淺談城市軌道交通專用無線通信系統(tǒng)

劉思瑤，高 帆

（1.南京軌道交通系統(tǒng)工程有限公司，江蘇 南京 210000；2.中建安裝集團有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

軌道交通通信系統(tǒng)主要分為專用通信、民用通信以及公安通信系統(tǒng)（見圖1）。其中，專用通信系統(tǒng)包括電源系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、無線系統(tǒng)、PIS系統(tǒng)、集中告警系統(tǒng)等十幾個系統(tǒng)，而無線系統(tǒng)作為軌道交通專用通信系統(tǒng)三大基礎(chǔ)系統(tǒng)之一，主要服務(wù)于地鐵生產(chǎn)網(wǎng)的運維人員日常工作的溝通與交流，通過組呼、單呼、派接呼、列車廣播、轉(zhuǎn)組、功能號呼叫、列車ATS位置顯示等定制化的專網(wǎng)業(yè)務(wù)功能，為中心調(diào)度員對全線列車司機、車站值班員等各部門各專業(yè)人員的統(tǒng)一調(diào)度提供可靠有效的無線通信手段，滿足地鐵運營管理的需要。

圖1 通信系統(tǒng)組成圖

1 城市軌道交通專用無線通信系統(tǒng)功能

專用無線通信系統(tǒng)是個集成系統(tǒng)，主要由無線通道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和二次開發(fā)系統(tǒng)組成（如圖2所示）。無線通道網(wǎng)絡(luò)是控制中心、車站、車輛段以及列車調(diào)度通信的網(wǎng)絡(luò)通道，包括集群交換中心服務(wù)器、基站設(shè)備（含無線拉遠單元）、室分天饋系統(tǒng)等組成。其中，集群交換中心服務(wù)器主要部署在控制中心，基站設(shè)備部署在中心、各車站區(qū)間以及車輛段，室分天饋系統(tǒng)基于基站設(shè)備信號鋪設(shè)室內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)，提供中心、各車站及車輛段室內(nèi)的無線覆蓋信號。二次開發(fā)系統(tǒng)是實現(xiàn)本系統(tǒng)所有功能的應(yīng)用層系統(tǒng)，基于通道網(wǎng)絡(luò)進行定制化的二次開發(fā)，主要包括CAD服務(wù)器、調(diào)度臺、網(wǎng)管、車載臺、固定臺等二次開發(fā)系統(tǒng)設(shè)備，實現(xiàn)組呼、點呼、選呼、廣播呼[1]等語音類呼叫、短信收發(fā)、轉(zhuǎn)組等業(yè)務(wù)功能。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用于軌道交通的專網(wǎng)通道從窄帶逐漸變成了寬帶，系統(tǒng)業(yè)務(wù)配置更加靈活，在原傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上新增了視頻回傳、視頻點呼、視頻分發(fā)等寬帶視頻調(diào)度集群業(yè)務(wù)功能。

圖2 專用無線通信系統(tǒng)圖

2 幾種主流制式的專用無線通信系統(tǒng)比較

2.1 基于TETRA的數(shù)字集群調(diào)度系統(tǒng)

基于TETRA的數(shù)字集群通信系統(tǒng)是由第一代模擬集群通信系統(tǒng)發(fā)展而來的。系統(tǒng)是由多基站的TETRA數(shù)字集群形成的一個有線、無線相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)，主要由設(shè)置在運營控制中心（OCC）的調(diào)度臺（含二次開發(fā)的行車調(diào)度臺系統(tǒng)、設(shè)備（電力、防災(zāi)）調(diào)度臺系統(tǒng)、維修調(diào)度臺系統(tǒng)、車輛段/停車場調(diào)度臺系統(tǒng)以及TETRA原裝調(diào)度臺）、二次開發(fā)CAD服務(wù)器系統(tǒng)、網(wǎng)管系統(tǒng)（含二次開發(fā)網(wǎng)管、TETRA原裝網(wǎng)管）以及實現(xiàn)核心集群業(yè)務(wù)、通道網(wǎng)絡(luò)的集群交換控制系統(tǒng)；設(shè)置在站臺和站廳的基站、室內(nèi)分布系統(tǒng)、固定臺；安裝在機車上的車載臺，工作人員使用的手持臺，以及在車輛段/停車場的調(diào)度臺、基站等設(shè)備構(gòu)成。

（1）集群交換控制系統(tǒng)含多個業(yè)務(wù)子單元，所有終端之間的通信均需要通過集群交換控制系統(tǒng)進行中轉(zhuǎn)調(diào)度，再轉(zhuǎn)發(fā)至目的地設(shè)備，是無線系統(tǒng)的核心大腦。

（2）基站設(shè)備是連接終端設(shè)備和集群交換控制系統(tǒng)的橋梁設(shè)備，一般由基站和直放站拉遠設(shè)備組成，終端設(shè)備將信號發(fā)送至基站，經(jīng)由基站設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)至集群交換控制系統(tǒng)，再由集群交換控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)至目的地附近基站，最終由該基站將數(shù)據(jù)推送至目的設(shè)備。

（3）二次開發(fā)調(diào)度系統(tǒng)由CAD服務(wù)器和調(diào)度臺組成，CAD服務(wù)器為后臺運行設(shè)備，主要提供本系統(tǒng)列車組、車站組、通話組等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的維護，同時接收信號系統(tǒng)ATS數(shù)據(jù)、時鐘數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)本系統(tǒng)其他業(yè)務(wù)子系統(tǒng)，進行列車位置信息顯示和時間校時；二次開發(fā)調(diào)度臺是二次開發(fā)系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)，主要由控制中心行調(diào)人員、維調(diào)人員使用，行調(diào)人員通過該子系統(tǒng)實現(xiàn)對正線司機的行駛調(diào)度，廠調(diào)人員通過該子系統(tǒng)實現(xiàn)對車輛段區(qū)域司機的統(tǒng)一調(diào)度，其他維修及設(shè)備調(diào)人員通過該子系統(tǒng)與全線維修人員進行無線通話。

（4）二次開發(fā)網(wǎng)管主要實現(xiàn)本系統(tǒng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)等故障管理功能，當設(shè)備宕機、軟件崩潰時，網(wǎng)管子系統(tǒng)通過聲光提示實時報警，同時二開網(wǎng)管通過SNMP協(xié)議可以接收通道網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的故障信息，在本機上顯示。

（5）車載臺和固定臺設(shè)備均為二次開發(fā)終端設(shè)備，通過定制化的設(shè)計，分別安裝在列車司機室和車站車控室，實現(xiàn)列車司機以及車站值班人員和中心調(diào)度員的無線通話。

TETRA的出現(xiàn)標志著集群通信從模擬時代跨越到數(shù)字時代，TETRA是過去20年軌道交通行業(yè)的主流語音集群調(diào)度技術(shù)，語音集群調(diào)度功能完善，性能穩(wěn)定，滿足軌道交通的語音集群調(diào)度業(yè)務(wù)應(yīng)用，主流通道廠家包括摩托羅拉、歐宇航、海能達等，目前部分新線路建設(shè)仍舊使用TETRA制式的無線通信系統(tǒng)。

2.2 基于LTE的寬帶集群調(diào)度系統(tǒng)

隨著3G到4G通信技術(shù)的發(fā)展，1.8 GHz的TD-LTE制式的軌道交通專用無線通信系統(tǒng)基于行業(yè)B-TrunC寬帶集群標準[2]，專網(wǎng)頻段范圍為1785～1805 MHz，共20 MHz帶寬。主流通道廠家包括鼎橋、華為、中興等，目前廣州、上海、南京、寧波、哈爾濱等城市地鐵均已開始應(yīng)用或在建，基于LTE的專用無線通信系統(tǒng)正迎來它的爆發(fā)式發(fā)展增長期。

LTE寬帶傳輸通道徹底打破了原有至少3張不同網(wǎng)絡(luò)去承載CBTC、集群、CCTV、PIS等車地通信系統(tǒng)的方式，通過同一張網(wǎng)絡(luò)對車地通信系統(tǒng)進行綜合承載，是車地通信系統(tǒng)的里程碑式的轉(zhuǎn)變，大大降低了通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度、整體運營維護成本。

（1）對使用其通道的無線通信系統(tǒng)而言，從系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上來說，核心網(wǎng)到BBU、RRU以及終端的架構(gòu)方式更加扁平化；同時支持B-TrunC標準的不同通道廠家設(shè)備理論上可以進行互聯(lián)互通，而TETRA在窄帶網(wǎng)絡(luò)中不同廠家的通道無法互聯(lián)互通。

（2）從實現(xiàn)方式上來說，不再受限調(diào)度臺實現(xiàn)集群語音、CAD負責注冊鑒權(quán)、網(wǎng)絡(luò)短數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的傳統(tǒng)方式，LTE核心網(wǎng)側(cè)提供了豐富的賬號資源，業(yè)務(wù)系統(tǒng)注冊鑒權(quán)不再受限，系統(tǒng)業(yè)務(wù)配置更加靈活。

（3）從業(yè)務(wù)應(yīng)用上來說，傳統(tǒng)的集群語音、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)不變，豐富的帶寬資源使系統(tǒng)增加了視頻監(jiān)控、監(jiān)控、點呼、分發(fā)等寬帶視頻調(diào)度業(yè)務(wù)；窄帶網(wǎng)絡(luò)通常對二次開發(fā)終端設(shè)備、調(diào)度臺進行錄音，手持臺設(shè)備無法錄音，而LTE網(wǎng)絡(luò)通道廠家提供了豐富的錄音錄像二次開發(fā)接口，通過直接從LTE集群調(diào)度服務(wù)器側(cè)獲取音視頻數(shù)據(jù)，生成WAV、MP4等音視頻文件，實現(xiàn)對全網(wǎng)設(shè)備的錄音和錄像。地鐵人員使用手持臺頻率較高，遍布全線各區(qū)域，全網(wǎng)錄音錄像為運維故障問題的后續(xù)追蹤提供了有效保障。同時，在目前全自動無人駕駛等智慧地鐵的場景趨勢需求下，LTE為列車乘客在緊急情況下與中心調(diào)度視頻直連的乘客調(diào)度等業(yè)務(wù)場景提供了重要的數(shù)據(jù)通道。

2.3 5G時代專用無線集群調(diào)度系統(tǒng)的探討

受制于有限的LTE專網(wǎng)頻段資源，基于LTE的車地通信目前主要還是用于承載CBTC或CBTC+集群的車地通信系統(tǒng)，CCTV、PIS等需要大帶寬資源的系統(tǒng)仍使用WLAN等方式傳輸。新基建時代，公網(wǎng)5G已劃分頻段，目前已在全國快速落地部署網(wǎng)絡(luò)，而5G軌道交通專用頻段資源由于暫未劃分[3]，不具備搭建專網(wǎng)5G的條件，目前行業(yè)處于地鐵和運營商共同制定標準、合作試驗階段。

例如，哈爾濱地鐵針對車輛智能運維的業(yè)務(wù)場景需求，傳統(tǒng)U盤拷貝方式，拷貝時間長，時效性和安全性差，無法滿足大數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)膽?yīng)用要求。使用的華為5G-AirFlash車地轉(zhuǎn)儲技術(shù)方案，在列車、車輛段和車站軌旁分別部署5G終端和無線通信設(shè)備，當列車駛?cè)胝緝?nèi)軌旁設(shè)備監(jiān)測范圍內(nèi)，將車載視頻數(shù)據(jù)精準快速傳至軌旁存儲設(shè)備，傳輸速率需要不低于1.5 Gb/s，實現(xiàn)軌道交通運營方對乘客狀況、列車設(shè)備及運行狀態(tài)、隧道及弓網(wǎng)等情況的監(jiān)測、實現(xiàn)故障預(yù)測與健康管理，包括狀態(tài)監(jiān)控、故障分析、故障預(yù)警、運維決策，最終達到提高檢修效率和安全性，降低維修成本的目標。

南京地鐵、上海地鐵聯(lián)合運營商等設(shè)備廠家搭建5G網(wǎng)絡(luò)（支持SA/NSA）（見圖3），利用網(wǎng)絡(luò)切片等技術(shù)，將專網(wǎng)業(yè)務(wù)下沉本地管理[4]，進行通信終端視頻圖像回傳，信號系統(tǒng)、行客流熱力分析預(yù)警等相關(guān)試驗應(yīng)用[5]。基于5G的行業(yè)集群通信標準暫未發(fā)布，未來一段時間內(nèi)專網(wǎng)LTE網(wǎng)絡(luò)將持續(xù)承載集群、CBTC等一級生產(chǎn)業(yè)務(wù)，綜合5G網(wǎng)絡(luò)承載非關(guān)鍵、需要大數(shù)據(jù)帶寬支撐的其他業(yè)務(wù)，共同助力智慧城軌的發(fā)展。

圖3 基于5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的專網(wǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)圖

3 幾種制式系統(tǒng)的互聯(lián)互通

專用無線通信系統(tǒng)互聯(lián)互通包括與通信其他子系統(tǒng)以及系統(tǒng)通道級的互聯(lián)互通。與通信其他子系統(tǒng)的互聯(lián)主要是指通過專用無線通信的終端，可撥打外部電話（軌道交通專用通信公務(wù)電話系統(tǒng)）進行語音通話。在窄帶網(wǎng)絡(luò)中通過程控交換機等設(shè)備實現(xiàn)，在寬帶IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，不再需要單獨的程控交換機，通過配置系統(tǒng)可直接通過SIP協(xié)議進行通信互聯(lián)。

系統(tǒng)通道級的互聯(lián)互通是指不同廠家設(shè)備的窄帶TETRA、寬帶LTE通道之間的互聯(lián)以及寬窄帶融合的互聯(lián)互通。在窄帶網(wǎng)絡(luò)中，基于TETRA制式的主流設(shè)備廠商為摩托、歐宇航等國外廠家，難以提供對外互通接口，同一個城市由于不同線路使用了不同廠家設(shè)備，每次均需要新建網(wǎng)絡(luò)且無法與既有線路互聯(lián)，增加了建設(shè)設(shè)備和運維管理成本。在LTE寬帶網(wǎng)絡(luò)中，鼎橋、華為、中興等主流廠商設(shè)備均基于行業(yè)B-TrunC標準協(xié)議，理論上通過配置即可實現(xiàn)系統(tǒng)級或基于基站的換乘站級的互聯(lián)互通，而不再受設(shè)備品牌限制。在寬窄帶融合方面，目前系統(tǒng)級的互聯(lián)互通仍然是個瓶頸，終端側(cè)LTE廠家通過互聯(lián)集群網(wǎng)關(guān)（內(nèi)置窄帶通信模塊），通過寬帶和窄帶系統(tǒng)側(cè)的配置，將窄帶系統(tǒng)終端的話音通過該設(shè)備轉(zhuǎn)換后，在寬帶終端播放，實現(xiàn)組呼的集群業(yè)務(wù)，這種方式只需要窄帶和寬帶設(shè)備在本無線覆蓋區(qū)域內(nèi)，對空間區(qū)域提供了較大自由度，實現(xiàn)了寬窄帶融合的部分業(yè)務(wù)互聯(lián)互通。目前5G網(wǎng)絡(luò)為公網(wǎng)運營商設(shè)備，與專網(wǎng)LTE網(wǎng)絡(luò)相互獨立，業(yè)務(wù)隔離。未來在5G相關(guān)行業(yè)標準下，與LTE網(wǎng)絡(luò)融合，利用5G超大帶寬的優(yōu)勢，共同承載CBTC、集群、CCTV、PIS等專網(wǎng)通信系統(tǒng)將是大勢所趨。

4 結(jié)束語

專用無線通信系統(tǒng)是軌道交通專用通信系統(tǒng)里的基礎(chǔ)子系統(tǒng)，承擔著地鐵業(yè)務(wù)部門日常溝通、行車調(diào)度的重要作用。地鐵專網(wǎng)通信制式從早期的模擬到數(shù)字到寬帶的演變，對于無線通信系統(tǒng)而言不能簡單理解為功能更多、性能更優(yōu)，每種制式的系統(tǒng)有其各自的特點，TETRA在語音通話、短數(shù)據(jù)收發(fā)、轉(zhuǎn)組等傳統(tǒng)集群業(yè)務(wù)的承載上穩(wěn)定可靠，但由于主設(shè)備通道設(shè)備長期由國外廠家壟斷，增加了地鐵中長期的運營維護成本；LTE在頻段帶寬資源充足的情況，完全能夠綜合承載CBTC、集群、CCTV、PIS等所有車地通信業(yè)務(wù)，在線路建設(shè)成本、后期維護等方面有較大優(yōu)勢，而對本身集群調(diào)度業(yè)務(wù)來說，除新增了視頻調(diào)度功能，傳統(tǒng)的集群語音業(yè)務(wù)和TETRA區(qū)別不大；5G的超大帶寬、網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計算等技術(shù)將用更優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)承載更豐富的業(yè)務(wù)，是目前智慧地鐵、智能運維需求發(fā)展的重要基礎(chǔ)通道。通信制式的變化，更多是針對日益龐大的地鐵線路網(wǎng)絡(luò)，通過整體規(guī)劃、系統(tǒng)級融合等統(tǒng)一管理模式，優(yōu)化了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提高運維效率，減少運維成本，提供智能維修決策、預(yù)警等智慧化業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)通道，開啟智慧地鐵新時代。■