城市軌道交通無線通信網絡的融合及其方案應用

燕 強

(中鐵二院工程集團有限責任公司，610031，成都 ∥ 高級工程師)

城市軌道交通無線通信系統，從模擬技術發展到數字技術，從窄帶通信發展到寬帶通信，從承載集群語音通信起步發展到如今承載CBTC(基于通信的列車控制)、無線集群調度、PIS(乘客信息系統)、CCTV(視頻監視)及車輛狀態信息等多種系統的業務，真正實現了跨越式的發展。無線通信系統作為基礎網絡設施，隨著我國城市軌道交通的發展而發展，跟著世界無線通信技術的演進而演進，在城市軌道交通快速發展中發揮著不可或缺的作用。

在智慧軌道交通的新形勢下，云計算、大數據、物聯網、人工智能、5G(第5代通信技術)等新興信息與通信技術的發展，對無線通信系統提出了更高的要求。與此同時，無線通信系統建設也面臨著系統制式陳舊、互聯互通困難、網絡架構封閉、數據帶寬不足等諸多挑戰，不適應交通強國戰略實施、新基建建設、智慧軌道推進、城市軌道交通行業高質量發展和乘客高品質服務的需求。

1 發展現狀

LTE(長期演進)技術已經在城市軌道交通行業推廣多年，在城市軌道交通授權頻段安全業務承載、寬窄帶融合數據通信方面，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網絡的109條城市軌道交通線路無線通信網絡建設情況進行分析，以對目前國內專用無線通信技術發展現狀進行判斷。

1.1 網絡建設情況

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陸續采用了LTE-M(LTE-Machine-to-Machine )承載業務(見表1)。其承載業務有承載CBTC業務、承載PIS&CCTV業務、承載CBTC+PIS&CCTV業務及承載集群調度業務等4類。

2) 新建線路。目前，國內82條在建線路的無線通信系統通過LTE-M系統來承載各類業務(見表2)。其承載業務有承載CBTC業務、承載PIS&CCTV業務、承載CBTC+集群調度業務、承載CBTC+PIS&CCTV業務、承載CBTC+PIS&CCTV+集群調度業務及承載集群調度+PIS&CCTV業務等6類。

表1 國內已開通線路的LTE網絡承載業務統計表

表2 國內在建線路的LTE網絡承載業務統計表

1.2 存在的問題

通過統計分析發現，在寬帶移動通信技術快速發展的今天，城市軌道交通無線通信網絡建設仍趨于保守，其網絡承載業務單一，可擴展性弱，未考慮新技術、新業務的承載需求。主要體現在以下幾個方面：

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

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

3) 網絡帶寬受限，采用多張網絡滿足車地無線通信需求。 經統計，在研究的109條地鐵輕軌線路中，僅11條線路實現了CBTC、PIS&CCTV及集群調度的綜合承載，其他線路大多在非授權頻段另建了1張WLAN(無線局域網)及LTE-U(LTE-Unlicensed)來承載PIS&CCTV業務。如加上承載集群調度業務的TETRA系統，則有超過60%的線路建設了3張專用無線通信網絡。

2 業務需求

城市軌道交通無線通信業務需求如圖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。無線通信網不再業務單一，而是面向多業務綜合承載的方向發展。無線通信系統主要傳送行車安全相關信息和非行車安全的車地無線通信信息。行車安全相關信息包括無線集群調度信息、信號系統信息、車輛信息及車車通信信息等。非行車安全車地無線通信信息包括視頻信息、物聯網信息、人工智能信息及智慧車輛信息等。

3 無線通信網絡的融合

3.1 寬窄帶融合

語音集群調度通信不再采用單獨建設的傳統窄帶制式，而采用寬帶數字集群通信來承載。對于既有的窄帶制式專網及站務窄帶語音通信業務，如暫時無法過渡到寬帶集群的現狀，則采用寬窄帶網絡互連互通的方式，以實現寬窄帶融合通信。

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。專用頻段無線通信網承載行車安全類業務，非專用頻段無線通信網承載行車安全類業務的備份及非安全類業務的大帶寬數據業務。

3.3 5G網絡融合

與運營商合作，共建共享5G網絡。盡量采用專用頻率搭建的5G網絡來承載行車安全類業務，利用共建共享及網絡切片在公共通信網來承載非安全類業務。

4 融合方案的應用

4.1 寬窄帶異系統網關設備互聯互通融合方案

窄帶集群調度網絡可通過集群網關實現與其他窄帶集群網絡互通，以及通過集群網關實現與其他寬帶集群系統的互聯互通。組網時，集群網關設備和異系統之間按照異系統原有的信令格式和語音報文格式進行處理。網關設備負責實現網絡的互聯和數據的轉換。通過該方案，能實現TETRA、PDT(警用數字集群)及DMR(數字移動無線電)等窄帶通信系統同LTE-M寬帶集群之間的互聯互通。

圖1 城市軌道交通無線通信業務需求

4.2 LTE-M與開放頻段雙網融合方案

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

4.3 5G融合組網方案

根據業務及各地政策條件的不同，城市軌道交通無線通信系統采用多種方式來共建共享5G網絡。5G核心網、5G基站及 MEC (移動邊緣計算節點)等網元可根據具體情況自建或共享，形成多種網絡部署方案。

4.3.1 方案一

方案一為城市軌道交通完全獨占所有5G網絡資源方案。由城市軌道交通建設方委托公網運營商部署全套5G網絡(包括5GC(5G核心網)、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方自建所有5G網絡，并由公網運營商授權其專用的5G頻率。方案一的網絡部署見圖2。

方案優勢：專網專用，能提供完整的數據安全性，使數據資源完全隔離，可確保城市軌道交通內部數據不外泄；頻譜資源獨享，為完全定制化服務；通信設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，則不僅先期建設成本很高，而且當后期運營維護軌道交通運營團隊沒有構建和運營5G網絡的專業知識時，還需要額外投入專網建設運營的行業技能和人員配置；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；隨著通信運營商業務量的增加，城市軌道交通占用的資源可能會對通信運營商的業務配置造成影響，進而致使運營商收回頻譜資源。

圖2 方案一網絡部署示意圖

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(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。方案二的網絡部署見圖3。

圖3 方案二網絡部署示意圖

方案優勢：核心網側的專網與公網物理隔離，其數據資源隔離性較高，可建設獨立的業務網絡，進而深度定制化服務；便于運營，可節省城市軌道交通沿線所有5G接入無線網絡的投資。

方案劣勢：投資較高。如后期運營維護軌道交通運營團隊沒有構建和運營5G網絡的專業知識，則還需要額外投入專網建設運營的行業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絡(包括5GC 、MEC及GNB)，并采用網絡切片方式承載專網業務。方案三的網絡部署見圖4。

方案優勢：無需任何建設成本，只需向運營商訂購網絡切片服務即可實現專網能力。

方案劣勢：與公共網絡混用，在網絡安全、容量及定制化服務等方面的用戶體驗較差；信息存儲在運營商的核心網上，運營維護不便。

圖4 方案三網絡部署示意圖

5 結語

在新型基礎設施建設、智慧軌道交通的新形勢下，會進一步加快對無線系統承載業務及建設方式的重新定義，從而影響軌道交通無線通信系統對技術的選擇。隨著智慧城軌的逐步落地及新技術的日趨成熟，城市軌道交通建設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。本文探討了軌道交通無線通信系統網絡融合方案。網絡融合方案各有優缺點，應從線路自身的具體情況、軌道交通制式、業務需求及投資等各方面進行綜合考慮，決定未來無線通信技術在軌道交通中的地位和使用方式，選擇適合的網絡融合應用方案。