肖賓杰

(隧道股份城建設(shè)計(jì)集團(tuán)， 200125， 上海//高級(jí)工程師)

通信系統(tǒng)承擔(dān)著現(xiàn)代有軌電車的信息采集、上傳、下發(fā)等數(shù)據(jù)通信功能，為混合路權(quán)條件下司機(jī)瞭望駕駛模式的安全運(yùn)營提供了可靠的信息保障。專用無線通信系統(tǒng)是通信系統(tǒng)的重要部分，完成現(xiàn)代有軌電車運(yùn)營方的固定用戶和移動(dòng)用戶之間的語音和數(shù)據(jù)信息交換，為現(xiàn)代有軌電車運(yùn)營及緊急狀態(tài)的調(diào)度、防災(zāi)、事故處理等提供語音及數(shù)據(jù)服務(wù)，其重要性突出。

無線通信技術(shù)發(fā)展迅速，有多種實(shí)現(xiàn)方案可供現(xiàn)代有軌電車選用。而現(xiàn)代有軌電車在運(yùn)營環(huán)境及信息傳輸需求上與傳統(tǒng)軌道交通有較大差異。為保證現(xiàn)代有軌電車安全、高密度、高效運(yùn)營，現(xiàn)代有軌電車選用的無線通信系統(tǒng)應(yīng)具有基本的通話及調(diào)度、數(shù)據(jù)通信、信息安全、錄音取證、網(wǎng)絡(luò)管理等功能。本文借鑒已建現(xiàn)代有軌電車無線通信系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)比分析不同無線通信系統(tǒng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合成都市現(xiàn)代有軌電車工程具體要求，提出具有技術(shù)先進(jìn)性的基于TD-LTE(時(shí)分雙工-長期演進(jìn))的現(xiàn)代有軌電車專用無線通信系統(tǒng)方案，為該技術(shù)在其他現(xiàn)代有軌電車工程的應(yīng)用提供參考。

1 現(xiàn)代有軌電車專用無線通信系統(tǒng)要求

通信系統(tǒng)承載現(xiàn)代有軌電車的運(yùn)營安全和乘客信息服務(wù)等數(shù)據(jù)傳輸，是現(xiàn)代有軌電車運(yùn)營的信息交互通信網(wǎng)絡(luò)[1-2]。其中，專用無線通信為現(xiàn)代有軌電車調(diào)度人員、列車司機(jī)、運(yùn)營管理和維保人員、場段范圍內(nèi)綜合管廊內(nèi)部空間提供語音和數(shù)據(jù)信息交換技術(shù)手段，完成無線調(diào)度通話、數(shù)據(jù)通信，以及傳輸車輛位置和運(yùn)營信息、服務(wù)信息等任務(wù)。當(dāng)有事故或通信異常時(shí)，可為防災(zāi)救災(zāi)、事故應(yīng)急提供無線通信服務(wù)。現(xiàn)代有軌電車專用無線通信系統(tǒng)既需要語音和數(shù)據(jù)信息交換功能完善可靠，也需要使用和維護(hù)方便[3-4]，實(shí)現(xiàn)通話、調(diào)度、數(shù)據(jù)傳輸、通話錄音、網(wǎng)絡(luò)管理和信息安全等基本功能。

成都市新建現(xiàn)代有軌電車項(xiàng)目需傳輸?shù)能嚨責(zé)o線信息包括語音調(diào)度、數(shù)據(jù)、視頻(車載視頻監(jiān)控、車載PIS(乘客信息系統(tǒng)))三大類。其帶寬需求如表1所示(上行帶寬共計(jì)2.55 Mbit/s；下行帶寬共計(jì)4.50 Mbit/s)。

表1 成都市新建現(xiàn)代有軌電車項(xiàng)目各類車地?zé)o線業(yè)務(wù)的帶寬需求

國家無線電管理委員會(huì)[2015]65號(hào)文件中明確劃定1.8 GHz頻段可應(yīng)用于城市軌道交通，滿足城市軌道交通的應(yīng)用需求。本工程擬采用1 790～1 795 MHz頻段，已申請(qǐng)5 Mbit/s帶寬建設(shè)無線寬帶網(wǎng)絡(luò)，滿足上行及下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

2 主流無線通信方案及分析

2.1 主流無線通信方案

在軌道交通領(lǐng)域，專用無線通信系統(tǒng)主要由窄帶數(shù)字集群系統(tǒng)(TETRA)和無線局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。TETRA負(fù)責(zé)語音調(diào)度業(yè)務(wù)，但不支持寬帶數(shù)據(jù)傳輸；無線局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)其他視頻、PIS等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。近期城市軌道交通開始采用具備調(diào)度呼叫功能的寬帶LTE系統(tǒng)。

在建或已運(yùn)營的現(xiàn)代有軌電車專用無線通信系統(tǒng)多數(shù)采用自建通信網(wǎng)的方式，其無線通信技術(shù)包括TETRA、Mcwill?、WLAN(無線局域網(wǎng))，或者相關(guān)組合方式；部分城市(如武漢大漢陽、上海松江)的現(xiàn)代有軌電車采用租用通信網(wǎng)絡(luò)方式(可為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、政務(wù)網(wǎng)、第三方自建等)。McWiLL?是北京信威公司自有的無線多媒體集群通信系統(tǒng)，通過碼擴(kuò)正交頻分多址(CS-OFDMA)實(shí)現(xiàn)可靠的無線數(shù)據(jù)和語音。采用租用公共移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)或政務(wù)專網(wǎng)，利用覆蓋范圍廣的公網(wǎng)系統(tǒng)，可使基建成本降低，無須考慮建設(shè)用地、建基站及布設(shè)天線，無需申請(qǐng)專用頻點(diǎn)；但不保證通信可靠性，且會(huì)產(chǎn)生租賃費(fèi)用。WLAN是由IEEE 802.11規(guī)定的無線通信系統(tǒng)。LTE采用OFDM(正交頻分復(fù)用)和MIMO(多輸入多輸出)，最大可提供下行100 Mbit/s和上行50 Mbit/s的峰值速率，并提供QoS(服務(wù)質(zhì)量)保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的質(zhì)量。

2.2 無線通信系統(tǒng)制式比較與分析

對(duì)LTE與McWiLL?、TETRA的技術(shù)參數(shù)及性能進(jìn)行比選，如表2所示。

由表2可知，McWiLL?具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可滿足現(xiàn)代有軌電車通信需求，但供貨商單一；TETRA技術(shù)成熟，滿足語音通話功能，需有數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)作為補(bǔ)充；TD-LTE是我國擁有核心自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第四代移動(dòng)通信技術(shù)，在速率、時(shí)延和頻譜利用率等方面具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，上下行寬帶可靈活配置，并能夠保證在高速移動(dòng)時(shí)的通信效果。目前，我國軌道交通協(xié)會(huì)推薦LTE系統(tǒng)，該系統(tǒng)經(jīng)擴(kuò)展后，可同時(shí)承載語音集群調(diào)度和PIS視頻車地?zé)o線傳輸；可針對(duì)不同業(yè)務(wù)指定不同的業(yè)務(wù)等級(jí)，保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的資源和性能，實(shí)現(xiàn)與信號(hào)共用網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)代有軌電車自建TD-LTE專用無線通信是一種兼具先進(jìn)性和實(shí)用性的方案。

3 基于TD-LTE的現(xiàn)代有軌電車無線通信系統(tǒng)方案

TD-LTE在我國已開通超過50萬個(gè)基站，覆蓋大多數(shù)城市。鄭州地鐵LTE系統(tǒng)承載PIS和車載CCTV(閉路電視)視頻流實(shí)時(shí)傳輸，10 MHz頻寬下可支持上行6 Mbit/s、下行8 Mbit/s的并發(fā)業(yè)務(wù)。烏魯木齊市軌道交通(在建)采用1.8 GHz頻段20 M帶寬承載CBTC(基于通信的列車控制)、PIS等無線通信業(yè)務(wù)。

表2 LTE、McWiL?與TETRA技術(shù)參數(shù)及性能比較

現(xiàn)代有軌電車對(duì)安全運(yùn)營生產(chǎn)業(yè)務(wù)的需求不斷增多，對(duì)車地通信功能和性能要求不斷提升，基于TD-LTE的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用業(yè)績及新的規(guī)范要求，本工程設(shè)計(jì)基于LTE系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車地之間的實(shí)時(shí)信息交換，為現(xiàn)代有軌電車調(diào)度和相關(guān)業(yè)務(wù)提供無線通信、數(shù)據(jù)傳輸及語音集群調(diào)度等服務(wù)。

3.1 系統(tǒng)方案

3.1.1 總體方案設(shè)計(jì)

成都市現(xiàn)代有軌電車工程線路呈Y型布局，線路全長約39.0 km，設(shè)車站46座(其中高架站1座)。全線設(shè)定修段1處，停車場2處。該工程基于TD-LTE設(shè)計(jì)的無線通信系統(tǒng)，承載集群、CBTC、PIS(含車載CCTV)等業(yè)務(wù)。無線集群調(diào)度覆蓋范圍為：正線全線(含車站、變電所等)、車輛段(場)內(nèi)室外部分和各庫內(nèi)區(qū)域，以及場段內(nèi)的綜合管廊內(nèi)部空間。無線通信車地系統(tǒng)通過BBU(基帶處理單元)+RRU(射頻單元)的組網(wǎng)方式，采用定向天線，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路區(qū)間、車輛段、庫內(nèi)區(qū)域和場段內(nèi)綜合管廊內(nèi)部空間等區(qū)域的全覆蓋。

3.1.2 系統(tǒng)組成

本工程TD-LTE車地?zé)o線寬帶系統(tǒng)平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)，由核心網(wǎng)絡(luò)層、無線匯聚層和接入層組成，如圖1所示。

在控制中心機(jī)房布置核心網(wǎng)設(shè)備，其與中心服務(wù)器、視頻服務(wù)器通過以太網(wǎng)交換機(jī)接口，接收視頻信息，將相關(guān)信息通過TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)搅熊嚿?。核心網(wǎng)設(shè)備包括LTE核心網(wǎng)、LTE網(wǎng)管、調(diào)度服務(wù)器、調(diào)度臺(tái)、錄音服務(wù)器、CCTV地面服務(wù)器、PIS地面服務(wù)器等。

無線匯聚層負(fù)責(zé)沿線LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋，包含BBU和RRU，覆蓋站臺(tái)周邊區(qū)域。BBU設(shè)在變電所；RRU采用2通道射頻單元，針對(duì)軌道交通線路進(jìn)行無縫網(wǎng)絡(luò)覆蓋。沿線軌道交通區(qū)間和停車場部署TD-LTE分布式基站的RRU。RRU通過光纖鏈路遠(yuǎn)程與BBU連接。停車場因區(qū)域面積大、縱列車線多，采用板狀定向天線方案覆蓋。

接入層包含車載子系統(tǒng)和集群手持終端。車載子系統(tǒng)由車載終端、車載天線、車載交換機(jī)和合路器等主設(shè)備組成。在每列車的車頭、車尾各設(shè)置 1 套車載終端(車載臺(tái)或接收終端)，分別用于列車的調(diào)度和數(shù)據(jù)通信。車載合路器與車載終端共用車載天線，實(shí)現(xiàn)語音集群功能。其中，車載終端通過車載交換機(jī)與車載控制器和LCD(液晶顯示)控制器相連，接收由控制中心提供的實(shí)時(shí)視頻信息，并向控制中心發(fā)送實(shí)時(shí)的車廂監(jiān)控信息。車頭車尾兩臺(tái)車載終端構(gòu)成主備關(guān)系，主備終端之間通過心跳協(xié)商工作，向車內(nèi)PIS設(shè)備的網(wǎng)關(guān)提供連接服務(wù)。車載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)功能要求

本工程的TD-LTE系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)車地之間的實(shí)時(shí)信息交換功能，提供無線通信、數(shù)據(jù)傳輸及語音集群調(diào)度等服務(wù)，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自檢、校時(shí)、數(shù)據(jù)通信、語音集群調(diào)度、特殊位置提示、車輛行駛監(jiān)視、緊急報(bào)警處理、音視頻傳輸、報(bào)警聯(lián)動(dòng)、數(shù)據(jù)安全、斷電保護(hù)等功能。

3.2.1 通話功能

系統(tǒng)的無線集群調(diào)度利用靈活的編組功能，把整個(gè)專用無線通信系統(tǒng)劃分成行車調(diào)度無線通信子系統(tǒng)、車輛段無線通信子系統(tǒng)、維修調(diào)度無線通信子系統(tǒng)、防災(zāi)調(diào)度無線通信子系統(tǒng)、停車場無線通信子系統(tǒng)。行車調(diào)度員與列車司機(jī)之間的通話具有最高優(yōu)先級(jí)，通信時(shí)刻保持連續(xù)，不會(huì)有任何中斷，系統(tǒng)保證其具有高可靠性，并且具有強(qiáng)插和強(qiáng)拆功能。

3.2.2 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載

系統(tǒng)具備完善的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載功能，安全可靠性高，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端之間、移動(dòng)終端和固定用戶之間的狀態(tài)信息、短信、調(diào)度信息、PIS信息、圖像監(jiān)控信息等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸。其中，數(shù)據(jù)傳輸功能包括終端和終端之間、終端和調(diào)度臺(tái)之間的雙向中文短數(shù)據(jù)收發(fā)，要求接收方收到數(shù)據(jù)后立即回復(fù)確認(rèn)消息；狀態(tài)消息功能應(yīng)使集群系統(tǒng)中終端和終端、終端與調(diào)度員之間能簡單且可靠地傳輸數(shù)字編碼格式的信息。此外，本系統(tǒng)可通過調(diào)度服務(wù)器利用信號(hào)系統(tǒng)接口接收和處理列車位置信息。

3.2.3 PIS

PIS業(yè)務(wù)主要提供乘車須知、列車服務(wù)時(shí)間、列車到站時(shí)間、管理者公告等運(yùn)營信息，以及媒體新聞、賽事直播、廣告信息等。PIS業(yè)務(wù)傳輸?shù)膱D像分為標(biāo)清或高清的視頻，傳輸速率為下行2～8 Mbit/s，采用組播技術(shù)極大節(jié)省空口帶寬資源。PIS服務(wù)器通過交換機(jī)、路由器與LTE的核心網(wǎng)對(duì)接，車載PIS 控制主機(jī)通過車載交換機(jī)與車載終端對(duì)接，實(shí)現(xiàn)地面視頻或圖像信息通過廣播或者組播傳輸?shù)杰噹麅?nèi)進(jìn)行播放。

3.2.4 視頻監(jiān)控信息

控制中心CCTV服務(wù)器通過交換機(jī)、路由器與LTE的核心網(wǎng)對(duì)接，車載PIS 控制主機(jī)通過車載交換機(jī)與車載終端對(duì)接，實(shí)現(xiàn)列車駕駛室、列車車廂的視頻監(jiān)控圖像通過無線方式實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇刂浦行幕虻孛姹O(jiān)控站。每路監(jiān)控視頻傳輸速率至少2 Mbit/s ，保證上傳1路監(jiān)控視頻，以進(jìn)行集中監(jiān)控。

3.2.5 系統(tǒng)安全和質(zhì)量保證措施

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上述無線通信、數(shù)據(jù)傳輸及語音集群調(diào)度等主要功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)PIS和1路車載視頻傳輸業(yè)務(wù)；利用專用無線通信完成包括系統(tǒng)自檢、校時(shí)、數(shù)據(jù)通信、語音集群調(diào)度、特殊位置提示、車輛行駛監(jiān)視等功能。系統(tǒng)采取端到端加密和高度完整性保護(hù)實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用間安全保證，提供高保密度無線寬帶數(shù)據(jù)通信服務(wù)。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全包依據(jù)3GPP LTE網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)，包括網(wǎng)絡(luò)接入安全、網(wǎng)絡(luò)域安全、用戶域安全等。其中入侵測(cè)試通過收集和分析網(wǎng)絡(luò)行為、安全日志、審計(jì)數(shù)據(jù)、其它網(wǎng)絡(luò)上可獲得的信息以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中若干關(guān)鍵點(diǎn)的信息，檢查網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)中是否存在違反安全策略的行為和被攻擊的跡象。在控制中心設(shè)置一套防病毒設(shè)備。

不同應(yīng)用間的業(yè)務(wù)質(zhì)量保證基于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)9個(gè)QoS分類級(jí)別(QCI)，根據(jù)QCI進(jìn)行資源分配和調(diào)度，其中優(yōu)先級(jí)越高者優(yōu)先保障資源分配和調(diào)度。系統(tǒng)可以根據(jù)不同業(yè)務(wù)的QoS要求，進(jìn)行不同的QoS參數(shù)配置，并映射到不同的QCI上，以保障不同業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)別。最終，利用無線寬帶系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車地之間的實(shí)時(shí)信息交換功能，為有軌電車調(diào)度和相關(guān)業(yè)務(wù)提供無線通信、數(shù)據(jù)傳輸及語音集群調(diào)度等服務(wù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)包括系統(tǒng)自檢、校時(shí)、數(shù)據(jù)通信、語音集群調(diào)度、特殊位置提示、車輛行駛監(jiān)視、緊急報(bào)警處理、音視頻傳輸、報(bào)警聯(lián)動(dòng)、數(shù)據(jù)安全、斷電保護(hù)等功能。

3.3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

行車調(diào)度、車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)、車載監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性以及視頻圖像的播放質(zhì)量要求高。LTE網(wǎng)絡(luò)選擇專用頻段，同時(shí)利用專有抗干擾技術(shù)，來降低其他無線信號(hào)對(duì)車地通信網(wǎng)絡(luò)的影響。系統(tǒng)采用冗余覆蓋，每個(gè)RRU帶2個(gè)天線，分別覆蓋線路的兩側(cè)，整個(gè)線路區(qū)間全部由2個(gè)RRU信號(hào)進(jìn)行覆蓋，以保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性。現(xiàn)代有軌電車車站距離較近(1 km左右)，全線環(huán)境以地面居多、有少量高架段，采用天線覆蓋的方式。冗余覆蓋如圖3所示。覆蓋站點(diǎn)按照覆蓋區(qū)域選點(diǎn)分布，如圖4所示。

圖3 TD-LTE網(wǎng)絡(luò)冗余覆蓋

△為車站，°為RRU站點(diǎn)

4 結(jié)語

本文根據(jù)現(xiàn)代有軌電車運(yùn)營需求和功能要求，結(jié)合現(xiàn)有無線通信技術(shù)，比較分析主流無線通信方式的優(yōu)勢(shì)及不足，并以成都市現(xiàn)代有軌電車工程為例，提出適合現(xiàn)代有軌電車運(yùn)營需求的基于TD-LTE專用無線通信系統(tǒng)方案。該方案的專用無線通信業(yè)務(wù)承載了專業(yè)語音集群、視頻數(shù)據(jù)傳輸、車載PIS等信息，可作為現(xiàn)代有軌電車專用無線通信的有效解決方案。該方案已在成都市現(xiàn)代有軌電車項(xiàng)目中實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了調(diào)度語音、行車數(shù)據(jù)、故障信息傳輸，為現(xiàn)代有軌電車高效、安全運(yùn)營提供了技術(shù)保障。本文提出的方案也可為類似現(xiàn)代有軌電車工程提供借鑒和參考。