基于TD
——LTE的現代有軌電車專用無線通信系統設計方案*

肖賓杰

(隧道股份城建設計集團， 200125， 上海//高級工程師)

通信系統承擔著現代有軌電車的信息采集、上傳、下發等數據通信功能，為混合路權條件下司機瞭望駕駛模式的安全運營提供了可靠的信息保障。專用無線通信系統是通信系統的重要部分，完成現代有軌電車運營方的固定用戶和移動用戶之間的語音和數據信息交換，為現代有軌電車運營及緊急狀態的調度、防災、事故處理等提供語音及數據服務，其重要性突出。

無線通信技術發展迅速，有多種實現方案可供現代有軌電車選用。而現代有軌電車在運營環境及信息傳輸需求上與傳統軌道交通有較大差異。為保證現代有軌電車安全、高密度、高效運營，現代有軌電車選用的無線通信系統應具有基本的通話及調度、數據通信、信息安全、錄音取證、網絡管理等功能。本文借鑒已建現代有軌電車無線通信系統的經驗，對比分析不同無線通信系統方案的優缺點，結合成都市現代有軌電車工程具體要求，提出具有技術先進性的基于TD-LTE(時分雙工-長期演進)的現代有軌電車專用無線通信系統方案，為該技術在其他現代有軌電車工程的應用提供參考。

1 現代有軌電車專用無線通信系統要求

通信系統承載現代有軌電車的運營安全和乘客信息服務等數據傳輸，是現代有軌電車運營的信息交互通信網絡[1-2]。其中，專用無線通信為現代有軌電車調度人員、列車司機、運營管理和維保人員、場段范圍內綜合管廊內部空間提供語音和數據信息交換技術手段，完成無線調度通話、數據通信，以及傳輸車輛位置和運營信息、服務信息等任務。當有事故或通信異常時，可為防災救災、事故應急提供無線通信服務。現代有軌電車專用無線通信系統既需要語音和數據信息交換功能完善可靠，也需要使用和維護方便[3-4]，實現通話、調度、數據傳輸、通話錄音、網絡管理和信息安全等基本功能。

成都市新建現代有軌電車項目需傳輸的車地無線信息包括語音調度、數據、視頻(車載視頻監控、車載PIS(乘客信息系統))三大類。其帶寬需求如表1所示(上行帶寬共計2.55 Mbit/s；下行帶寬共計4.50 Mbit/s)。

表1 成都市新建現代有軌電車項目各類車地無線業務的帶寬需求

國家無線電管理委員會[2015]65號文件中明確劃定1.8 GHz頻段可應用于城市軌道交通，滿足城市軌道交通的應用需求。本工程擬采用1 790～1 795 MHz頻段，已申請5 Mbit/s帶寬建設無線寬帶網絡，滿足上行及下行數據傳輸的要求。

2 主流無線通信方案及分析

2.1 主流無線通信方案

在軌道交通領域，專用無線通信系統主要由窄帶數字集群系統(TETRA)和無線局域網實現。TETRA負責語音調度業務，但不支持寬帶數據傳輸；無線局域網實現其他視頻、PIS等數據業務。近期城市軌道交通開始采用具備調度呼叫功能的寬帶LTE系統。

在建或已運營的現代有軌電車專用無線通信系統多數采用自建通信網的方式，其無線通信技術包括TETRA、Mcwill?、WLAN(無線局域網)，或者相關組合方式；部分城市(如武漢大漢陽、上海松江)的現代有軌電車采用租用通信網絡方式(可為移動通信網絡、政務網、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，通過碼擴正交頻分多址(CS-OFDMA)實現可靠的無線數據和語音。采用租用公共移動通信網絡或政務專網，利用覆蓋范圍廣的公網系統，可使基建成本降低，無須考慮建設用地、建基站及布設天線，無需申請專用頻點；但不保證通信可靠性，且會產生租賃費用。WLAN是由IEEE 802.11規定的無線通信系統。LTE采用OFDM(正交頻分復用)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(服務質量)保證實時業務的質量。

2.2 無線通信系統制式比較與分析

對LTE與McWiLL?、TETRA的技術參數及性能進行比選，如表2所示。

由表2可知，McWiLL?具有自主知識產權，可滿足現代有軌電車通信需求，但供貨商單一；TETRA技術成熟，滿足語音通話功能，需有數據通信網絡作為補充；TD-LTE是我國擁有核心自主知識產權的第四代移動通信技術，在速率、時延和頻譜利用率等方面具有技術優勢，上下行寬帶可靈活配置，并能夠保證在高速移動時的通信效果。目前，我國軌道交通協會推薦LTE系統，該系統經擴展后，可同時承載語音集群調度和PIS視頻車地無線傳輸；可針對不同業務指定不同的業務等級，保證高優先級業務的資源和性能，實現與信號共用網絡。現代有軌電車自建TD-LTE專用無線通信是一種兼具先進性和實用性的方案。

3 基于TD-LTE的現代有軌電車無線通信系統方案

TD-LTE在我國已開通超過50萬個基站，覆蓋大多數城市。鄭州地鐵LTE系統承載PIS和車載CCTV(閉路電視)視頻流實時傳輸，10 MHz頻寬下可支持上行6 Mbit/s、下行8 Mbit/s的并發業務。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等無線通信業務。

表2 LTE、McWiL?與TETRA技術參數及性能比較

現代有軌電車對安全運營生產業務的需求不斷增多，對車地通信功能和性能要求不斷提升，基于TD-LTE的技術優勢、應用業績及新的規范要求，本工程設計基于LTE系統實現車地之間的實時信息交換，為現代有軌電車調度和相關業務提供無線通信、數據傳輸及語音集群調度等服務。

3.1 系統方案

3.1.1 總體方案設計

成都市現代有軌電車工程線路呈Y型布局，線路全長約39.0 km，設車站46座(其中高架站1座)。全線設定修段1處，停車場2處。該工程基于TD-LTE設計的無線通信系統，承載集群、CBTC、PIS(含車載CCTV)等業務。無線集群調度覆蓋范圍為：正線全線(含車站、變電所等)、車輛段(場)內室外部分和各庫內區域，以及場段內的綜合管廊內部空間。無線通信車地系統通過BBU(基帶處理單元)+RRU(射頻單元)的組網方式，采用定向天線，實現對線路區間、車輛段、庫內區域和場段內綜合管廊內部空間等區域的全覆蓋。

3.1.2 系統組成

本工程TD-LTE車地無線寬帶系統平臺的系統架構，由核心網絡層、無線匯聚層和接入層組成，如圖1所示。

在控制中心機房布置核心網設備，其與中心服務器、視頻服務器通過以太網交換機接口，接收視頻信息，將相關信息通過TD-LTE無線網絡傳輸到列車上。核心網設備包括LTE核心網、LTE網管、調度服務器、調度臺、錄音服務器、CCTV地面服務器、PIS地面服務器等。

無線匯聚層負責沿線LTE網絡覆蓋，包含BBU和RRU，覆蓋站臺周邊區域。BBU設在變電所；RRU采用2通道射頻單元，針對軌道交通線路進行無縫網絡覆蓋。沿線軌道交通區間和停車場部署TD-LTE分布式基站的RRU。RRU通過光纖鏈路遠程與BBU連接。停車場因區域面積大、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和集群手持終端。車載子系統由車載終端、車載天線、車載交換機和合路器等主設備組成。在每列車的車頭、車尾各設置 1 套車載終端(車載臺或接收終端)，分別用于列車的調度和數據通信。車載合路器與車載終端共用車載天線，實現語音集群功能。其中，車載終端通過車載交換機與車載控制器和LCD(液晶顯示)控制器相連，接收由控制中心提供的實時視頻信息，并向控制中心發送實時的車廂監控信息。車頭車尾兩臺車載終端構成主備關系，主備終端之間通過心跳協商工作，向車內PIS設備的網關提供連接服務。車載系統結構如圖2所示。

圖2 車載系統結構圖

3.2 系統功能要求

本工程的TD-LTE系統可實現車地之間的實時信息交換功能，提供無線通信、數據傳輸及語音集群調度等服務，并實現系統自檢、校時、數據通信、語音集群調度、特殊位置提示、車輛行駛監視、緊急報警處理、音視頻傳輸、報警聯動、數據安全、斷電保護等功能。

3.2.1 通話功能

系統的無線集群調度利用靈活的編組功能，把整個專用無線通信系統劃分成行車調度無線通信子系統、車輛段無線通信子系統、維修調度無線通信子系統、防災調度無線通信子系統、停車場無線通信子系統。行車調度員與列車司機之間的通話具有最高優先級，通信時刻保持連續，不會有任何中斷，系統保證其具有高可靠性，并且具有強插和強拆功能。

3.2.2 數據業務承載

系統具備完善的數據業務承載功能，安全可靠性高，可實現移動終端之間、移動終端和固定用戶之間的狀態信息、短信、調度信息、PIS信息、圖像監控信息等數據業務的傳輸。其中，數據傳輸功能包括終端和終端之間、終端和調度臺之間的雙向中文短數據收發，要求接收方收到數據后立即回復確認消息；狀態消息功能應使集群系統中終端和終端、終端與調度員之間能簡單且可靠地傳輸數字編碼格式的信息。此外，本系統可通過調度服務器利用信號系統接口接收和處理列車位置信息。

3.2.3 PIS

PIS業務主要提供乘車須知、列車服務時間、列車到站時間、管理者公告等運營信息，以及媒體新聞、賽事直播、廣告信息等。PIS業務傳輸的圖像分為標清或高清的視頻，傳輸速率為下行2～8 Mbit/s，采用組播技術極大節省空口帶寬資源。PIS服務器通過交換機、路由器與LTE的核心網對接，車載PIS 控制主機通過車載交換機與車載終端對接，實現地面視頻或圖像信息通過廣播或者組播傳輸到車廂內進行播放。

3.2.4 視頻監控信息

控制中心CCTV服務器通過交換機、路由器與LTE的核心網對接，車載PIS 控制主機通過車載交換機與車載終端對接，實現列車駕駛室、列車車廂的視頻監控圖像通過無線方式實時傳輸到控制中心或地面監控站。每路監控視頻傳輸速率至少2 Mbit/s ，保證上傳1路監控視頻，以進行集中監控。

3.2.5 系統安全和質量保證措施

系統實現上述無線通信、數據傳輸及語音集群調度等主要功能，同時實現PIS和1路車載視頻傳輸業務；利用專用無線通信完成包括系統自檢、校時、數據通信、語音集群調度、特殊位置提示、車輛行駛監視等功能。系統采取端到端加密和高度完整性保護實現不同應用間安全保證，提供高保密度無線寬帶數據通信服務。系統的網絡安全包依據3GPP LTE網絡安全標準，包括網絡接入安全、網絡域安全、用戶域安全等。其中入侵測試通過收集和分析網絡行為、安全日志、審計數據、其它網絡上可獲得的信息以及計算機系統中若干關鍵點的信息，檢查網絡或系統中是否存在違反安全策略的行為和被攻擊的跡象。在控制中心設置一套防病毒設備。

不同應用間的業務質量保證基于系統實現9個QoS分類級別(QCI)，根據QCI進行資源分配和調度，其中優先級越高者優先保障資源分配和調度。系統可以根據不同業務的QoS要求，進行不同的QoS參數配置，并映射到不同的QCI上，以保障不同業務的優先級別。最終，利用無線寬帶系統實現車地之間的實時信息交換功能，為有軌電車調度和相關業務提供無線通信、數據傳輸及語音集群調度等服務，同時實現包括系統自檢、校時、數據通信、語音集群調度、特殊位置提示、車輛行駛監視、緊急報警處理、音視頻傳輸、報警聯動、數據安全、斷電保護等功能。

3.3 系統功能實現

行車調度、車輛狀態監測、車載監控系統對數據實時性以及視頻圖像的播放質量要求高。LTE網絡選擇專用頻段，同時利用專有抗干擾技術，來降低其他無線信號對車地通信網絡的影響。系統采用冗余覆蓋，每個RRU帶2個天線，分別覆蓋線路的兩側，整個線路區間全部由2個RRU信號進行覆蓋，以保證網絡的可靠性。現代有軌電車車站距離較近(1 km左右)，全線環境以地面居多、有少量高架段，采用天線覆蓋的方式。冗余覆蓋如圖3所示。覆蓋站點按照覆蓋區域選點分布，如圖4所示。

圖3 TD-LTE網絡冗余覆蓋

△為車站，°為RRU站點

4 結語

本文根據現代有軌電車運營需求和功能要求，結合現有無線通信技術，比較分析主流無線通信方式的優勢及不足，并以成都市現代有軌電車工程為例，提出適合現代有軌電車運營需求的基于TD-LTE專用無線通信系統方案。該方案的專用無線通信業務承載了專業語音集群、視頻數據傳輸、車載PIS等信息，可作為現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代有軌電車項目中實施，實現了調度語音、行車數據、故障信息傳輸，為現代有軌電車高效、安全運營提供了技術保障。本文提出的方案也可為類似現代有軌電車工程提供借鑒和參考。