎng)的頻段分析，提出采用1 785～1 805 MHz頻段進行建設(shè)，可更加有效地解決專用頻率資源問題，還可大大減少工程投資。