重慶都市快軌無線通信系統(tǒng)頻段應(yīng)用需求分析

施小敏

（北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070）

1 概述

隨著經(jīng)濟實力增強，我國都市快軌建設(shè)發(fā)展迅速，方便快捷的地方城市交通日顯突出,也促進了地方城市公共服務(wù)業(yè)的發(fā)展。我國高鐵和都市快軌已經(jīng)躋身世界先進行列，擁有眾多人口是大力發(fā)展都市快軌的基礎(chǔ)。旅客乘車安全運行和舒適體驗，需要先進的列車控制技術(shù)，由于列車在地面或者隧道上高速運行，憑借無線通信方式進行車地的信息傳輸。近些年，無線通信技術(shù)向3G、4G快速發(fā)展，無線通信技術(shù)的優(yōu)勢使其應(yīng)用更加廣泛，先進的無線技術(shù)可以保障列車安全運行，本文就都市快軌無線通信技術(shù)應(yīng)用需求進行探討。

2 軌道交通無線通信系統(tǒng)應(yīng)用情況

目前，應(yīng)用于軌道交通行業(yè)的主要無線通信網(wǎng) 絡(luò) 制 式 有：TETRA、GSM、LTE、WLAN等。中國鐵路總公司采用GSM-R作為鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)的使用制式。鐵路發(fā)展CTCS-3/CTCS-4級系統(tǒng),采用GSM-R系統(tǒng)已有多年。由于GSM是基于第二代移動通信系統(tǒng)，帶寬較窄，不支持大帶寬的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，隨著鐵路系統(tǒng)智能化程度的提高，GSM-R制式已不能滿足大容量通信的要求。朔黃重載鐵路試行TD-LTE 車地通信項目，使用1.8 GHz頻段，在山西、河北、內(nèi)蒙古三省建網(wǎng)，并已開通運營。

數(shù)字集群通信系統(tǒng)(TETRA）一般應(yīng)用于軌道交通無線列調(diào)系統(tǒng)，既為常態(tài)列調(diào)和各單位間聯(lián)絡(luò)使用，又兼顧應(yīng)對突發(fā)事件。TETRA是基于第二代移動通信系統(tǒng)，只能使用純語音調(diào)度，不支持寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，無法提供更多的數(shù)據(jù)信息尤其是高清圖像和視頻信息。

目前，城市軌道交通車地?zé)o線通信主要使用LTE和WLAN標準制式。WLAN能提供單小區(qū)下行≥12 Mbit/s，上行≥12 Mbit/s，主要使用頻段為公用2.4 GHz和5.8 GHz。WLAN是解決低速或固定的無線數(shù)據(jù)傳輸而產(chǎn)生的技術(shù)，其對高速移動終端的支持存在局限性，且WLAN對語音通信支持有限，不支持集群調(diào)度通信。LTE系統(tǒng)主要使用頻段為專用1.8 GHz，具備抗干擾能力強、業(yè)務(wù)可擴展性好、傳輸帶寬高，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 Mbit/s，終端處于小區(qū)邊緣時仍可實現(xiàn)30 Mbit/s 高帶寬能力、高速移動接入性能強，確保高速移動場景下無線鏈路質(zhì)量。目前LTE系統(tǒng)已經(jīng)在多個城市的軌道交通建設(shè)中應(yīng)用，是軌道交通無線通信制式的主要選擇方向。

目前，中國城市軌道交通協(xié)會技術(shù)裝備專業(yè)委員會在遵循3GPP、B-TrunC相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上，組織并制定了《城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)（LTE-M）規(guī)范》。LTE-M是針對城市軌道交通綜合業(yè)務(wù)承載需求的TD-LTE系統(tǒng)，在保證基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）車地信息傳輸基礎(chǔ)上，同時傳輸乘客信息系統(tǒng)（PIS）、列車運行狀態(tài)監(jiān)測、視頻監(jiān)控（IMS）、集群調(diào)度業(yè)務(wù)等信息。全網(wǎng)配置完全冗余，確保單點故障下信號系統(tǒng)安全。與傳統(tǒng)解決方案相比，LTE-M系統(tǒng)具有高可靠的抗干擾能力、高效的多業(yè)務(wù)優(yōu)先級保障機制 、高速移動下的穩(wěn)定傳輸?shù)榷囗梼?yōu)點。2016年5月LTE-M的7個子規(guī)范已發(fā)布。

3 重慶都市快軌車地?zé)o線通信技術(shù)選擇

3.1 車地?zé)o線通信系統(tǒng)建設(shè)專用頻段的必要性

都市快軌的列控系統(tǒng)是高密集列車運行的安全保證，列車運行中通過該系統(tǒng)與地面（軌旁）設(shè)備連續(xù)進行數(shù)據(jù)和指令的交換，完成對線路上高密度列車的精準定位和控制。

都市快軌列控系統(tǒng)按照規(guī)劃功能及構(gòu)成，需使用無線通信系統(tǒng)形成車地傳輸通道。目前城市軌道交通中列控系統(tǒng)普遍采用WLAN 技術(shù)承載車地?zé)o線列控信息，由于WLAN 采用2.4 G公共頻段，該頻段同時支持大量的WLAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和終端，因此，運營中存在同頻段信道資源被擠占的干擾風(fēng)險，對安全運營有嚴重威脅，迫切希望采用專用頻段承載列控系統(tǒng)信息。

重慶都市快軌結(jié)合國內(nèi)其他城市軌道交通的建設(shè)經(jīng)驗和目前的無線通信技術(shù)發(fā)展，以及都市快軌線網(wǎng)工程規(guī)劃需求，申請采用專用無線通信頻率，建設(shè)統(tǒng)一服務(wù)于列控系統(tǒng)業(yè)務(wù)兼顧其他軌道交通業(yè)務(wù)的無線通信綜合承載網(wǎng)，以減少投資運維成本、提高行車安全水平。

3.2 無線通信頻率使用及頻點審批情況

工信部無[2003]408號文（以下簡稱408號文）規(guī)定頻率指配法定主體是省級的無線電管理單位，“具體頻率指配和無線電臺站管理工作，由各省、自治區(qū)、直轄市無線電管理機構(gòu)負責(zé)”，因此軌道交通通信業(yè)務(wù)所用頻點可向當?shù)責(zé)o線電管理部申請。

如圖1所示，相較各頻段使用情況，1.8 GHz頻段覆蓋好，產(chǎn)業(yè)技術(shù)成熟，但需提前申請避免被其他行業(yè)占用。

3.3 頻率、頻段的規(guī)劃

根據(jù)408號文，軌道交通申請頻段為1.8 GHz(1785-1805MHz)。

TD-LTE 為了應(yīng)對無線信道的復(fù)雜性，采用時分OFDM 或OFDMA 多載波調(diào)制技術(shù)。因此，頻率規(guī)劃要在既有頻率資源基礎(chǔ)上，充分考慮停車場、隧道的覆蓋特點，在滿足覆蓋需求和容量的前提下，高效利用頻率資源。

通過時間或子信道來區(qū)分用戶，因此要合理的分配和復(fù)用有限頻段，減少小區(qū)間、信道間的干擾，也是TD-LTE 頻率規(guī)劃需解決的主要問題。

TD-LTE 在頻率復(fù)用模型上遵循普遍的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模型， TD-LTE的組網(wǎng)計劃采用同頻組網(wǎng)技術(shù)，采用小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，確保相鄰的小區(qū)在小區(qū)邊緣使用不同頻率資源，避免小區(qū)間干擾，以便提升小區(qū)邊緣吞吐率。

鄭州地鐵1號線PIS 車地?zé)o線TD-LTE 項目，根據(jù)豫無辦(2011)31 號文在1.8 GHz 頻段組網(wǎng)，并已經(jīng)開通運營。

3.4 都市快軌帶寬需求評估

LTE-M標準規(guī)定國內(nèi)地鐵采用TDD-LTE技術(shù)標準，遵循3GPP協(xié)議。按照3GPP協(xié)議規(guī)定，TDD-LTE支持的小區(qū)帶寬為20 M、15 M、10 M、5 M、3 M、1.4 M。同時系統(tǒng)支持多天線技術(shù)，在配置2根漏纜時可支持2×2MIMO技術(shù)，采用MIMO時，可以提高系統(tǒng)的峰值流量和平均流量，但是對小區(qū)邊緣（兩個RRU之間的切換區(qū)）速率沒有幫助。

3GPP協(xié)議采取不同子幀配比情況下的峰值速率/邊緣速率，如表1所示。

表1 不同子幀配比速率

一般情況下車站布設(shè)RRU，由于車站覆蓋良好，可以實現(xiàn)表1中的峰值速率；但在小區(qū)覆蓋邊緣，速率只有峰值一半。

3.4.1 帶寬需求分析

3.4.1.1 列控系統(tǒng)所需帶寬分析

LTE-M標準規(guī)定：列車運行控制業(yè)務(wù)根據(jù)列車在線路上運行的實際情況，對列車運行速度及制動方式等進行監(jiān)督、控制和調(diào)整。根據(jù)自動運行的程度分為4級：

GOA1a：不連續(xù)監(jiān)督下的人工駕駛運行，列車運行控制系統(tǒng)在特定位置上監(jiān)督列車速度，等同于現(xiàn)有的點式控制方式。GOA1b：連續(xù)監(jiān)督下的人工駕駛運行，列車運行控制系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)督列車運行速度，等同于裝有ATP系統(tǒng)。

GOA2：半自動運行，等同于裝有ATO系統(tǒng)，自動化程度相比上一等級有了進一步提升，又稱為ATO模式。

GOA3：無司機運行，列車上不再安排專職司機，司機被ATO等系統(tǒng)功能所取代，僅安排乘務(wù)人員防止突發(fā)事件。

GOA4：無人監(jiān)督運行，列車上不安排任何工作人員。

1）列車控制業(yè)務(wù)要求LTE-M系統(tǒng)的可用性不低于99.99%；

2）列車控制業(yè)務(wù)要求通信優(yōu)先級高，要求整個通信系統(tǒng)最優(yōu)先保證該業(yè)務(wù)的傳輸，其傳輸不受其他業(yè)務(wù)傳輸?shù)挠绊懀?/p>

衡陽市地質(zhì)災(zāi)害類型主要有滑坡、崩塌、泥石流和地面塌陷四種。其中以滑坡和崩塌為主，其次為地面塌陷和泥石流。據(jù)統(tǒng)計，截止2017年底，全市有地質(zhì)災(zāi)害隱患點1935處，受威脅人民群眾近7萬人。根據(jù)市政府發(fā)布的《2018年度全市地質(zhì)災(zāi)害防治方案》，全市需重點防范的危及100人以上的重要地質(zhì)災(zāi)害隱患點達42處。

3）列車控制業(yè)務(wù)要求列車運行速度200 km/h時，能夠滿足性能要求；

4）列車控制業(yè)務(wù)要求通信系統(tǒng)單路單向傳輸時延不超過150 ms的概率不小于98%，不超過2 s的概率不小于99.92%；

5） 列車控制業(yè)務(wù)要求丟包率不超過1%，通信中斷時間不超過2 s的概率不小于99.99%；

6）GOA1/2模式下，列車控制業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)周期性發(fā)送，要求每路傳輸速率上下行分別不小于256 kbit/s；

7）GOA3/4模式下，列車控制業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)周期性發(fā)送，要求上行每路傳輸速率不小于512 kbit/s，下行每路傳輸速率不小于512 kbit/s。

考慮到上下行不同子幀的報頭/應(yīng)用數(shù)據(jù)比不固定，發(fā)送周期各不相同，因而數(shù)據(jù)在封裝和拆封時，會造成處理效率無法達到理論值，經(jīng)過實驗室測算，要求無線傳輸提供最大傳輸帶寬為：上下行各512 kbit/s。

參考重慶軌道交通目前既有線路按照GOA3級標準進行運營，第二輪建設(shè)的線路，也采用GOA3級標準制定列車運營，因而單車的上下行速率將按512 kbit/s計算。

同時，由于軌道交通正線存在隧道和高架場景，在高架場景下，單小區(qū)同時覆蓋上下行。根據(jù)既有線運營經(jīng)驗及現(xiàn)有設(shè)計，列車之間的追蹤間隔為90～120 s，會存在上下行至少同時3列車運行的情況，因此在高架場景單小區(qū)最少同時覆蓋6輛車。

如果降低小區(qū)覆蓋距離，會造成列車無線信號頻繁切換，降低運營效率，同時失去了采用LTE技術(shù)的優(yōu)勢，導(dǎo)致區(qū)間設(shè)備過多，故障點增多。

故單小區(qū)上下行速率要始終大于512 kbit/s×6=3.072 Mbit/s，對照表1可以計算出：

只有在采用0時隙，按照1DL:3UL配置比時，最少需要LTE系統(tǒng)配置為5 M小區(qū)，才能在小區(qū)邊緣及小區(qū)中心均滿足速率要求。

為保證安全性與可靠性，列控系統(tǒng)要求車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)必須雙網(wǎng)配置，故需要申請2個5 M帶寬的列控專用頻率。

3.4.1.2 無線列調(diào)業(yè)務(wù)

無線列調(diào)建立控制中心與列車司機或地面工作人員間的通信，按一個小區(qū)并發(fā)10路考慮，每路帶寬需要32 kbit/s，10路并發(fā)需要320 kbit/s。

3.4.1.3 列車安防系統(tǒng)

列車安防需實現(xiàn)公安防恐人員及控制中心調(diào)度人員對列車客室圖像進行實時查看，同時傳送乘客求助報警信息和通話語音。

每節(jié)車廂內(nèi)設(shè)置2臺攝像機，首尾司機室各設(shè)置2臺攝像機，車箱外側(cè)4臺攝像機。4輛編組列車共有16路高清視頻圖像，視頻圖像的壓縮格式均采用MPEG-4或者H.264。控制中心或公安防恐工作人員根據(jù)實際需要，隨意調(diào)看某列車中2～4路圖像，按照每一路視頻圖像占用帶寬2 Mbit/s計算，視頻業(yè)務(wù)需要6 Mbit/s帶寬，乘客求助報警對帶寬需求包含在內(nèi)。

3.4.1.4 乘客信息系統(tǒng)

乘客信息系統(tǒng)為乘客提供列車到站、離站信息，天氣預(yù)報及時間信息，同時向乘客發(fā)布與其他接駁交通換乘信息，列車晚點等運營信息。主要是下行業(yè)務(wù)，實現(xiàn)控制中心向運營列車之間傳輸視頻和各種文本信息。

在列車運營正常情況下，每一列列車可以接收1路高清晰的數(shù)字視頻信息，視頻編碼采用MPEG-2、MPEG-4或者H.264格式，一般每一路帶寬為6～8 Mbit/s。考慮其他應(yīng)用的帶寬預(yù)留，下行業(yè)務(wù)帶寬應(yīng)至少達到8 Mbit/s。

匯總上述帶寬需求，如表2所示。

表2 各業(yè)務(wù)傳輸帶寬需求表

以上業(yè)務(wù)中，列車控制和無線列調(diào)集群系統(tǒng)對無線通信信號的實時性和安全性要求非常高，因為涉及到列車是否能夠正常的運行。如果信號丟失，會對列車的運行產(chǎn)生嚴重影響，甚至導(dǎo)致交通事故，因此，無線通信系統(tǒng)需要保證這種信號優(yōu)先傳輸；列車安防系統(tǒng)和防護監(jiān)控區(qū)中圖像作為列車正常、安全運行的主要輔助手段，實時性要求不高。防護區(qū)監(jiān)控圖像可以在保證圖像清晰的情況下適當降低圖像碼率，減少帶寬占用。列車安防系統(tǒng)可以通過降低上傳圖像路數(shù)、上傳標清圖像、高清圖像本地存儲、緊急（如乘客緊急呼叫）時上傳1路高清圖像等方式來降低帶寬的占用；乘客信息系統(tǒng)主要是為旅客服務(wù)的，對傳輸信號的安全性、實時性要求都不高，信號傳輸有問題時，對列車的運營影響比較小,可以采用增大車載內(nèi)緩存、到站的緩存等方式，來降低帶寬的占用。

3.4.2 選擇帶寬分析

公網(wǎng)TD-LTE 主流頻段是2.3 G、2.6 G；專網(wǎng)TD-LTE主流頻段是1.4 G(1447-1467 MHz) 和1.8 G(1785-1805 MHz) 頻段，其中軌道交通申請頻段為1.8 G(1785-1805 MHz)。

根據(jù)408號文將1.8 G的TDD頻段擴展到20 M，并明確指出本地專網(wǎng)可用于1.8 G 頻段的無線接入。工信部無[2008]332號文拓展了1.8 G 頻段的業(yè)務(wù)應(yīng)用范圍，從原來只可以開展語音低速數(shù)據(jù)等窄帶業(yè)務(wù)應(yīng)用，擴展為可以同時開展無線視頻傳送等的寬帶多媒體業(yè)務(wù)。

4 結(jié)束語

遵照工信部無[2015]65號文的要求，并結(jié)合以往軌道交通領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)關(guān)于無線通信頻段的申請及使用經(jīng)驗，建議1 785-1 805 MHz頻段共計20 MHz頻寬作為都市快軌線網(wǎng)工程規(guī)劃沿線LTE系統(tǒng)使用頻段，以實現(xiàn)重慶都市快軌線網(wǎng)工程中所含列控、集群調(diào)度語音、調(diào)度命令和車次號校核信息傳送、移動視頻監(jiān)控（CCTV）、旅客服務(wù)信息（PIS），并預(yù)留監(jiān)測、檢測和災(zāi)害預(yù)警等業(yè)務(wù)的綜合承載需求。

[1]中華人民共和國信息產(chǎn)業(yè)部.信部無[2003]408號 關(guān)于擴展 1800 MHz 無線接入系統(tǒng)使用頻率的通知[S].北京：中華人民共和國信息產(chǎn)業(yè)部，2003.

[2]中華人民共和國工業(yè)和信息化部.工信部無[2015]65號 關(guān)于重新發(fā)布1785-1805 MHz頻段無線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知[S].北京：中華人民共和國工業(yè)和信息化部，2015.

[3]中華人民共和國工業(yè)和信息化部.工信部無[2008]332號 關(guān)于固定無線視頻傳輸系統(tǒng)使用頻率的通知[S].北京：中華人民共和國工業(yè)和信息化部，2008.

[4]中國城市軌道交通協(xié)會技術(shù)裝備專業(yè)委員會.LTE-M系統(tǒng)總體架構(gòu)及系統(tǒng)功能規(guī)范[S].北京：中國城市軌道交通協(xié)會技術(shù)裝備專業(yè)委員會，2016.

[5]焦鳳霞.TD-LTE技術(shù)承載地鐵CBTC系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2016，13（5）：63-66.Jiao Fengxia.Application of TD-LTE Technique in Metro CBTC System [J].Railway Signalling & Communication Engineering，2016，13（5）：63-66.

[6]孫秀英. WLAN技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2017.

[7]韓斌杰，杜新顏，張建斌.GSM原理及其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2017.

[8]高峰. TD-LTE技術(shù)標準與實踐[M]. 北京：人民郵電出版社，2011.