城市軌道交通無線通信專網綜合平臺構建探討

趙曉蓉 胥智鵬

（1.上海中鐵通信信號測試有限公司，上海 200436；2.上海申通地鐵集團有限公司技術中心，上海 201103）

1 專用無線通信系統技術發展概況

在城市軌道交通的通信系統中，專用無線通信系統是行車指揮調度、站務管理、運營設施設備維護保障、應急搶險等重要通信手段，是控制中心調度人員和分布在列車、車站、線路、車輛段、停車場、管理辦公區域上的車載或手持專用無線電臺使用人員之間建立實時可達信息的溝通路徑。

專用無線通信系統與公網無線通信系統的最根本區別，就是在性能上必須滿足呼叫建立時延、話權申請時延等關鍵性指標，突出一個“快”字，很少采用摘機模式，通常使用PTT一按即呼。

上海地鐵從1994年開通第一條運營線（1號線），最早開始使用450 MHz頻段的第一代模擬集群系統，使用5對雙工間隔10 MHz的頻率對，提供語音對講業務。系統分為控制中心子系統、車輛段子系統、公安子系統、維護子系統、緊急子系統，每個子系統需占用一對頻率。

從3號線開始，上海地鐵無線通信專網系統邁入數字化時代，部署了基于數字時分多址（TDMA）技術的陸上集群無線電系統（TETRA）。TETRA系統采用ACELP語音編碼和π/4-DQPSK調制，在指揮調度功能上比較完善，適合做無線通信專網系統。但TETRA本質上屬于第二代移動通信制式，數據能力不強。雖然ETSI很早就開始致力于TETRA標準第二版（Release 2），以使TETRA在分組數據功能上有所改進，但目前尚未形成規模產業跟進，仍不能滿足應用需求。同時，TETRA雖然空中接口標準是公開的，但內部交換網絡接口標準并未統一，廠家都有各自的知識產權，TETRA的不開放性造成城市軌道交通各線路的系統分離，不能互聯互通形成網絡化，或為形成網絡化而不得不被某一家生產廠商所捆綁。

近年來，隨著公共安全和指揮調度需求的不斷提升，建設安全可靠、擁有自主知識產權的專業無線指揮調度專網系統成為各地城市軌道交通公司的迫切需求。傳統窄帶TETRA集群通信系統由于系統制式和技術能力的原因，無法支持日益增長的多媒體類業務，從而不能適應現代寬帶應用場景下的城市軌道交通運營指揮調度需求，部署新一代功能更強大的無線通信專網綜合平臺已成為各地軌道交通公司的當務之急。

最近十幾年，中國本土通信行業的技術能力得到飛速發展和大力提升。LTE移動通信公網技術在行業專網的應用和發展，促進了無線通信專網系統之間的互聯互通，為網絡化布局奠定了基礎。2014年，兼容4G LTE寬帶數據傳輸功能的多媒體集群調度通信系統B-TrunC正式形成國家標準，同時產業鏈聚集形成寬帶集群產業聯盟。2016年，B-TrunC技術成為國際標準。B-TrunC系統提供專業級數據接入和集群功能，能滿足軌道交通行業的信息化和保障網絡安全，呼叫建立時延<300 ms，話權申請<200 ms，在語音集群通信的基礎上增加多媒體調度功能。此外，在數據傳輸功能上，高帶寬屬性使B-TrunC系統能從容承載列車控制CBTC、車載監控視頻、乘客信息等業務，性能和功能完全覆蓋TETRA技術。2015年，工信部發文批準軌道交通等行業無線通信專網系統的1.8 GHz頻率資源，加速了B-TrunC產業和市場的快速發展。在完整的標準體系支撐下，一個自主可控、端到端開放的軌道交通行業無線通信專網制式迅速發展。中國城市軌道交通協會與B-TrunC聯盟成立聯合小組，共同制訂了軌道交通行業的無線通信標準LTE-M，解決了軌道交通行業的迫切需求。第四代城市軌道交通無線通信專網系統已經來臨。

2 B-TrunC無線通信專網綜合平臺構建

專用無線通信技術的發展，與公用無線通信技術的演進路徑類似。也經歷了從第一代模擬集群、第二代數字集群（TETRA），第三代數字集群（GoTa、GT800）的迭代進化。B-TrunC是目前最先進的第四代商用無線專網通信技術，該系統延用公網LTE系統的關鍵技術，在此基礎上，為滿足專網一按即通、免摘機的快速響應需求，在空中接口增加集群專用邏輯信道和物理信道的映射。在專用終端、eNodeB和EPC的鏈路上通過TFT將不同屬性的業務信息流過濾到相應QoS的專用承載上，以端到端的視角，完成資源共享和安全保障，同時支持工信部2015年發文準予城市軌道交通等行業使用的企業網1.8 GHz頻段。

無線通信的本質是為解決在移動狀態下，人與人之間的通信。第一代模擬系統主要解決話音通信，從第二代開始除了移動話音業務，也提供少量數據傳輸業務，但由于技術體制的限制，只能提供低速率的無線通道。直到移動通信技術邁入第四代時，在突破性技術和網絡架構的支撐下，移動通信的數據傳輸能力，才得到突飛猛進的提高，每赫茲使用頻譜效率極高。在此技術能力的基礎上，融入第四代移動通信技術的無線通信專網技術B-TrunC在以前窄帶TETRA的話音指揮調度能力上升成為具備綜合話音、文本、圖像、視頻為一體的多媒體指揮調度能力，并且在除端到端寬帶集群通信能力之外，還提供高速無線數據承載功能。借助系統9級QoS優先級保障，能在保障列車控制信號CBTC的高優先級前提下，同時承載其他無線數據業務，如乘客信息系統、車載視頻監控、車輛狀態信息等。所以，B-TrunC無線通信專網實質上已成為城市軌道交通行業的無線通信專網多業務綜合承載平臺，其網絡結構如圖1所示。

圖1 B-TrunC無線通信專網綜合平臺Fig.1 Integrated platform for B-TrunC wireless communication special networks

3 無線通信專網寬、窄系統融合方案

軌道交通目前正經歷著行業大發展，許多新興城市從零公里起步，新建的軌道交通線路可以直接上無線通信LTE專網，無需考慮與既有老線老制式無線通信專網的關系，但像上海地鐵這樣已經發展了20多年的超大型軌道交通網絡而言，為實現全路網統一指揮調度，就不得不考慮兩個問題。

1) 新建線路的LTE無線通信寬帶專網EPC之間的互聯互通。

2) 新建線路的LTE無線通信專網寬帶EPC與既有老線TETRA無線通信窄帶專網的互聯互通。

3.1 LTE無線通信寬帶專網建設方案

在上海地鐵這樣的軌道交通超大型網絡，在部署LTE無線通信專網網絡時，可考慮統一增強歸屬用戶服務器（eHSS）架構。整個上海軌道交通區域的網絡共用一個eHSS，允許有多個軌交線路集群核心網節點（TCN），但全網陸地移動網絡（PLMN）為一個，新建軌交線路的LTE無線通信寬帶專網之間互聯互通的架構如圖2所示。

LTE無線通信寬帶專網是開放的系統，各網元之間通過標準接口實現系統級的互聯互通。寬帶專網中處理集群業務的核心功能模塊就是集群控制功能（TCF）和集群媒體功能（TMF），在共eHSS架構下，互聯互通的主要接口是TC1和TC2，TC1接口主要用于完成eHSS對用戶的鑒權和認證:TC2接口分別在控制面和用戶面對業務流進行控制和承載。TC2的控制面是通過SIP協議來完成的。

3.2 LTE無線通信寬帶專網與既有線TETRA無線通信窄帶專網的互聯互通方案

上海軌道交通既有老線無線的專用無線調度網采用TETRA制式，新線部署B-TrunC專網后，為實現全網指揮調度，就必須研究寬、窄兩個專網系統的互聯互通和統一調度。寬、窄專網系統互聯互通后，需要支持的功能包括:

1) 跨系統單呼。

2) 跨系統組呼。

3) 跨系統呼叫的話權管理，包括話權申請、話權釋放、話權搶占。

4) 跨系統呼叫的釋放。

LTE無線通信寬帶專網和既有無線通信窄帶專網（如TETRA、PDT）如何才能實現系統級的互聯互通和全網統一調度呢？LTE寬帶專網B-TrunC對外系統的接口（包括外接調度臺的D接口）采用SIP/RTP協議棧，在全IP化的網絡基礎架構模式中，可以考慮沿用LTE無線通信寬帶專網的TC2接口方式，控制面采用SIP協議，用戶媒體層面采用RTP協議。國際上沒有標準的TETRA系統間接口，不同品牌廠商的交換網絡之間的接口、交換網絡內部的網元之間的接口、交換網絡與無線網之間的接口、交換網絡與調度臺之間的接口都不是公開的標準接口。現有的系統級互聯解決方案在TETRA側交換網絡通過SIP協議與B-TrunC網交換網元EPC實現呼叫控制，TETRA網與B-TrunC網核心側采用RTP協議實現數據的互通，互連接口如圖3所示。

圖3 寬、窄無線通信專網系統互聯接口Fig.3 Interaction interface between broadband and narrowband wireless communication special networks

在標準SIP協議之上，需依據軌道交通行業專網用戶需求做一定的擴展和修改。為使無線通信寬、窄帶專網互聯后不至于造成全網無線通信專網系統過于復雜，可限定寬、窄帶集群終端只在各自歸屬的系統進行位置信息的更新和管理，以減少不必要的系統間消息交互。互聯后支持跨系統的單呼、組呼功能以及跨系統的呼叫話權申請、釋放、搶占。

4 結束語

城市軌道交通的專用無線通信系統，是地鐵運營的重要組成部分，系統的建設需要考慮新老技術的銜接和過渡，同時還要滿足線網運營的包括列車控制、統一全網調度在內的多業務承載功能需求，應統籌考慮系統的全生命周期成本，做到無線通信寬、窄帶專網的技術融合，平滑演進，既保護既有投資，又能做到專網功能的無縫銜接。

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