深圳地鐵無線通信系統(tǒng)現(xiàn)狀及新建工程方案的思考

■ 謝建良

深圳地鐵無線通信系統(tǒng)現(xiàn)狀及新建工程方案的思考

■ 謝建良

以深圳地鐵為背景，從設計角度論述我國地鐵無線通信技術應用現(xiàn)狀，指出模擬技術與數(shù)字技術應用于窄帶語音和寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務的特點與適應性；針對新技術發(fā)展趨勢提出新建地鐵工程無線系統(tǒng)建設模式的相關建議。

深圳地鐵；無線通信；車地無線通信；LTE

1 深圳地鐵概況

1.1 線網(wǎng)狀況

自2004年底開通第一條線路至2016年10月，深圳市已開通運營地鐵線路1、2、3、4、5、7、9、11號共8條線路，三期工程開通了軌道交通線網(wǎng)指揮中心（NOCC），深圳地鐵規(guī)模與開通歷程見表1。

1.2 無線通信系統(tǒng)現(xiàn)狀

期建成的竹子林車輛段采用450 M Hz專用頻道無線調車系統(tǒng)，車站（站場）采用400 MH z模擬或數(shù)字對講系統(tǒng)，正線采用800 MHz數(shù)字集群無線列調系統(tǒng)，普速列車區(qū)間采用2．4G/無線局域網(wǎng)（WLAN），高速列車車地無線信號及乘客信息系統(tǒng)（PIS）采用1．8G/時分長期演進技術（TD-LTE）。深圳地鐵已開通的8條線路無線通信系統(tǒng)承載的業(yè)務內容豐富，包括無線列調（語音）、短消息及應急信息（低速數(shù)據(jù)）、基于通信的列車控制（CBTC）數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)、視頻監(jiān)控（CCTV）圖像、PIS媒體流等。深圳地鐵線路無線通信系統(tǒng)應用現(xiàn)狀見表2。深圳地鐵800M數(shù)字集群無線列調系統(tǒng)已于2011年6月三期工程開通前實現(xiàn)了互聯(lián)互通，移動用戶可被授權后在線網(wǎng)內漫游通信。

表1 深圳地鐵規(guī)模與開通歷程（截至2016年10月）

2 無線通信技術與業(yè)務帶寬

深圳地鐵無線通信系統(tǒng)建設初期是為了解決行車調度員與司機之間的通話（語音無線列調）功能，語音無線列調是行車指揮的重要手段，車地數(shù)據(jù)業(yè)務采用軌道電路傳輸。

2.1 語音無線列調

模擬調頻技術（FM）是最基本的無線調制技術，一路語音信號占用25 kHz的頻寬，當有多個信道就需要配置更多的頻率資源，竹子林配置3個450M頻點用于3組用戶組，即“獨立信道”模式。模擬調頻技術是頻率利用率較低的調制技術[3]。

模擬集群系統(tǒng)是將一組F M信道提供給多個用戶共用，模擬集群系統(tǒng)采用頻分復用方式（FDMA），在技術上比獨立信道方案提高了信道利用率，與獨立信道方案比較其頻率資源利用率并沒有提高。深圳地鐵一期工程在工可研階段（1998年）受限于當時技術水平，正線無線列調系統(tǒng)采用獨立信道方案。

表2 深圳地鐵線路無線通信系統(tǒng)應用現(xiàn)狀

隨著無線通信技術從模擬技術向數(shù)字化方向發(fā)展，多信道語音集群系統(tǒng)開始被廣泛應用，即“行調”“環(huán)調”“維調”“場調”“警用”等各類語音用戶共用基于語音集群的無線列調系統(tǒng)。數(shù)字集群系統(tǒng)可以根據(jù)需要劃分不同的通話組、優(yōu)先級，如正線司機組、車站行車組、車輛段調車組等。2000年末，我國信息產(chǎn)業(yè)部正式發(fā)布的《數(shù)字集群移動通信系統(tǒng)體制》行業(yè)推薦標準，參照國際標準TETRA（體制A）和美國國家標準iDEN（體制B），確定了2種集群通信體制。后來又加入了我國自主的GoTa和GT800兩種體制。在深圳地鐵一期工程設計過程中，充分調研、跟蹤數(shù)字集群技術的發(fā)展，并對組建數(shù)字集群系統(tǒng)進行了充分的方案論證，最終深圳市地鐵集團有限公司以地鐵技函［2001］116號正式予以批準，在招標中選擇諾基亞公司的TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)[3]。

無線列調語音處理技術從最基本的模擬語音調頻FM/25 kHz頻寬發(fā)展到數(shù)字化編碼語音PCM/64 kb/s、數(shù)碼化語音IP/16 kb帶寬等幾個階段，典型技術有碼分多址技術（CDMA）、正交頻分多址復用技術（OFDM）等，以及多種技術的融合發(fā)展。第四代可演進的無線通信技術4G-LTE繼承了以上各種先進技術，在智能化頻譜利用和高帶寬、多業(yè)務融合方面具有突出優(yōu)勢，是未來地鐵無線通信系統(tǒng)向寬帶化、多業(yè)務綜合承載的發(fā)展方向。

數(shù)字集群窄帶語音無線調度系統(tǒng)呼叫功能有個呼、組呼、群呼、用戶優(yōu)先級等，網(wǎng)絡功能有單站模式、脫網(wǎng)直呼模式、大區(qū)制組網(wǎng)等。深圳地鐵陸地數(shù)字集群無線系統(tǒng)TETRA新技術的采用解決了語音無線列調系統(tǒng)對呼叫即時性和分組靈活性的要求，車站基站配置2個載頻7話路，可高效利用頻率資源。

（1）呼叫即時性。行調呼叫司機和司機呼叫行調必須快速接通，調度員應具有強插/強拆功能，司機應具備緊急呼叫功能，TETRA的本局呼叫建立時延小于300 ms，滿足專用調度系統(tǒng)即時性要求。

（2）分組靈活性。地鐵無線通信典型用戶組有正線行車組、車輛段/停車場調車組、防災組、維修組等，每個無線用戶可以根據(jù)需要同時編入多個組別，無線用戶分為調度臺、固定臺、車載臺、便攜臺類型。典型的列車無線調度分組見表3。

（3）頻率資源利用。專用頻道方案用戶組與頻點一一對應，在有限的頻率資源下提供信道數(shù)少、頻率利用率低，頻分制技術每話路信道占用頻率寬度為25 kHz。一期工程竹子林車輛段采用3頻點專用頻道無線通信方案，專用頻道頻率配置見圖1。

TETRA載頻信道供正線行調組、上行列車組、下行列車組等用戶共用，載頻信道配置見圖2。

（4）基站與無線小區(qū)設置。深圳地鐵車站均設置TETRA基站，組網(wǎng)方式為小區(qū)制，車站及相鄰半個區(qū)間規(guī)劃為1個無線小區(qū)。深圳地鐵線網(wǎng)中站間距最小約500 m，最大7 km以上。小區(qū)制組網(wǎng)方式存在基站話務量不均勻、基站饋出功率差異性懸殊、小區(qū)邊緣控制及切換困難等弊端。BS基站設置與信號覆蓋范圍見圖3。

小區(qū)制系統(tǒng)結構簡單但成本高，對于用戶數(shù)量較少的車站，其基站信道利用率低。ATO和無人駕駛線路對無線列調話音通話需求相對較少，在此前提下可否考慮大區(qū)制組網(wǎng)方案值得設計研究部門探討。總之，大區(qū)制節(jié)省投資、更節(jié)能環(huán)保，可避免小區(qū)制短區(qū)間需增加功率衰減器以控制小區(qū)邊緣場強的麻煩。

表3 典型列車無線調度分組

圖1 專用頻道頻率配置

（5）頻率申請與防干擾。常規(guī)頻分制和數(shù)字集群無線系統(tǒng)的主要干擾來自同頻干擾，相鄰基站必須采用不同的和無三階互調的頻率才能避免同頻干擾和三階互調干擾。深圳地鐵沿線基站頻率配置采用三頻組方式，即A-B-C-A-B-C 3種不同頻率組重復分配指定給各相鄰基站，A頻率組有多對頻率組成，如圖1中一個基站配置3組頻率對（F1、F2、F3），每組頻率可有1對或多對頻率，每個頻率對由上行頻率（移動臺發(fā)射頻率f1）和下行頻率（基站發(fā)射頻率f2）組成，F(xiàn)1=f1+f2，同理F2=f3+f4，F(xiàn)3=f5+f6?？梢?，上述線路一個基站的頻率點配置數(shù)量=f1+f2+f3+f4+f5+f6=6個。在不考慮其他因素的情況下，全線采用三頻組基站方案需要18個頻點。廣東省無線電管理辦公室以粵無辦函［2010］47號文向深圳市無線電管理局和深圳地鐵批準了用于深圳市軌道交通線網(wǎng)調度系統(tǒng)的建設。

窄帶專網(wǎng)無線通信正向寬帶融合方向逐步發(fā)展，為此基于TETRA專網(wǎng)技術的寬帶集群（B-TrunC）即“集群語音+LTE”融合技術獲得發(fā)展和應用，多種技術優(yōu)勢互補，國際TETRA聯(lián)盟和關鍵通信協(xié)會（TCCA）中國分會正積極組織并牽頭國內通信領域龍頭企業(yè)，開展寬、窄帶融合一體的、適用于專網(wǎng)通信行業(yè)的技術及應用研究。

2.2 車地無線數(shù)據(jù)通信

圖2 載頻信道配置

CBTC屬于數(shù)據(jù)通信業(yè)務，它與基于語音業(yè)務的無線列調不同，CBTC業(yè)務以數(shù)據(jù)業(yè)務為主，高帶寬、低時延、低誤碼率是衡量車地無線數(shù)據(jù)通信的主要技術指標。

圖3 BS基站設置與信號覆蓋范圍

（1）高帶寬。地鐵行車從最基本的固定閉塞行車方式，對應采用軌道電路、電纜環(huán)線等小報文方式傳輸車地無線數(shù)據(jù)，但隨著地鐵列車行駛密度和行車速度的增加，數(shù)據(jù)通信信息量需求不斷增大，窄帶無線通信系統(tǒng)從一開始就無法滿足此類行車方式數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，基于IEEE802．11標準的WLAN寬帶技術（簡稱Wi-Fi）已被深圳地鐵CBTC系統(tǒng)廣泛采用，基于長期演進第四代無線通信系統(tǒng)（簡稱4G-LTE）已在深圳地鐵11號線PIS系統(tǒng)開通應用。IEEE802．11b/g標準理論帶寬為54 Mb，802．11n理論帶寬為300 Mb，信道頻帶寬度20 MHz，WLAN系統(tǒng)可在2．4G免費頻段范圍使用，解決了傳統(tǒng)軌道電路等技術信息傳輸帶寬不足的問題，但也帶來了免費頻段干擾的增加。同時，深圳地鐵列車乘客信息系統(tǒng)也在同一條線路上建設車地PIS系統(tǒng)，它與CBTC系統(tǒng)同在2．4G頻段使用、分享11個無干擾信道，從而增加了無干擾信道調配難度。目前WLAN技術又向新的方向發(fā)展，IEEE802．11ac標準采用5．8G頻段、每個信道頻帶寬度可增加至80 MHz及160 MHz，資源更加豐富、干擾少，理論數(shù)據(jù)帶寬達1 Gb以上。

（2）低時延及誤碼率。地鐵CBTC列車控制系統(tǒng)要求高帶寬的同時，還需采用小于150 ms的低時延數(shù)據(jù)傳輸，由于技術體制的局限，Wi-Fi技術在列車高速運行的地鐵系統(tǒng)中出線了無線接入（AP）小區(qū)間不斷快速切換、頻率漂移不斷增加、干擾和誤碼上升等問題。地鐵CBTC車地無線系統(tǒng)建設丟包率規(guī)定應小于1%，可用性應不低于99．98%。

2.3 地鐵無線業(yè)務

無線列調與CBTC系統(tǒng)是地鐵無線業(yè)務的主要用戶，此外，地鐵列車運營過程中的緊急信息、乘客信息等也是重要業(yè)務信息。

（1）列車緊急文本。緊急文本信息從OCC調度臺向特定的事故列車播發(fā)，緊急情況下指引乘客進行疏散、逃生等行為，緊急文本信息需及時送達并在車載顯示屏上顯示，每小區(qū)只需1路下行，傳輸帶寬為10 kb/s。

（2）列車緊急廣播信息。緊急廣播是配合緊急文本而下發(fā)的音頻通告，傳輸帶寬為64 kb/s。在特定情況下車載緊急呼叫對講裝置可通過緊急廣播傳輸通道與OCC行調（或列車調度員）進行雙向通話。

（3）列車運行狀態(tài)監(jiān)測。列車運行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)主要是上行數(shù)據(jù)，少量的控制數(shù)據(jù)為下行，列車運行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)為雙向數(shù)據(jù)，總帶寬為105 kb/s。

（4）列車視頻監(jiān)控。OCC行調應對列車進行實時的和連續(xù)不斷的視頻監(jiān)控，確保每列車上傳2路視頻圖像給行車調度員，實時監(jiān)控司機室/軌行區(qū)、客室的場景，對全自動無人駕駛線路的行車與乘客安全至關重要。

車載CCTV傳輸可通過減少上傳幀數(shù)降低帶寬，D1圖像帶寬1 024 kb/s，720P圖像帶寬2 048 kb/s，1080P圖像帶寬6 144 kb/s。

（5）PIS與CCTV。列車客室內PIS顯示屏實時播放的視頻廣告、文字信息來自于地面OCC。每節(jié)車廂的列車CCTV信息需要實時發(fā)往地面OCC。車載CCTV與視頻廣告的特點是信息帶寬要求大、可容忍少量的誤碼和時延，乘客信息單向數(shù)據(jù)流為1路 6 Mb。

3 4G-LTE技術與組網(wǎng)

4G-LTE已開始從公網(wǎng)通信領域向專網(wǎng)應用方向發(fā)展，基于公網(wǎng)寬帶的車地無線通信LTE系統(tǒng)已被鄭州地鐵應用，深圳地鐵11號線也已開通LTE用于車地PIS業(yè)務。多個城市正在研究兼有高帶寬和低時延優(yōu)勢的4G-LTE車地無線傳輸系統(tǒng)，并嘗試將CBTC、PIS緊急信息等多種業(yè)務共存的綜合業(yè)務承載在地鐵無線通信應用中。

工信部［2015］65號文明確了軌道交通采用1 785～1 805 MHz頻段組建LTE專用無線通信系統(tǒng)，以連續(xù)的或不連續(xù)的頻率資源組網(wǎng)，可將語音、數(shù)據(jù)業(yè)務同時應用于LTE系統(tǒng)中，中國城市軌道交通協(xié)會編制的LTE-M系列規(guī)范將成為未來地鐵建設車地無線LTE系統(tǒng)的指導和依據(jù)。

LTE是通過基站處理單元（BBU）和射頻拉遠單元（R R U）統(tǒng)一協(xié)調系統(tǒng)內部資源共享、頻率調配。TD-LTE采用OFDM和正交時分復用（OFDMA）多載波調制技術，通過時間或子信道來區(qū)分用戶，LTE網(wǎng)絡具有質量保證機制（QoS），滿足CBTC數(shù)據(jù)對可靠性、準確性、即時性等要求。地鐵LTE使用20 MHz頻帶可傳輸最高帶寬為上行50 Mb/s、下行100 Mb/s。各地城市實際可用頻寬大多不足20 MHz，系統(tǒng)傳輸帶寬也將減少。

為了滿足可靠性要求，現(xiàn)行地鐵設計規(guī)范針對CBTC的ATP車地無線通信地面設備，明確要求采用冗余場強覆蓋設計，其目的是當一套網(wǎng)絡故障時應確保信號系統(tǒng)車地信息傳輸?shù)倪B續(xù)性。冗余場強覆蓋設計應在同一個物理區(qū)段內提供2個無線施主信號（簡稱A網(wǎng)和B網(wǎng)），A、B網(wǎng)為2套獨立的天饋系統(tǒng)，基于LTE傳輸?shù)臒o線系統(tǒng)見圖4。

控制LTE邊緣帶寬是確保傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定與可靠的關鍵，根據(jù)《LTE-M系統(tǒng)綜合承載信息分類及要求規(guī)范》，非全自動運行的車地無線數(shù)據(jù)帶寬要求為256 kb，如果按600 m規(guī)劃RRU小區(qū)半徑（覆蓋線路長度1．2 km），那么一個車站考慮最大6列車時的帶寬約為1．5 Mb。根據(jù)相關產(chǎn)品資料及研究，LTE組建CBTC-A/B網(wǎng)絡頻寬與帶寬見表4。組網(wǎng)頻寬5 MHz時邊緣帶寬約3 Mb，10 MHz時邊緣帶寬約12 Mb。

圖4 基于LTE傳輸?shù)臒o線系統(tǒng)

表4 LTE組建CBTC-A/B網(wǎng)絡頻寬與帶寬

4 技術發(fā)展趨勢與新線建設的思考

深圳地鐵無線通信的建設緊跟技術發(fā)展已超過20年，在2G時代無線調度系統(tǒng)可選擇的技術方案有限，與國內其他城市同期地鐵建設一樣，深圳地鐵一、二、三期工程采用專用頻道和窄帶數(shù)字集群無線系統(tǒng)方案，2000年后3G通信迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸能力增強，業(yè)務種類增多。

TETRA、B-TrunC、WLAN、4G-LTE各種無線技術互相滲透，寬帶和窄帶技術相互融合，不論是殊途同歸還是眾望所歸，深圳地鐵已深刻感知到地鐵無線通信技術綜合承載的潮流和寬帶化發(fā)展趨勢，在保留傳統(tǒng)WLAN、TETRA技術沿用的同時，密切關注EUHT、LTE-U等新技術動向，在四期工程新建線路中適時提出LTE-M綜合承載方案，以最適宜的技術應用到最合適的業(yè)務需求領域。

5 結束語

車地無線綜合承載應當是未來無線技術的發(fā)展方向，綜合承載不能一概而論，一蹴而就，應在數(shù)據(jù)安全和技術成熟的前提下區(qū)分業(yè)務重要性進行等級分類傳輸。

地鐵無線通信的建設應從單一的業(yè)務系統(tǒng)向一體化系統(tǒng)建設方向改進，一體化建設無線通信網(wǎng)具有節(jié)約各類資源、易于互聯(lián)互通與資源共享、節(jié)省運維成本等多種優(yōu)勢，必將成為深圳地鐵建設與發(fā)展的創(chuàng)新之路。

深圳地鐵未來5～8年將有包括延長線在內的11條線路開始大規(guī)模建設，隨著大量新建線路開通運營后運維成本的逐年增加，集約化的建設和資源綜合利用將勢在必行，新技術的采納與建設思路創(chuàng)新相互結合，將會給未來深圳地鐵建設與發(fā)展帶來更大的發(fā)展機會和更多的利益空間。

[1] 深圳市地鐵集團有限公司． 深圳地鐵1號線續(xù)建工程創(chuàng)新與實踐[R]． 深圳，2015．

[2] 深圳市地鐵集團有限公司． 深圳地鐵2號線工程創(chuàng)新與實踐[R]． 深圳，2014．

[3] 深圳市地鐵集團有限公司． 深圳地鐵一期工程建設與管理實踐[R]． 深圳， 2007．

謝建良：深圳地鐵集團深圳市市政設計研究院有限公司，?副總工程師，高級工程師，廣東?深圳，518026

責任編輯盧敏

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1672-061X（2016）06-0035-05