車載綜合監控及車地無線通信技術方案研究

查道林 楊軍華

（上海電科智能系統股份有限公司，上海 202107）

0 引言

隨著城市軌道交通無人駕駛技術日漸成熟，軌道交通增加了對行車安全和乘客安全的關注，對無人駕駛線路的保障提出了更高的要求。在列車實現無人值守的目標后，要求調度人員更加精準化地管理全線列車和乘客，對正常運營下的列車進行管控巡視，在應急情況下可以進行防災救援，要求信號系統、車輛系統、綜合監控系統以及通信系統協同完成列車全場景自動運行。隨著無線技術的成熟、更新和發展，對動態運行下的列車管控提供了更加可靠的業務基礎。

1 車載綜合監控系統需求

車載綜合監控作為軌道交通綜合監控系統的重要組成部分，它承擔著行車安全監控、列車設備運行監控、乘客安全監控和乘客服務的職責。行車安全監控要求車載綜合監控系統實時監控列車行駛功能，配合信號系統監測列車在不同運行模式下的行車指標，為行車調度提供有效監控數據。列車設備運行監控要求綜合監控系統具備監控列車各子系統設備的功能，從而保證列車子系統的健康運行。乘客安全監控要求具備實時監控列車車廂乘客、在突發情況下的安全管理功能，以保障乘客的乘車安全。乘客服務職責要求綜合監控實現乘車導乘和信息發布的功能，從而為乘客提供相關服務。

基于現行UTO無人駕駛要求，控制中心調度人員須全線管控所有列車，通過信號系統、綜合監控系統、通信系統以及屏蔽門等系統的場景配合實現全自動系統的運行。通過集成系統的分析和聯動來降低列車管控的復雜性，并提升調度人員的管控效率和管控質量。同時，還要求車載綜合監控具備列車TCMS系統、車載PIS系統的集成功能。

2 車載綜合監控實現方式

基于全自動無人駕駛系統的運行和建設要求，車載綜合監控基于信號系統、TCMS系統和車載PIS系統實現。集成信號系統和TCMS系統實現監視列車運行、列車設備的功能，集成車載PIS系統實現保障乘客安全以及提供乘客服務的功能。TCMS系統及車載PIS系統業務數據為列車實時數據，TCMS系統承載列車運行數據和列車設備實時狀態數據，車載PIS系統承載列車實時視頻監控和乘車導向，TCMS系統及車載PIS系統通過列車無線系統將數據上傳至控制中心，信號系統通過以太網有線將行車數據傳至綜合監控系統，實現車載與信號數據的融合。車載綜合監控接口如圖1所示。

圖1 車載綜合監控接口圖

3 車地無線通信技術

3.1 LTE技術

長期演進LTE（Long Term Evolution）是由3GPP組織制定的UMTS技術標準的長期演進，按照制式分為頻分雙工LTE系統（FDD-LTE）和時分雙工LTE系統（TDD-LTE）。

FDD是在分離的對稱頻率的信道上接收和發送數據，用保護頻段分離接收和發送信道。因此FDD制式必須采用成對的頻率，根據頻率區分上、下行鏈路。對稱業務能充分利用上、下行頻譜，非對稱業務使用該鏈路就會大大降低頻譜利用率。

TDD是以時間分離接收和發送信道，接收和發送使用同一頻率載波的不同時隙作為信道承載，單方向的資源在時間上是不連續的，時間資源在2個方向上進行分配。基站和移動臺之間在某個時間段必須協同一致才能順利工作。上、下行數據在同一時間段內不需要一起傳輸，可以根據上、下行的數據大小進行動態分配，可以提高信道的利用率。

中國城市軌道交通發布采用TDD-LTE標準的LTE-M規范正式定義了地鐵行業應用的LTE無線標準。并采用專用的1.8 GHz作為專用頻段進行車地無線通信，與運營商4G、5G頻段間隔較遠，受干擾風險小。最大帶寬20 M，除去頻率隔離帶可用帶寬為15 M 或 10 M， LTE-M采用正交頻分多址調制能夠較好地應對多徑干擾。

LTE-M無線通信系統由EPC、eNodeB和TAU組成。EPC網絡實現業務的分離和網絡交換功能，通過各業務的IP劃分實現獨立。eNodeB由室內基帶處理單元（BBU）和射頻拉遠模塊（RRU）組成，RRU實現無線信號的覆蓋。TAU位于列車上，實現車地無線通信。某城市15號線使用LTE-M標準的具體架構如圖2所示。

圖2 LTE-M系統架構圖

某城市軌道交通15號線LTE-M系統綜合承載業務占用10 Mbit/s。用于承載CCTV、PIS以及CBTC業務數據。

3.2 WLAN技術

WLAN技術遵循由IEEE（電子和電氣工程師協會）定義的802.11協議簇無線網絡通信標準的無線局域網絡，IEEE先后發布了802.11b、802.11a、802.11g、802.11n和802.11ac等標準。按照其常用頻段可分為2.4 GHz和5.1 GHz，帶寬分為20 MHz 和 40 MHz，峰值速率達到150 Mbit/s。

IEEE 802.11b標準采用補償編碼鍵控（CCK）調制方式，規定工作頻段為2.4000 GHz~2.4835 GHz，傳輸速率達到11Mbit/s，傳輸距離為15.24 m~45.72 m。IEEE 802.11a標準是IEEE 802.11b的后續標準，采用正交頻分（OFDM）的擴頻技術，采用QFSK調制方式，規定工作頻段為5.1500 GHz~5.8250 GHz，傳輸速率達到54 Mbit/s，傳輸距離范圍為10 m~100 m。IEEE 802.11g采用OFDM和CCK調制方式，做到802.11a和802.11b兼容，工作頻段為2.4000 GHz~2.4835 GHz，數據傳輸速率達到54 Mbit/s，傳輸距離為15.24 m~45.72 m。IEEE 802.11n采用OFDM、MIMO以及聚合幀等技術，采用2.4 GHz 和 5.0 GHz雙頻帶，兼容802.11a/b/g，傳輸速率達到150 Mbit/s~600 Mbit/s。IEEE 802.11ac是802.11n的繼任，沿用MIMO（多進多出）技術，工作頻寬達到80 MHz （甚至 160 MHz），工作頻段為5.8 GHz，傳輸速率有望達到1 Gbit/s，用于中短距離無線通信。

在城市軌道交通中，WLAN無線系統承擔地鐵系統的生產業務、管理業務和公眾服務業務，其業務覆蓋范圍廣。其主要由軌旁無線AP、車載AP、車站交換機以及AC漫游等設備構成。與車載AP通過AC漫游設備實現列車在行駛過程中接口網絡不間斷連接，軌旁AP與車站環網實現接口數據落地控制中心。以某城市15號線為例，WLAN系統的架構如圖3所示。

圖3 WLAN系統架構圖

某城市軌道交通15號線WLAN系統由生產業務系統(MMIS-O)、公眾業務系統（MMIS-P）以及管理業務系統組成。生產業務系統即MMIS-O系統為地鐵車載系統運營提供無線網絡支持，列車生產業務車載橋接AP分布于車頭、車尾，分別與車載綜合監控業務形成業務接口；生產業務車載橋接AP與車地橋接區正線軌旁AP無線連接，通過車站環網接入交換機落地COCC控制中心，實現生產調度功能。公眾業務系統（MMIS-P系統）為乘客服務提供無線網絡支持，每節車廂的服務AP通過與交換機鏈式連接，車頭車尾公眾業務車載橋接AP與正線軌旁AP連接通過車站接入交換機完成外網業務連接。管理業務系統網絡為地鐵系統的管理提供無線網絡的支持，車站管理區AP及車輛段AP線路匯聚交換機匯聚構成線路管理網。

在軌道交通中，WLAN可承載的業務包括PIS業務、CBTC業務以及視頻業務等，在各地軌道交通系統中均有不同的業務應用。

3.3 TETRA技術

TETRA數字集群系統是歐洲電信標準協會（ETSI）制定的數字集群移動無線通信標準，適用于組建數字集群專業網（PMR）和共用網（PAMR）。采用時分多址（TDMA）技術可支持多用戶，大大增加了容量。使用/4-DQPSK調制技術達到36Kbit/s的調制速率，執行ACELP編碼，運行速率可達4.8bit/s。采用4：1D的TDMA時分多址技術，單載頻25 kHz帶寬，1個載頻帶4個信道，頻率利用率高。TETRA數字集群系統可工作于380MHz~400MHz、410 MHz~430 MHz、450 MHz~470 MHz、806 MHz~821 MHz （上行）/851 MHz~866 MHz（下行）以及870 MHz~876 MHz （上行）/915 MHz~921 MHz（下行）。

TETRA的設備可以組成最簡單網，給定功能性和必要的接口，可以組成一個完整的單站系統。單交換中心多基站系統由交換機、多個基站、移動臺以及調度臺組成。TETERA系統內部接口具有基于電路交換、基于幀中繼以及基于IP三種方式。其中，基于IP的TETRA系統配置靈活，可以從小網絡逐步擴容為大網絡，其相關網關、調度臺可配置在網絡中的任何位置。

TETRA技術在軌道交通系統中多用于語音業務和數據業務。支持單呼、組呼以及固定呼叫的語音業務。支持短數據傳輸業務，包括文本消息、遙測遙控以及出入庫自檢等多種業務，支持信息最多1 120 bit，控制信道下的操作時間為1s~2s。

4 車載無線通信架構

4.1 列車TCMS系統無線架構

TCMS系統全名為列車控制監測系統，其通過MVB總線將列車各子單元、子系統連接起來。各子單元通過MVB總線分配的端口及地址實現單元間的數據透傳交互，達到列車系統間聯動配合的目的，實現列車安全、高效運行的目標。

UTO模式下的列車運行將列車數據上傳至控制中心，須通過無線技術將數據上傳至控制中心，以實現調度統一管控。基于這一要求需要滿足數據的高容量、高可靠、高實時以及高度穩定的要求，對數據傳輸的方式及無線技術提出了更高的要求。

某城市軌道15號線采用LTE系統無線網絡實現TCMS數據上傳至控制中心，結構如圖4所示。

圖4 TCMS系統業務架構圖

無線A網承載CBTC業務、綜合監控業務及集群業務，無線B網承載CBTC業務及集群業務。基于LTE-M無線通信技術特性，其承載的業務具備穩定、冗余特性。在列車車頭、車尾各設置1套冗余車載綜合監控服務器及交換機，通過MVB總線獲取全線列車數據。車頭、車尾設備采用冗余設計架構，在正常激活狀態下，2套車載綜合監控僅有1套處于主用狀態，當主用設備發生故障時，備用側升級為主用獲取權限。TAU與RRU采用無線通信GRE VPN隧道技術保障無線數據可以安全、穩定地傳輸， 數據通過A網信號骨干環網回傳至控制中心，通過三層路由實現業務數據的隔離。LTE-M無線通信系統分布在全隧道的漏纜保證了數據傳輸的實時性。在鏈路冗余上，由于綜合監控業務通過A網無線傳輸至控制中心，因此無線通道只在單鏈路進行傳輸，不具備冗余無線通道功能。

4.2 列車CCTV系統無線架構

列車視頻設備分布在列車車輛各處，通過以太網實現設備的網絡交互，視頻設備通過靜態IP分布在列車PIS內網。綜合監控設備通過物理以太網接口與車載PIS環網通信，實現對視頻設備的數據交互。車載視頻數據上傳至控制中心，通過車載交換機網絡隔離實現各列車PIS環網的獨立運行。

列車視頻監視采用LTE-M無線通道和WLAN無線通道實現應急視頻監視和普通視頻監視的功能。基于LTE-M無線通信和WLAN無線通信的傳輸帶寬要求，WLAN可車載較大數據流量，相對LTE-M系統來說，其抗干擾性較差，采用該LTE-M作為緊急視頻傳輸，采用混合方案可以有效地滿足正常運營下的場景需求和應急場景下的需求，架構圖如圖5所示。

圖5 無線視頻傳輸架構圖

4.3 列車PIS系統無線架構

列車PIS系統為乘客信息發布提供重要導向功能，包括PIS顯示設備和語音播報設備。PIS設備控制由列車PIS服務器實現控制和信息發布功能。綜合監控與列車PIS系統的信息發布主要實現乘客緊急信息發布和列車廣告信息直播的功能。乘客緊急信息發布為應急場景下的導向作用（由LTE-M無線網絡來實現）。采用高帶寬WALN無線網絡來直播列車廣告信息。

乘客緊急信息發布實現架構如圖6所示。

圖6 車載PIS緊急文本架構圖

列車PIS服務器通過列車PIS環網與車載綜合監控設備進行數據交互，車載綜合監控交換機通過LTE-M通道與控制中心進行數據交互，通過車載綜合監控交換機使LTE-M外網與列車PIS環網實現網絡隔離。

列車廣告信息直播架構圖如圖7所示。

圖7 車載PIS廣告直播架構圖

列車廣告投放由控制中心PIS廣告源與列車PIS完成數據交互，采用通道為綜合監控車載網絡通道和WLAN網絡通道。列車PIS服務器通過WLAN通道與控制中心PIS廣告進行數據交互，從而實現廣告業務發布。

5 結語

3種無線通信系統的不同技術參數使用不同場景來滿足城市軌道交通的業務需求，在城市軌道交通的不同業務場景需求的要求下對3種無線通信技術進行最優匹配，從而實現無人駕駛列車的運行監控和乘客服務，采用較為穩定的LTE-M技術實現監視全自動無人駕駛列車運行和應急場景的功能。采用LTE-M技術和WLAN技術混合無線網絡方案最優化實現列車視頻監視功能，滿足正常運行下的視頻監視和應急場景監視的需求。3種車載業務的無線方案最大性能滿足了無人駕駛場景下的業務需求。