市域鐵路多網融合解決方案

劉 魁

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 武漢 430063)

市域鐵路多網融合解決方案

劉 魁

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 武漢 430063)

市域鐵路各無線傳輸系統獨立建設，分別運營維護，增加了前期建設投資和后期運維成本。通過分析市域鐵路各業務承載需求，比選當前主流無線通信技術，提出基于TD-LTE技術的綜合承載信號CBTC(基于通信的列車自動控制)系統、PIS(乘客信息系統)、無線語音調度系統、列車狀態監測系統和AFC(自動售檢票)系統手持終端在線傳輸等業務的多網融合解決方案，并介紹在工程實際中TD-LTE頻率資源的選擇和網絡架構的搭建，為后續市域鐵路車地無線通信系統的建設提供參考和借鑒。

市域鐵路； 承載需求； 主流無線通信技術； 多網融合； TD-LTE

市域鐵路是站間距、速度目標值等參數介于國家干線鐵路和城市軌道交通兩者之間的一種新型交通制式，在市域范圍內為市民提供中短距離的快速出行服務。市域鐵路一般具有如下三個特點：線路長，通常介于50～80 km之間；站間距大，一般在3～5 km之間；速度目標值高，設計時速120～160 km/h。市域鐵路連接城市核心區與外圍組團，發展空間較大，對新型城鎮化發展帶動較強，是最契合新型城鎮化發展的軌道交通方式，比較典型的案例有浙江省城際圈內的臺州、溫州市域鐵路,金義東城際鐵路等。

車地無線通信系統是市域鐵路車地之間語音、數據等交互信息的載體，承擔著傳輸列車運行監控、運營調度、列車控制等眾多業務功能，對于保障列車運營安全、提高運輸效率、提升現代化管理水平有著重要的作用。

1 國內現狀

車地無線通信作為市域鐵路保障安全運營的重要手段，承載了包括但不限于如下系統的車地無線通信業務[1]：基于通信的列車運行控制(CBTC)系統，完成對車輛安全行駛的控制功能；專用無線語音調度通信，實現司機之間和司機與地面各級運營管理人員之間的語音通信；列車運行狀態監測系統，用于監測車輛運行期間關鍵設備系統的運轉情況；車輛視頻監視系統(CCTV)，用于車內視頻圖像的實時上傳；乘客信息系統(PIS)，用于運營服務信息發布和緊急信息發布；PCA(便攜式驗檢票機)在線信息傳送，實現AFC(自動售檢票)手持終端設備數據的實時傳輸，完成該設備的在線式交易。

伴隨著無線通信技術的發展，多種無線通信技術被引入城市軌道交通行業。目前在各個城市的地鐵建設中廣泛采用TETRA(泛歐集群無線電)承載語音調度通信、WLAN(無線局域網)承載車地之間的數據通信。TETRA系統技術成熟、應用廣泛，但目前該設備主流廠家只有MOTOROLA和AIRBUS(原EADS)兩家，而且都是國外廠家，系統造價較高，在售后服務、知識產權壁壘,特別是互聯互通等方面仍存在一定的問題。就寬帶數據通信而言，由于市域鐵路設計時速較高(通常不小于120 km/h)，WLAN技術無法解決高速移動帶來的頻偏問題，無法滿足高速移動下的寬帶接入，亟須尋求一種新的技術解決高速移動情況下的寬帶接入問題。

另一方面，各個系統車地無線網絡分別獨立建設且越來越復雜，無線通信投資也越來越多，不利于實現各系統的資源共享和建設成本控制，而且各系統單獨建網均設置了大量的區間設備，增加了區間設備安裝的協調工作量，同時大大提高了后期運營維護的成本。探討市域鐵路無線通信綜合承載方案，能在物理上、邏輯上最大限度地降低系統的重復建設，對提高系統可靠性、降低工程投資和后期運維成本具有極其重要的意義。從資源共享角度考慮，多網融合是未來市域鐵路乃至城市軌道交通無線承載網的發展趨勢。

2 業務需求

市域鐵路無線通信承載的業務主要有信號CBTC系統、車載CCTV系統、PIS、專用無線語音調度系統、列車運行狀態監測系統、PCA在線信息傳送等。以下按無線小區大小為1.2 km(RRU(遠端射頻模塊)的覆蓋距離)，每個小區內最多按4列車來進行各業務的帶寬分析計算。

2.1CBTC系統需求

信號CBTC系統的主要作用為列車間距及速度防護、列車自動運行與調度，是城市軌道交通自動化系統中的關鍵部分[2]，也是保證列車和乘客安全，實現列車高效運行、指揮管理有序的自動控制系統。CBTC系統車地傳輸的數據主要為列車位置、運行控制、移動授權等信息。該業務應用層要求低速準實時數據能夠可靠傳輸，控制層要求邏輯通道具備最高優先級，通道層要求信道獨立、可靠性高而且主備冗余，因而一般要求建設雙網并進行冗余覆蓋。根據中國城市軌道交通協會【2015】008號文[3]，信號CBTC系統需占用上下行各512Kb/s的帶寬。

2.2CCTV系統需求

車載CCTV系統用于對列車內的視頻進行監視，并為應急調度指揮提供實時的車內動態圖像信息。CCTV列車監控業務一般要求可同時上傳2路或4路視頻，每路視頻傳輸速率為1～2Mb/s。本次分析按目前城市軌道交通中主流的上傳2路D1格式要求，上行帶寬需求為2×2Mb/s=4Mb/s，下行視頻控制命令所需帶寬按100Kb/s考慮。

2.3PIS需求

PIS用于列車車廂內的資訊發布、乘客指引信息的視頻展播。PIS車地傳輸數據主要為視頻信息。PIS圖像采用標清圖像質量，每列車業務信息承載帶寬為下行2Mb/s。在正常情況下，無線小區內有兩列車，PIS圖像下發播放的帶寬需求為2×2Mb/s=4Mb/s(下行信息)。在有條件時，采用高清(1080p)圖像質量預設業務信道帶寬，則每路圖像帶寬需求為下行4～6Mb/s。緊急文本為下行信息，帶寬需求為10Kb/s。考慮補包所需占用的帶寬，PIS所需下行傳輸帶寬需求按6Mb/s考慮。

2.4專用無線通信系統需求

專用無線通信系統是為控制中心調度員、車輛段/停車場調度員、車站值班員等固定用戶與列車司機、防災、維修等移動用戶之間提供迅速、有效的通信手段，是提高運輸效率、確保行車安全及應對突發事件的必要保障。專用無線語音調度帶寬要求按照一個小區并發10路無線通話考慮，包括選呼、組呼、全呼和緊急呼叫任何一種呼叫形式，每路呼叫帶寬需要32Kb/s，10路并發需要320Kb/s。視頻呼叫的速率按照384Kb/s考慮，并按2路視頻呼叫預留，語音業務帶寬需求約為1Mb/s。

2.5列車運行狀態監測系統需求

車輛狀態信息上傳系統主要將列車運行狀態監測信息實時或準實時上傳，為列車的檢修計劃制定以及故障的發現和處理提供數據支撐。列車運行狀態監測系統為單向傳輸，即只有列車到地面的上行傳輸，而沒有地面到列車的下行傳輸。列車運行狀態監測系統的采集量有1500個開關量，每個1bit；500個模擬量，每個2bit。這樣一次采集的信息量為9.5Kbits，采集周期為300ms一次，按每秒4次計算，傳輸速率為38Kb/s。考慮一定的信息傳輸余量，共需要傳輸的速率為100Kb/s。

2.6PCA在線信息傳送需求

PCA在線信息傳送主要實現AFC手持終端設備數據的實時傳輸，完成該設備的在線式交易，可在應對突發及大客流事件時保證乘客快速進出車站。PCA無線通信的業務需求包括下載參數數據、下載黑名單數據、上傳交易數據(如有)、下載更新軟件等。PCA的交易記錄一次可傳輸1000條，每條1Kbit；這樣一次傳輸的信息量約為1Mbit，1s內傳輸完成，傳輸帶寬按上下行各1Mb/s考慮。

市域鐵路車地無線通信業務需求總結見表1[4]。按照一個RRU范圍內4列車計算，考慮一定的發展預留，建議上行帶寬不小于12Mb/s，下行帶寬不小于15Mb/s。

表1 各業務無線承載需求

3 無線通信技術選擇

目前可采用的移動寬帶無線技術主要有WLAN、McWiLL(multi-carrier wireless information local loop，多載波無線信息本地環)、DVB-T(地面數字電視廣播)和TD-LTE等。在城市軌道交通中車地寬帶通信應用較多的技術是WLAN和McWiLL，還有部分采用DVB-T技術，如武漢、長沙、南昌、重慶等城市。車地語音通信廣泛采用TETRA技術，但TETRA屬于窄帶通信技術，而且無后續演進方案，無法滿足軌道交通寬帶數據業務的承載需求。

3.1WLAN技術

WLAN是計算機網絡與無線通信技術相結合的產物，具有使用方便、造價低、傳輸速率高等特點。但其也有一定的局限性，主要表現在以下幾個方面[4]：

1) 運行速度限制。無線局域網不是為高速移動設計的。目前的仿真和研究表明，如果速度超過120km/h，就會導致誤碼率急劇增加，不能滿足如市域鐵路(設計時速120～160km/h)等時速較高線路的車地寬帶數據通信需求。

2) 覆蓋距離短、鏈路設計復雜。目前CBTC、PIS和CCTV系統的無線通信工作在ISM(industrial scientific medical，工業、科學和醫用)頻段。國家無線電管理局規定該頻段最大發射功率100MW，這使得系統需要在線路沿線部署大量的AP及附屬設備，系統建設和后期維護的工程量大大增加。另外，列車在運行過程中頻繁在AP間切換，降低了通信服務水平。

3) 無線干擾嚴重。無線局域網工作在開放頻段，很多民用設備也工作在這一開放頻段，如：便攜式WIFI設備、藍牙、微波爐等，它們可能會對城市軌道交通的車地無線傳輸產生干擾。2012年8～11月，深圳地鐵2號線和5號線就多次發生由于無線干擾而影響列車運營的事故。

4) 多業務并發時無法保障QoS(quality of service，服務質量)，也無法保證高優先級業務的實際使用帶寬，不適用于綜合承載。在同時傳輸CBTC、列車狀態監測、CCTV和PIS圖像時，缺乏高優先級業務帶寬保障就不能確保CBTC信息的傳輸，影響用戶的業務發展。

3.2McWiLL技術

McWiLL寬帶無線接入系統是由北京信威通信技術股份有限公司自主研發的新一代寬帶無線接入技術。McWiLL適合小頻寬的寬帶系統，而在大頻寬如15MHz的情況下，McWiLL所能提供的總帶寬較小，頻率利用率較低，最大數據速率僅為15Mb/s，這在頻率資源異常緊張的軌道交通領域，顯然有些“水土不服”。另外，McWiLL鮮有鏈狀組網的案例，而且其尚未進入軌道交通領域，僅應用在部分城市有軌電車，對軌道交通移動寬帶業務的應用還有待研究和觀察。此外McWiLL在時速120km/h時對移動性支持較好，高于該速度情況下的傳輸性能目前暫無詳細的實測數據支撐。

3.3DVB-T技術

DVB-T(地面數字電視廣播)標準是數字視頻的地面傳輸標準。DVB標準采用MPEG-2視音頻編碼以及COFDM調制方式，理論可達16Mb/s。DVB-T技術傳輸帶寬較大，可以采用單頻技術組網完成無縫切換，有較好的覆蓋效果，同時對移動性功能具有良好的支撐。但該技術也存在如下缺點：通常只能單向廣播發送下行信息，不能將車廂內的視頻監視信息上傳到中心；為解決實時雙向傳輸，需要增加其他輔助手段，提高了系統的復雜性及投資；目前僅烽火通信開發了基于該技術的產品，存在設備產品單一、缺乏競爭性等問題，無法得到廣泛的展開應用。

3.4TD-LTE技術

TD-LTE是具有中國自主知識產權的第四代移動通信技術，擁有高速率、大帶寬等特點，同時將數字集群技術中的資源共享、快速呼叫建立、指揮調度等特點與TD-LTE進行了融合,使TD-LTE系統成為集語音、數據、視頻為一體的新一代寬帶多媒體數字集群系統。 TD-LTE技術的優勢主要體現在以下幾個方面[7]：

1) 移動性的支持[8]。為解決高速移動下的多普勒頻偏，LTE設計時在基站側接收機采用AFC(automatic frequency control，自動頻率控制)進行頻率糾偏。TD-LTE終端支持350km/h的移動速度，目前已在高鐵和上海磁懸浮等進行實際測試，效果良好。

2) 大帶寬。在20MHz頻寬的情況下，TD-LTE的下行峰值速率能達到100Mb/s，上行能達到50Mb/s[9]，根據業務帶寬需求分析，其帶寬能很好地滿足市域鐵路各業務的綜合承載，同時在小區邊界處增加小區邊界比特速率，保證小區邊緣用戶的使用。

3) 覆蓋范圍廣。TD-LTE小區的覆蓋范圍大大超過WLAN無線接入點的覆蓋范圍。一方面TD-LTE系統采用先進的信號處理技術，設備的接收靈敏度優于WLAN設備;另一方面，TD-LTE系統一般使用專用頻段，設備可以采用更高的發射功率，使得覆蓋范圍增大。

4) 多級QoS保障。LTE系統具備先進的業務優先級調度算法，可以根據業務的優先級對不同的業務進行調度。LTE系統實現9個調度優先級，并且按照預定義的可能承載業務類型，對應不同的服務質量(延時、丟包等)要求，定義了9個QCI(服務質量類別標識)，系統根據QCI對應的優先級進行資源分配和調度。在城市軌道交通車地通信環境下，可以保證CBTC等業務的高可靠傳輸。

5) 高可靠性。市域鐵路中信號的車地無線通信系統一般要求雙網覆蓋，TD-LTE無線設備采用端到端高可靠性設計，基站的BBU/RRU可共站址覆蓋，也可交織冗余覆蓋。BBU可進行1+1的熱備份，當單個CPRI接口故障，會及時切換到另一個BBU處理，不中斷業務，提供高可靠性的覆蓋。核心網的各邏輯設備既可以進行單板備份，也可以采用設備1+1備份。從使用頻段的角度看，工業和信息化部頒布了《關于重新發布1785～1805MHz頻段無線接入系統頻率使用事宜的通知》，從政策上為專用頻率資源提供了保障，有效解決了WLAN使用公共頻段帶來的干擾問題。

6) 技術開放性和成熟度。目前TD-LTE的相關標準已逐漸成熟，應用于軌道交通的LTE-M系統工程設計規范也呼之欲出，國內有成熟產品的廠家也較多，主要有華為、中興、烽火、大唐、普天等。TD-LTE目前在運營商4G網絡中已全面鋪開進行商用，在北京、天津、南京等城市政務網中自2012年運營以來表現良好，在軌道交通中的應用也日趨廣泛，不僅應用于PIS車地無線系統，還在溫州、寧波、廣州等地應用于語音調度，在武漢、北京、重慶、西安、烏魯木齊等地應用于信號CBTC列控信息的承載。

綜合考慮以上各個方面的因素，TD-LTE相比其他技術更適用于市域鐵路各業務的綜合承載。

4 TD-LTE頻率資源選擇

根據中國城市軌道交通協會《關于轉發工信部1 785～1 805 MHz頻段使用事宜通知(工信部無[2015]65號)及有關落實工作的意見》(中城軌[2015]008號)，可用于城市軌道交通的專用頻段為1 785～1 805 MHz。

根據計算，LTE系統采用10 MHz組網時，下行最高邊緣速率最大取值9.9 Mb/s，上行最高邊緣速率最大取值9.128 Mb/s，考慮到實際工程環境，預計只能達到雙向15 M的傳輸帶寬。而LTE系統采用15 MHz組網時，下行最高邊緣速率最大取值14.85 Mb/s，上行最高邊緣速率最大取值13.68 Mb/s，考慮到實際工程環境，可以達到雙向22 M的傳輸帶寬，滿足表1中的承載要求。

LTE網絡支持的帶寬可以為1.4、3、5、10、15或20 MHz[10]，不同頻段上終端支持的帶寬是上述6種帶寬的全部或其中幾種。若采用綜合承載，考慮系統可靠性和冗余要求，采用A、B雙網進行承載，其中A網單獨承載信號CBTC信息，B網綜合承載信號CBTC、PIS、CCTV和語音調度等業務。按上述分析，綜合承載的單網至少需要15 MHz的頻率，鑒于可申請頻段只有20 MHz資源，另一張網只能采用5 MHz組網。

綜上所述，建議申請1 785～1 805 MHz頻率的配置方案，向當地無線電管理部門爭取申請到20 MHz頻譜，其中5 MHz用于LTE-M A網、15 MHz用于LTE-M B網。如果不能達到該頻率要求，則必須考慮舍棄部分可選承載的業務，此時則無法完全實現真正意義上的多網融合方案。

5 網絡架構

目前在市域鐵路項目中，TD-LTE無線網絡除了傳輸、電源及接地基礎系統外，整個應用系統分為3個子系統，依設置地點分別為：控制中心子系統、無線子系統(宏基站BBU/RRU+無線覆蓋)、車載無線子系統[11]，其網絡結構見圖1。

圖1 市域鐵路LTE網絡結構Fig.1 Suburban rail transit LTE network structure

5.1控制中心子系統

控制中心子系統放置各專用系統的中心設備，包括TD-LTE核心網(含TD-LTE核心網EPC和集群業務服務器DSS )、網絡管理系統、CCTV和PIS等業務應用服務器、信號ATS服務器、調度服務器、二次開發網管及TD-LTE基站設備。

通過TD-LTE核心網EPC向上與各類業務控制平臺CCTV中心、PIS系統、CBTC系統、AFC系統等其他系統進行連接。對于集群業務，通過設置調度服務器DSS提供專業的無線集群調度業務，并在控制中心調度大廳設置調度臺設備。

5.2無線子系統

無線子系統在車站設置BBU和RRU基站設備。通過基站設備實現本車站內的覆蓋，區間信號覆蓋采用漏纜的方式，并通過RRU拉遠實現對長大區間的覆蓋。各車站值班員處設置車站TD-LTE固定電臺，并配備部分便攜臺供移動作業人員使用。

無線子系統在車輛段和停車場設置BBU，在機房所在樓的樓頂立桿架設天線對整個段場進行覆蓋，對于部分封閉的區域如檢查庫等通過增加RRU和天線進行覆蓋。在信號樓內設置行車調度臺，運轉值班室設置運轉調度臺，并配備部分便攜臺供車輛段/停車場移動作業人員使用(見圖2)。

圖2 無線子系統構成示意Fig.2 Schematic Diagram of Wireless Subsystem

5.3車載子系統

車載子系統在列車上設置集群車載臺和車載TAU(列車接入單元)數據終端設備，集群車載臺放置在列車前后司機室內，為司機提供無線集群調度通信，前后司機車廂各部署1套TAU，以主備方式工作。車頭車尾的頂部部署2套鯊魚鰭天線，車體底部側面各部署1套定向天線，共8副天線。而TD-LTE集群車載臺與TAU通過合路器共用車載天線。

TAU通過以太網接口與車內交換機連接，實現TAU與車內數據業務的信息交互。車載視頻、PIS流媒體信息、列車運行狀態信息通過TAU經LTE進行上傳或下發。

6 結語

市域鐵路無線通信系統承載著語音、視頻、數據等多種業務，隨著線網和用戶需求的增多，專網通信從窄帶、獨立設置的無線通信向各業務融合一體的寬帶無線通信網發展已經成為技術發展的趨勢，而且業務種類越來越豐富，帶寬需求也越來越大。

各系統單獨建網帶來頻率利用率低、重復建設、運營維護工作量大等種種問題，綜合承載有利于優化設備組成，減少設備數量，節約前期工程投入，還能大大降低后期的運營維護成本。目前各個城市已逐步開展基于TD-LTE技術的綜合承載應用，根據申請到的頻率資源情況，有的城市如烏魯木齊1號線、寧波3號線采用部分業務的綜合承載，也有部分城市如南京寧高城際采用了全業務的綜合承載。從頻率資源、政策支持、頻率資源的保障、TD-LTE技術綜合承載的適用性和經濟合理性等多種角度來看，綜合承載在市域鐵路中有著廣闊的應用前景。

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The Solution of Multi-network Integration in Suburban Rail Transit

LIU Kui

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co. Ltd., Hubei Wuhan 430063)

As a new type of rail transport, suburban rail transit has gradually become the mainstream mode of construction in the second-tier and the third-tier cities. Wireless communication system in suburban rail transit is constructed independently at present, which leads to the increase of early investment and follow-up maintenance costs. Through analyzing the demand of each kind of cab-ground traffic load, as well as advantages and disadvantages of various mainstream wireless communication technologies, this paper proposed a solution of multi-network integration based on TD-LTE technology, including CBTC signal system, PIS system, wireless voice dispatching system, train status monitoring system and AFC handheld terminal online transmission. Moreover, how to select frequency resources and how to build network architecture are described.

suburban rail transit; requirement of carrying; mainstream wireless communication technology; multi-network integration; TD-LTE

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.05.019

2016-11-22

2016-12-30

劉魁，男，碩士，高級工程師，從事軌道交通通信系統設計，kuiliu_crcc@139.com

重大項目: 溫州市域鐵路S1線一期工程

U231

A

1672-6073(2017)05-0103-06

(編輯：王艷菊)