城市軌道交通無線通信網(wǎng)絡(luò)的融合及其方案應(yīng)用

燕 強(qiáng)

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，610031，成都 ∥ 高級工程師)

城市軌道交通無線通信系統(tǒng)，從模擬技術(shù)發(fā)展到數(shù)字技術(shù)，從窄帶通信發(fā)展到寬帶通信，從承載集群語音通信起步發(fā)展到如今承載CBTC(基于通信的列車控制)、無線集群調(diào)度、PIS(乘客信息系統(tǒng))、CCTV(視頻監(jiān)視)及車輛狀態(tài)信息等多種系統(tǒng)的業(yè)務(wù)，真正實現(xiàn)了跨越式的發(fā)展。無線通信系統(tǒng)作為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，隨著我國城市軌道交通的發(fā)展而發(fā)展，跟著世界無線通信技術(shù)的演進(jìn)而演進(jìn)，在城市軌道交通快速發(fā)展中發(fā)揮著不可或缺的作用。

在智慧軌道交通的新形勢下，云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G(第5代通信技術(shù))等新興信息與通信技術(shù)的發(fā)展，對無線通信系統(tǒng)提出了更高的要求。與此同時，無線通信系統(tǒng)建設(shè)也面臨著系統(tǒng)制式陳舊、互聯(lián)互通困難、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)封閉、數(shù)據(jù)帶寬不足等諸多挑戰(zhàn)，不適應(yīng)交通強(qiáng)國戰(zhàn)略實施、新基建建設(shè)、智慧軌道推進(jìn)、城市軌道交通行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和乘客高品質(zhì)服務(wù)的需求。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

LTE(長期演進(jìn))技術(shù)已經(jīng)在城市軌道交通行業(yè)推廣多年，在城市軌道交通授權(quán)頻段安全業(yè)務(wù)承載、寬窄帶融合數(shù)據(jù)通信方面，取得了成功，也暴露出一些問題。本文對全國已開通運營或在建的、采用LTE網(wǎng)絡(luò)的109條城市軌道交通線路無線通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)情況進(jìn)行分析，以對目前國內(nèi)專用無線通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行判斷。

1.1 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)情況

1) 已運營線路。目前，在鄭州、深圳、廈門及石家莊等十多座城市，27條已開通運營的地鐵或輕軌無線通信系統(tǒng)陸續(xù)采用了LTE-M(LTE-Machine-to-Machine )承載業(yè)務(wù)(見表1)。其承載業(yè)務(wù)有承載CBTC業(yè)務(wù)、承載PIS&CCTV業(yè)務(wù)、承載CBTC+PIS&CCTV業(yè)務(wù)及承載集群調(diào)度業(yè)務(wù)等4類。

2) 新建線路。目前，國內(nèi)82條在建線路的無線通信系統(tǒng)通過LTE-M系統(tǒng)來承載各類業(yè)務(wù)(見表2)。其承載業(yè)務(wù)有承載CBTC業(yè)務(wù)、承載PIS&CCTV業(yè)務(wù)、承載CBTC+集群調(diào)度業(yè)務(wù)、承載CBTC+PIS&CCTV業(yè)務(wù)、承載CBTC+PIS&CCTV+集群調(diào)度業(yè)務(wù)及承載集群調(diào)度+PIS&CCTV業(yè)務(wù)等6類。

表1 國內(nèi)已開通線路的LTE網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)統(tǒng)計表

表2 國內(nèi)在建線路的LTE網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)統(tǒng)計表

1.2 存在的問題

通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，在寬帶移動通信技術(shù)快速發(fā)展的今天，城市軌道交通無線通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)仍趨于保守，其網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)單一，可擴(kuò)展性弱，未考慮新技術(shù)、新業(yè)務(wù)的承載需求。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1) 窄帶通信與寬帶通信并存。經(jīng)統(tǒng)計，在研究的109條地鐵輕軌線路中，僅有21條線路采用了LTE寬帶集群調(diào)度通信，其他線路仍采用TETRA( 陸上集群無線電)窄帶數(shù)字集群。

2) LTE寬帶無線通信頻率利用率低，承載業(yè)務(wù)較少。經(jīng)統(tǒng)計，在研究的109條地鐵輕軌線路中， 54條線路僅承載CBTC業(yè)務(wù)，16條線路僅承載PIS業(yè)務(wù)，僅39條線路實現(xiàn)了綜合承載。70%以上的線路申請頻率為10 MHz及以下。除了綜合承載之外，其他業(yè)務(wù)承載的主要覆蓋范圍為區(qū)間及站臺，其頻率資源未得到充分利用。

3) 網(wǎng)絡(luò)帶寬受限，采用多張網(wǎng)絡(luò)滿足車地?zé)o線通信需求。 經(jīng)統(tǒng)計，在研究的109條地鐵輕軌線路中，僅11條線路實現(xiàn)了CBTC、PIS&CCTV及集群調(diào)度的綜合承載，其他線路大多在非授權(quán)頻段另建了1張WLAN(無線局域網(wǎng))及LTE-U(LTE-Unlicensed)來承載PIS&CCTV業(yè)務(wù)。如加上承載集群調(diào)度業(yè)務(wù)的TETRA系統(tǒng)，則有超過60%的線路建設(shè)了3張專用無線通信網(wǎng)絡(luò)。

2 業(yè)務(wù)需求

城市軌道交通無線通信業(yè)務(wù)需求如圖1所示。智慧軌道交通的大帶寬、低延時等車地通信需求對無線通信提出了更高的要求。無線通信網(wǎng)不再業(yè)務(wù)單一，而是面向多業(yè)務(wù)綜合承載的方向發(fā)展。無線通信系統(tǒng)主要傳送行車安全相關(guān)信息和非行車安全的車地?zé)o線通信信息。行車安全相關(guān)信息包括無線集群調(diào)度信息、信號系統(tǒng)信息、車輛信息及車車通信信息等。非行車安全車地?zé)o線通信信息包括視頻信息、物聯(lián)網(wǎng)信息、人工智能信息及智慧車輛信息等。

3 無線通信網(wǎng)絡(luò)的融合

3.1 寬窄帶融合

語音集群調(diào)度通信不再采用單獨建設(shè)的傳統(tǒng)窄帶制式，而采用寬帶數(shù)字集群通信來承載。對于既有的窄帶制式專網(wǎng)及站務(wù)窄帶語音通信業(yè)務(wù)，如暫時無法過渡到寬帶集群的現(xiàn)狀，則采用寬窄帶網(wǎng)絡(luò)互連互通的方式，以實現(xiàn)寬窄帶融合通信。

3.2 專用頻段與非專用頻段融合

利用專用頻段與非專用頻段分別建立2張無線通信網(wǎng)。專用頻段無線通信網(wǎng)承載行車安全類業(yè)務(wù)，非專用頻段無線通信網(wǎng)承載行車安全類業(yè)務(wù)的備份及非安全類業(yè)務(wù)的大帶寬數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

3.3 5G網(wǎng)絡(luò)融合

與運營商合作，共建共享5G網(wǎng)絡(luò)。盡量采用專用頻率搭建的5G網(wǎng)絡(luò)來承載行車安全類業(yè)務(wù)，利用共建共享及網(wǎng)絡(luò)切片在公共通信網(wǎng)來承載非安全類業(yè)務(wù)。

4 融合方案的應(yīng)用

4.1 寬窄帶異系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備互聯(lián)互通融合方案

窄帶集群調(diào)度網(wǎng)絡(luò)可通過集群網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)與其他窄帶集群網(wǎng)絡(luò)互通，以及通過集群網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)與其他寬帶集群系統(tǒng)的互聯(lián)互通。組網(wǎng)時，集群網(wǎng)關(guān)設(shè)備和異系統(tǒng)之間按照異系統(tǒng)原有的信令格式和語音報文格式進(jìn)行處理。網(wǎng)關(guān)設(shè)備負(fù)責(zé)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。通過該方案，能實現(xiàn)TETRA、PDT(警用數(shù)字集群)及DMR(數(shù)字移動無線電)等窄帶通信系統(tǒng)同LTE-M寬帶集群之間的互聯(lián)互通。

圖1 城市軌道交通無線通信業(yè)務(wù)需求

4.2 LTE-M與開放頻段雙網(wǎng)融合方案

采用1 785～1 805 MHz地鐵專用授權(quán)頻段頻率組建A網(wǎng)，主要承載CBTC及集群調(diào)度等與安全相關(guān)的高可靠性業(yè)務(wù)；采用開放頻段組建B網(wǎng)，承載車輛視頻監(jiān)視、PIS的旅客信息服務(wù)等大帶寬業(yè)務(wù)，以及CBTC備份業(yè)務(wù)。其中，A網(wǎng)采用成熟的LTE-M制式，B網(wǎng)采用EUHT(超高速無線通信)、WIFI6(第6代無線局域網(wǎng)技術(shù))及毫米波等新技術(shù)。該方案能有效解決LTE-M網(wǎng)絡(luò)頻寬較窄、帶寬較低的不足，既滿足了信號系統(tǒng)高可靠性的要求，又滿足了大帶寬、新業(yè)務(wù)的傳輸需要。該融合方案已在北京地鐵首都機(jī)場線應(yīng)用。

4.3 5G融合組網(wǎng)方案

根據(jù)業(yè)務(wù)及各地政策條件的不同，城市軌道交通無線通信系統(tǒng)采用多種方式來共建共享5G網(wǎng)絡(luò)。5G核心網(wǎng)、5G基站及 MEC (移動邊緣計算節(jié)點)等網(wǎng)元可根據(jù)具體情況自建或共享，形成多種網(wǎng)絡(luò)部署方案。

4.3.1 方案一

方案一為城市軌道交通完全獨占所有5G網(wǎng)絡(luò)資源方案。由城市軌道交通建設(shè)方委托公網(wǎng)運營商部署全套5G網(wǎng)絡(luò)(包括5GC(5G核心網(wǎng))、GNB(5G基站)及MEC)，專供城市軌道交通使用，或由城市軌道交通建設(shè)方自建所有5G網(wǎng)絡(luò)，并由公網(wǎng)運營商授權(quán)其專用的5G頻率。方案一的網(wǎng)絡(luò)部署見圖2。

方案優(yōu)勢：專網(wǎng)專用，能提供完整的數(shù)據(jù)安全性，使數(shù)據(jù)資源完全隔離，可確保城市軌道交通內(nèi)部數(shù)據(jù)不外泄；頻譜資源獨享，為完全定制化服務(wù)；通信設(shè)備的使用和管理可自主控制。

方案劣勢：投資最大。若采用通信運營商代建方式，則支付給通信運營商的租金會非常高。若由城市軌道交通運營方投資及運營維護(hù)，則不僅先期建設(shè)成本很高，而且當(dāng)后期運營維護(hù)軌道交通運營團(tuán)隊沒有構(gòu)建和運營5G網(wǎng)絡(luò)的專業(yè)知識時，還需要額外投入專網(wǎng)建設(shè)運營的行業(yè)技能和人員配置；通信運營商的5G頻段資源也是有限的，不大可能由城市軌道交通長期完全占用；隨著通信運營商業(yè)務(wù)量的增加，城市軌道交通占用的資源可能會對通信運營商的業(yè)務(wù)配置造成影響，進(jìn)而致使運營商收回頻譜資源。

圖2 方案一網(wǎng)絡(luò)部署示意圖

4.3.2 方案二

由城市軌道交通運營方委托通信運營商部署或自建核心網(wǎng)(包括5GC及MEC)，并由城市軌道交通獨占5GC 及MEC，共享運營商GNB基站。方案二的網(wǎng)絡(luò)部署見圖3。

圖3 方案二網(wǎng)絡(luò)部署示意圖

方案優(yōu)勢：核心網(wǎng)側(cè)的專網(wǎng)與公網(wǎng)物理隔離，其數(shù)據(jù)資源隔離性較高，可建設(shè)獨立的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而深度定制化服務(wù)；便于運營，可節(jié)省城市軌道交通沿線所有5G接入無線網(wǎng)絡(luò)的投資。

方案劣勢：投資較高。如后期運營維護(hù)軌道交通運營團(tuán)隊沒有構(gòu)建和運營5G網(wǎng)絡(luò)的專業(yè)知識，則還需要額外投入專網(wǎng)建設(shè)運營的行業(yè)技能儲備和人員配置。

4.3.3 方案三

城市軌道交通運營方與通信運營商完全共享網(wǎng)絡(luò)(包括5GC 、MEC及GNB)，并采用網(wǎng)絡(luò)切片方式承載專網(wǎng)業(yè)務(wù)。方案三的網(wǎng)絡(luò)部署見圖4。

方案優(yōu)勢：無需任何建設(shè)成本，只需向運營商訂購網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)即可實現(xiàn)專網(wǎng)能力。

方案劣勢：與公共網(wǎng)絡(luò)混用，在網(wǎng)絡(luò)安全、容量及定制化服務(wù)等方面的用戶體驗較差；信息存儲在運營商的核心網(wǎng)上，運營維護(hù)不便。

圖4 方案三網(wǎng)絡(luò)部署示意圖

5 結(jié)語

在新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、智慧軌道交通的新形勢下，會進(jìn)一步加快對無線系統(tǒng)承載業(yè)務(wù)及建設(shè)方式的重新定義，從而影響軌道交通無線通信系統(tǒng)對技術(shù)的選擇。隨著智慧城軌的逐步落地及新技術(shù)的日趨成熟，城市軌道交通建設(shè)需要在符合中國需求和面向未來的概念下不斷完善和融合軌道交通無線通信系統(tǒng)。本文探討了軌道交通無線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)融合方案。網(wǎng)絡(luò)融合方案各有優(yōu)缺點，應(yīng)從線路自身的具體情況、軌道交通制式、業(yè)務(wù)需求及投資等各方面進(jìn)行綜合考慮，決定未來無線通信技術(shù)在軌道交通中的地位和使用方式，選擇適合的網(wǎng)絡(luò)融合應(yīng)用方案。