侯禮舉

（北京通號(hào)國(guó)鐵城市軌道技術(shù)有限公司，北京100070）

城市軌道交通車地?zé)o線通信技術(shù)應(yīng)用發(fā)展方向

侯禮舉

（北京通號(hào)國(guó)鐵城市軌道技術(shù)有限公司，北京100070）

目前的城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)存在多系統(tǒng)、多制式、多網(wǎng)并存等現(xiàn)象,給運(yùn)營(yíng)和使用帶來(lái)一系列問(wèn)題。經(jīng)分析和研究，可采用第4代移動(dòng)通信技術(shù)(4G)，利用LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))作為傳輸平臺(tái)，發(fā)揮其一系列問(wèn)題先進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一整合，實(shí)現(xiàn)共網(wǎng)傳輸，即綜合承載理念。

車地?zé)o線通信；LTE；綜合承載

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.061

1 引言

在當(dāng)今城市軌道交通領(lǐng)域中，為滿足運(yùn)營(yíng)的各種需求，保證列車的正常運(yùn)行，列車與地面要保持連續(xù)的通信和聯(lián)系，即車地?zé)o線通信系統(tǒng)。在整個(gè)軌道交通體系中，各系統(tǒng)根據(jù)自身的功能需求，有獨(dú)立的車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)，如信號(hào)系統(tǒng)、列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)、CCTV、PIS系統(tǒng)等。

由于受無(wú)線頻譜資源和無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體制限制，既有車地通信系統(tǒng)通常采用公用的開放頻段（ISM2.4GHz），存在易受干擾、穩(wěn)定性差、傳輸帶寬小、無(wú)QoS機(jī)制、漫游切換頻繁等問(wèn)題，從而導(dǎo)致信息傳輸質(zhì)量較差，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)通信中斷、延時(shí)等現(xiàn)象，進(jìn)而出現(xiàn)系列問(wèn)題，比如信號(hào)系統(tǒng)緊急停車，PIS系統(tǒng)圖像不連續(xù)、馬賽克嚴(yán)重、播放畫面不連續(xù)等系列問(wèn)題，影響了正常的運(yùn)營(yíng)。另外，由于各系統(tǒng)獨(dú)立組網(wǎng)，造成了重復(fù)投資、浪費(fèi)資源、施工維修困難等。隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化和智能化建設(shè)的快速發(fā)展，急需采用一種新的技術(shù)方案，以解決既有車地?zé)o線通信存在的問(wèn)題和不足。

2 城市軌道交通車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)介紹

2.1 CBTC系統(tǒng)

CBTC（基于通信的列車控制系統(tǒng)）是目前城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)主要采用的制式，通過(guò)車地?zé)o線通信系統(tǒng)進(jìn)行列車與地面的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行的自動(dòng)控制和調(diào)度，主要功能有ATS（列車自動(dòng)監(jiān)控）、ATP（列車自動(dòng)防護(hù)）和ATO（列車自動(dòng)運(yùn)行）。CBTC是城市軌道交通自動(dòng)化體系中的關(guān)鍵系統(tǒng)，對(duì)保證列車運(yùn)行安全、提高列車運(yùn)行效率起著重要的作用。

車地?zé)o線通信是連續(xù)的、雙向的，車地通信分為地-車信息傳輸（下行）和車-地信息傳輸（上行）。其中，車對(duì)地（上行）的傳輸信息包括：列車ID、列車位置、列車運(yùn)行速度、列車運(yùn)行方向、設(shè)備告警等信息；地對(duì)車（下行）的傳輸信息包括：列車ID、前方進(jìn)路數(shù)等信息。CBTC車地通信是一個(gè)安全苛求系統(tǒng)，為保證車地通信數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)采用了雙環(huán)網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)，無(wú)線覆蓋采用了完全雙層覆蓋方式。

2.2 列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)傳感器采集列車電流、電壓、軸溫、車下轉(zhuǎn)向架、車輛一/二系懸掛系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器等設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)，并通過(guò)車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到地面監(jiān)測(cè)中心，上行傳輸速率為100kbps，地面監(jiān)測(cè)中心通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程故障診斷功能。

2.3 無(wú)線列車調(diào)度系統(tǒng)

城市軌道交通無(wú)線列車調(diào)度系統(tǒng)為控制中心調(diào)度員、車輛段調(diào)度員、車站值班員等固定用戶與列車司機(jī)、防災(zāi)、維修等移動(dòng)用戶之間提供迅速、有效的通信手段，是提高運(yùn)輸效率、確保行車安全及應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的必要保障。

在城市軌道交通的無(wú)線列車調(diào)度系統(tǒng)中，車地之間（上行），地車之間（下行），主要都是傳輸語(yǔ)音信息，要求上下行傳輸速率為100kbps。

2.4 CCTV系統(tǒng)

CCTV（視頻監(jiān)控系統(tǒng)）概括的來(lái)說(shuō)就是將列車駕駛室、列車車廂的視頻監(jiān)控圖像通過(guò)無(wú)線的方式傳輸?shù)娇刂浦行?，進(jìn)行集中監(jiān)視，也可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)監(jiān)控錄像傳送到地面監(jiān)控站進(jìn)行監(jiān)控。通過(guò)車地之間的視頻傳輸，地面控制中心可以實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛室、設(shè)備間、車廂等重點(diǎn)區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控，保障列車運(yùn)行安全和旅客人身安全，滿足運(yùn)營(yíng)的需求。

CCTV系統(tǒng)需要具有多路畫面實(shí)時(shí)錄像、多路畫面實(shí)時(shí)顯示以及根據(jù)需要靈活設(shè)置圖像壓縮質(zhì)量和錄像存儲(chǔ)等功能。圖像信息傳輸都從車廂傳到地面，是上行業(yè)務(wù)，下行業(yè)務(wù)只有一些視頻控制命令。上行業(yè)務(wù)的傳輸速率決定于圖像的壓縮格式、攝像機(jī)數(shù)量和攝像機(jī)類型，一般不大于4Mbps。

2.5 PIS系統(tǒng)

PIS（乘客信息系統(tǒng)）是一個(gè)多媒體咨詢發(fā)布、播控與管理的平臺(tái)，可在多種顯示終端上顯示多種類型的、多信息源的、平行的、分區(qū)的、帶優(yōu)先級(jí)的信息。PIS可以向乘客發(fā)布更直觀、更形象的各種有用信息，可以提供列車到發(fā)時(shí)間、轉(zhuǎn)播電視節(jié)目、播放監(jiān)視畫面，為乘客提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，提高運(yùn)營(yíng)的整體水平。

PIS的數(shù)據(jù)傳輸由地面將視頻、圖像信息通過(guò)PIS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)杰噹麅?nèi)顯示屏進(jìn)行播放，所有的數(shù)據(jù)傳輸都是下行傳輸，一般傳輸?shù)男畔⒍际歉咔逡曨l。

緊急文本信息用于城市軌道交通路網(wǎng)異常情況下的乘客通知，可在PIS系統(tǒng)的顯示終端上顯示。緊急文本是數(shù)據(jù)量很小的文本信息。

2.6 城市軌道交通車地?zé)o線通信帶寬

根據(jù)中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)技術(shù)裝備專業(yè)委員會(huì)2015年發(fā)布的《城市軌道交通CBTC信號(hào)系統(tǒng)行業(yè)技術(shù)規(guī)范－數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)規(guī)范》6.1.2.2節(jié)，“在非切換區(qū)域，CBTC業(yè)務(wù)的單列車無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信息傳輸上下行總速率不小于1Mbps”，因此CBTC業(yè)務(wù)傳輸速率需求為1Mbps，上下行按各512kbps考慮，另綜合考慮其它系統(tǒng)業(yè)務(wù)，城市軌道交通車地?zé)o線通信需求見表1。

表1 城市軌道交通車地?zé)o線通信需求

通過(guò)上表可知，在上述各系統(tǒng)業(yè)務(wù)并發(fā)情況下，在一個(gè)無(wú)線覆蓋區(qū)內(nèi)，目前城市軌道交通車地?zé)o線通信容量總體需求為上行8.2Mbps左右，下行12.8Mbps左右。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析，如果采用專用無(wú)線頻段和先進(jìn)的車地?zé)o線通信技術(shù)，在滿足軌道交通運(yùn)營(yíng)需求的情況下，可將上述各種車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)整合，實(shí)現(xiàn)綜合承載，以解決既有車地?zé)o線通信系統(tǒng)中存在的問(wèn)題和不足。

3 城市軌道交通車地?zé)o線通信新技術(shù)應(yīng)用可行性分析

3.1 專用無(wú)線頻段介紹

根據(jù)工業(yè)與信息化部發(fā)布無(wú)[2015]65號(hào)文件“關(guān)于重新發(fā)布1785-1805MHz頻段無(wú)線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知”，該文件明確指出城市軌道交通行業(yè)專用通信可以使用該頻段，為解決城市軌道交通車地通信專用頻率問(wèn)題的提供了依據(jù)。

主要無(wú)線技術(shù)參數(shù)如下：

1）頻率范圍：1785～1805MHz；

2）雙工方式：時(shí)分雙工（TDD）；

3）信道帶寬：250kHz、500kHz、1MHz、1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz。

由上述得知，1785～1805MHz頻段為專用無(wú)線頻段，可以應(yīng)用于城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)，使用時(shí)須向省級(jí)無(wú)線電管理機(jī)構(gòu)申請(qǐng)。文件中還規(guī)定雙工方式為時(shí)分雙工和信道帶寬，LTE技術(shù)的帶寬包含在內(nèi)（黑體部分）。因此，結(jié)合時(shí)分雙工方式，該頻段可以采用TD-LTE技術(shù)。

3.2 TD-LTE技術(shù)介紹

LTE是第四代移動(dòng)通信技術(shù)(4G)，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了350km時(shí)速情況下的無(wú)線傳輸性能、完善的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)策略（支撐不同優(yōu)先級(jí)的多業(yè)務(wù)）、實(shí)時(shí)性和高吞吐率并具備高安全性和高可靠性的特點(diǎn)。同時(shí)，TD-LTE是我國(guó)擁有核心自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)際通信標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，已經(jīng)在我國(guó)大規(guī)模商用，有較成熟的產(chǎn)業(yè)鏈。

3.2.1 系統(tǒng)基本信息

LTE基本信息如表2所示，包括頻率和帶寬信息等。

表2 LTE系統(tǒng)基本信息

3.2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

LTE按照網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分：核心控制系統(tǒng)、車站無(wú)線接入系統(tǒng)、車載終端系統(tǒng)。LTE技術(shù)構(gòu)成示意圖見圖1（核心系統(tǒng)可按冗余配置）：

圖1 LTE構(gòu)成示意圖

3.2.3 系統(tǒng)組網(wǎng)方式

LTE能夠支持多種專網(wǎng)頻段及快速定制服務(wù)，并且支持網(wǎng)絡(luò)IP化，以及星型、鏈型、樹型多樣化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，滿足地鐵環(huán)境中寬帶化、運(yùn)行高速化、容量大、覆蓋廣、吞吐量高的需求，確保列車在0～120km/h的移動(dòng)場(chǎng)景下吞吐率>60Mbps，平均下行速率>40Mbps，平均上行速率>20Mbps，并提供豐富的傳輸接口，如：FE/GE電口、FE/GE光口、E1/T1接口。采用扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)少，傳輸時(shí)延<50ms。

3.2.4 無(wú)線覆蓋方式

LTE的無(wú)線覆蓋方式可采用漏泄電纜和無(wú)線覆蓋方式。漏纜覆蓋方式具有無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)可預(yù)算、場(chǎng)強(qiáng)覆蓋均勻穩(wěn)定等特點(diǎn)；無(wú)線覆蓋方式具有安裝靈活，適合于場(chǎng)站線路較復(fù)雜的地域。具體采用何種覆蓋方式，應(yīng)與工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求情況確定。

3.2.5 LTE系統(tǒng)性能和特點(diǎn)

1）先進(jìn)的基站平臺(tái)、平滑演進(jìn)

TDLTE與GSM/UMTS/CDMA/WiMAX共享第四代基站的硬件平臺(tái)、硬件設(shè)備，技術(shù)能力共享，確保TD-LTE專網(wǎng)技術(shù)演進(jìn)。

2）容量大、覆蓋廣、吞吐量高、切換快

TD-LTE系統(tǒng)容量大，可支持多個(gè)系統(tǒng)的無(wú)線通信業(yè)務(wù)的統(tǒng)一整合和綜合承載，包括數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和圖像等各種信息，平均下行速率>40Mbps，平均上行速率>20Mbps。

TD-LTE系統(tǒng)覆蓋廣，通過(guò)多天線接收分集、上行ICIC等特性實(shí)現(xiàn)最大支持15km的小區(qū)覆蓋。

系統(tǒng)采用特有的針對(duì)移動(dòng)場(chǎng)景的算法，實(shí)現(xiàn)快速的跨區(qū)切換，漫游時(shí)間小于100ms，傳輸延遲小于50ms。

3）完善的IP傳輸機(jī)制

LTE提供9級(jí)QoS保障機(jī)制，通過(guò)多種QoS機(jī)制保證傳輸QoS目標(biāo)，提供盡可能高的容量、實(shí)現(xiàn)差異化服務(wù)，保證優(yōu)先級(jí)最高的業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)能夠優(yōu)先傳輸?shù)竭_(dá)目的地，不會(huì)出現(xiàn)傳輸中斷或數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。

4）簡(jiǎn)化工程、易部署

TD-LTE設(shè)備體積小，重量輕，便于搬運(yùn)，支持分散安裝實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)景無(wú)縫覆蓋，無(wú)需大規(guī)模建設(shè)工程?？蓪?shí)現(xiàn)各系統(tǒng)共建共享，保護(hù)投資。

3.3 TD-LTE綜合承載通信性能測(cè)試結(jié)果

201 4年，由北京地鐵、北京交通大學(xué)、通號(hào)設(shè)計(jì)院、華為公司、中興公司等單位完成的TD-LTE系統(tǒng)通信性能測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 TD-LTE綜合承載通信性能測(cè)試結(jié)果

根據(jù)目前各系統(tǒng)車地?zé)o線通信需求，并考慮今后的技術(shù)發(fā)展，CBTC、CCTV和PIS系統(tǒng)綜合承載時(shí)需要15MHz頻寬，再結(jié)合表1中的各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可以看出，TD-LTE的15MHz頻寬的吞吐量（上行11Mbps，下行19Mbps）滿足綜合承載所需的傳輸速率（上行8.2Mbps，下行12.8Mbps）。因此，通過(guò)采用專用無(wú)線頻段和LTE通信技術(shù)，可對(duì)各種車地通信業(yè)務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一整合，實(shí)現(xiàn)綜合承載，此方案是可行的。

3.4 應(yīng)用情況介紹

目前國(guó)內(nèi)正在建設(shè)的許多城市軌道交通項(xiàng)目中，已開始應(yīng)用LTE技術(shù)對(duì)車地?zé)o線通信系統(tǒng)進(jìn)行整合，采用綜合承載方案，如鄭州地鐵2號(hào)線和烏魯木齊地鐵1號(hào)線，采用CBTC+PIS綜合承載；青島地鐵R5線采用CBTC+PIS+CCTV綜合承載方案。

4 結(jié)論

隨著城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，采用LTE移動(dòng)通信技術(shù)整合統(tǒng)一車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)綜合承載，符合未來(lái)軌道交通智能化、集成化、節(jié)省投資、方便維護(hù)的建設(shè)方向，在今后的城市軌道交通建設(shè)中，具有廣闊的應(yīng)用前景。

【1】尹?？?TD-LTE無(wú)線通信系統(tǒng)在鐵路上的應(yīng)用[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù),2013,10(3):1-5.

【2】劉寶昌，胡恒杰，朱強(qiáng).TD-LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃研究[J].電氣工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2010,23（1）：12-13.

【3】李新.TD-LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋特性淺析[J].電信科學(xué)，2009(1):43-47.

Application Development Direction of Train-station Wireless Communication Technology inUrban Rail Transit

HOULi-ju
（BeijingUrbanTransitTechnologyCo.Ltd.,Beijng100070,China）

Multi system,multi-standard, multi-network are coexisting in the current train-station wireless communication system of urban rail transit has multi-system, bringing operations and the useage a range of issues. Through analysising and researching, we can adopt the fourth generation mobile communication technology (4G), aswell as use the LTE (LongTermEvolution) as the transport platformto play its advantage,finally integrate the train-station wirelesscommunicationbusiness,toachieveatotalnettransfers,namelyintegratedbearingconcept.

train-stationwirelesscommunication;LTE;integratedbearing

U285.21

B

1007-9467（2016）07-0095-03

2016-6-7

侯禮舉（1966～），男，山東泰安人，工程師，從事軌道交通通信信號(hào)工程技術(shù)研究，（電子信箱）hlj6609@sina.com。