基于LTE(長期演進(jìn))技術(shù)的地鐵乘客信息系統(tǒng)組網(wǎng)方案分析

趙 晗

(鄭州市軌道交通有限公司，450001，鄭州∥工程師)

1 車載乘客信息系統(tǒng)

車載乘客信息系統(tǒng)(PIS)是依托多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以車載顯示終端為媒介向乘客提供信息的系統(tǒng)。在正常情況下，PIS 提供乘車須知、服務(wù)時(shí)間、管理者公告、政府公告、出行參考、媒體新聞、賽事直播、廣告等實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的多媒體信息;在火災(zāi)、阻塞及恐怖襲擊等非正常情況下，PIS 提供動(dòng)態(tài)緊急疏散提示。車載設(shè)備通過無線傳輸實(shí)時(shí)或預(yù)錄接收信息，經(jīng)處理后在列車客室LCD(液晶顯示)顯示屏上進(jìn)行音頻、視頻播放。使乘客通過正確的服務(wù)信息引導(dǎo)，安全、便捷地乘坐地鐵。

PIS 兼有監(jiān)視功能，列車客室內(nèi)的視頻監(jiān)控信息被實(shí)時(shí)傳送到司機(jī)室的監(jiān)控終端，并能實(shí)時(shí)上傳至控制中心。PIS 上傳的視頻監(jiān)控信息可作為管理部門進(jìn)行安全決策的支持信息。PIS 同時(shí)兼有對(duì)司機(jī)的監(jiān)視功能，通過設(shè)置在司機(jī)室的攝像機(jī)對(duì)司機(jī)的駕駛情況進(jìn)行監(jiān)視。

隨著應(yīng)用需求的不斷增多，車載PIS 系統(tǒng)也需要配合車輛系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及綜合監(jiān)控系統(tǒng)完成列車故障信息和車載監(jiān)控信息的上傳功能以及司機(jī)室的可視對(duì)講功能。

2 現(xiàn)有車載PIS組網(wǎng)方案

2.1 系統(tǒng)組網(wǎng)方案

以鄭州地鐵1號(hào)線PIS 組網(wǎng)方案為例，該方案分中心、車站及車載3 部分(見圖1)。

在方案中，PIS 視頻數(shù)據(jù)下發(fā)路由如下:電視臺(tái)光端機(jī)—列車直播編碼器—PIS 核心交換機(jī)—LTE(長期演進(jìn))核心網(wǎng)—PIS 核心交換機(jī)—中心 SDH(同步數(shù)字體系)傳輸系統(tǒng)—車站PIS 交換機(jī)—車站BBU(基帶處理單元)設(shè)備—區(qū)間RRU(射頻拉遠(yuǎn)單元)—列車TAU(車載無線設(shè)備)—車載交換機(jī)—車載 LCD 控制器—編碼器—解碼器—分頻器—LCD 顯示屏。

車載CCTV(閉路電視監(jiān)控)圖像上傳路由如下:車載攝像頭—編碼器—內(nèi)網(wǎng)交換機(jī)—視頻服務(wù)器—車載交換機(jī)—車載 TAU—區(qū)間 RRU—車站BBU—車站PIS 交換機(jī)—車站SDH(同步數(shù)字體系)傳輸—OCC(運(yùn)營控制中心)傳輸—PIS 核心交換機(jī)—LTE 核心網(wǎng)—PIS 核心交換機(jī)—CCTV 核心交換機(jī)—萬能解碼器—OCC 大屏。

2.2 鄭州地鐵1號(hào)線一期設(shè)備安裝情況

圖1 鄭州地鐵1號(hào)線一期PIS 系統(tǒng)組網(wǎng)方案

在控制中心設(shè)置核心網(wǎng)設(shè)備及網(wǎng)管;在各車站、車輛段及停車場(chǎng)分別放置分布式基站;BBU 放置在弱電綜合室;RRU 布放在正線區(qū)間及車庫，單個(gè)RRU 覆蓋距離約 1.2 km，對(duì)超過 1.2 km 的區(qū)間增設(shè)RRU;每列車上安裝車載TAU 設(shè)備和多根天線，與車載視頻主機(jī)和監(jiān)控主機(jī)相連，用來發(fā)射和接收數(shù)據(jù);區(qū)間覆蓋采用與商用通信兩根漏纜合路的方式，用于實(shí)現(xiàn)MIMO(多輸入多輸出)技術(shù)。全線共設(shè)置了 22 臺(tái) BBU、67 臺(tái) RRU、50 個(gè)車載 TAU 及 1臺(tái)核心網(wǎng)設(shè)備。

2.3 車地通信測(cè)試數(shù)據(jù)

鄭州地鐵1號(hào)線開通之后，委托第三方對(duì)LTE車地?zé)o線傳輸性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試區(qū)間為西流湖站—市體育中心站，測(cè)試結(jié)果見表1 和表2。標(biāo)準(zhǔn)要求為雙向吞吐量≥1 5 Mbit/s，車→地吞吐量≥6 Mbit/s，地→車吞吐量≥8 Mbit/s。測(cè)試結(jié)果表明LTE 車地?zé)o線通道性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 鄭州地鐵1號(hào)線上行區(qū)間LTE 車地?zé)o線通道性能第三方測(cè)試記錄表

表2 鄭州地鐵1號(hào)線下行區(qū)間LTE 車地?zé)o線通道性能第三方測(cè)試記錄表

以目前的數(shù)據(jù)配置，高清視頻下行組播流為1 路3 M，上行組播流為1 路2 M，完全滿足實(shí)際需要。實(shí)際運(yùn)行中直播效果良好，未出現(xiàn)卡屏、花屏現(xiàn)象。

3 目前運(yùn)行中存在的問題及建議

3.1 目前組網(wǎng)方案中存在的主要問題

(1)庫內(nèi)帶寬容量不足，導(dǎo)致檢修困難。在設(shè)計(jì)方案中，車輛段/停車場(chǎng)設(shè)置1 臺(tái)RRU，劃分為1 個(gè)小區(qū)，在高清視頻下行組播流為3 M 的情況下，最多只能滿足3～5 列車同時(shí)在線數(shù)據(jù)接收。運(yùn)營維護(hù)人員晚上在庫內(nèi)進(jìn)行檢修以及排查問題和處理時(shí)，無法根據(jù)實(shí)際效果判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài);時(shí)由于帶寬不足，無法實(shí)現(xiàn)墊播文件的及時(shí)下發(fā)，只能逐個(gè)登車進(jìn)行手動(dòng)拷取，導(dǎo)致檢修困難和維護(hù)工作量加大。

(2)傳輸組網(wǎng)不獨(dú)立，完全依賴PIS 網(wǎng)絡(luò)。1線LTE 承載在PIS 網(wǎng)絡(luò)上，物理通道依賴PIS 網(wǎng)絡(luò)，如果PIS 網(wǎng)絡(luò)遇到廣播風(fēng)暴、環(huán)路問題，都將直接導(dǎo)致LTE 網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定。在實(shí)際運(yùn)行中曾發(fā)生過因地面PIS 網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴造成整個(gè)地面PIS 和車載PIS 網(wǎng)絡(luò)全部癱瘓的問題。

(3)車載上行數(shù)據(jù)存在串碼流現(xiàn)象，導(dǎo)致控制中心調(diào)度調(diào)取車載視頻失敗。在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)列車上行視頻數(shù)據(jù)串碼，導(dǎo)致整個(gè)上行網(wǎng)絡(luò)擁塞，控制中心調(diào)度調(diào)取列車視頻失敗，只能通過遠(yuǎn)程屏蔽車載終端來解決，但這同時(shí)會(huì)造成列車視頻直播的中斷。通過分析發(fā)現(xiàn)，由于車載PIS 承擔(dān)了較多業(yè)務(wù)，車載LCD 及CCTV 控制主機(jī)根據(jù)業(yè)務(wù)功能不同配置了雙網(wǎng)卡，而車載交換機(jī)采用普通二層交換機(jī)，不具備路由過濾和隔離的功能，因此導(dǎo)致了上行外網(wǎng)數(shù)據(jù)中存在大量內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)的問題。

3.2 建議

隨著地鐵運(yùn)營的不斷發(fā)展，LTE 的車地?zé)o線通道還將承載集群通信、列車故障信息上傳、可視對(duì)講以及弓網(wǎng)檢測(cè)等功能，這對(duì)車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。針對(duì)上述主要問題，提出以下建議，在后續(xù)線路設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)應(yīng)充分予以考慮。

(1)提高車輛段/停車場(chǎng)庫內(nèi)帶寬。提升帶寬可通過以下3 種途徑:①擴(kuò)大頻率帶寬。由目前的10 M 帶寬提升至20 M 以上，可基本滿足要求。但頻率屬于國家戰(zhàn)略資源，不允許私自使用，而且國家工信部沒有對(duì)城市軌道交通行業(yè)批復(fù)專用的頻率，因此實(shí)施難度較大。②增加基站容量。在庫內(nèi)根據(jù)列車停放位置，詳細(xì)規(guī)劃小區(qū)設(shè)置。但由于受車庫空間限制，小區(qū)劃分及設(shè)備安裝比較困難。③在滿足帶寬需要后，可以考慮LTE 與WLAN(無線局域網(wǎng))的混合組網(wǎng)方案。此方案在3 G(第三代移動(dòng)通信技術(shù))中已得到廣泛應(yīng)用，在技術(shù)上是可行的，但由于沒有通用型產(chǎn)品，需要設(shè)備廠商根據(jù)實(shí)際情況開發(fā)支持不同頻段的產(chǎn)品，設(shè)備開模費(fèi)用較高。

(2)LTE 系統(tǒng)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)。原有網(wǎng)絡(luò)借助于PIS系統(tǒng)，為提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，降低故障率，在后續(xù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)建議采取獨(dú)立組網(wǎng)(見圖2)。與原有組網(wǎng)方案相比，獨(dú)立組網(wǎng)方案具有以下不同點(diǎn):①中心組網(wǎng)——取消了與PIS 核心交換機(jī)的接口，LTE 核心網(wǎng)直接與傳輸系統(tǒng)互聯(lián)。②車站組網(wǎng)——取消了與PIS 車站交換機(jī)的接口，LTE，BBU 設(shè)備直接與傳輸系統(tǒng)互聯(lián)。此方案需要增加傳輸系統(tǒng)接口，建設(shè)成本相應(yīng)提高，但可以有效減少系統(tǒng)間的接口及故障點(diǎn)，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖2 LTE 傳輸獨(dú)立組網(wǎng)方案

(3)車載交換機(jī)采用三層交換機(jī)。LTE 網(wǎng)絡(luò)為車地?zé)o線通信提供了一條高速通道，車載TAU 并不會(huì)也不需要對(duì)通道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行辨別。采用帶路由過濾和隔離的功能的三層交換機(jī)后，可以通過系統(tǒng)軟件設(shè)置，有效地對(duì)內(nèi)外網(wǎng)IP 進(jìn)行過濾，從而避免了內(nèi)外網(wǎng)數(shù)據(jù)的串碼，也避免了控制中心調(diào)度調(diào)取車載視頻失敗問題的發(fā)生。

4 結(jié)語

隨著通信技術(shù)及城市軌道交通行業(yè)的不斷發(fā)展，基于LTE 的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)由于其技術(shù)優(yōu)越性會(huì)在城市軌道交通行業(yè)獲得廣泛認(rèn)可并實(shí)施。但是，怎么解決好目前實(shí)際應(yīng)用中存在的問題也將顯的十分重要。本文結(jié)合鄭州地鐵1號(hào)線一期工程的實(shí)際應(yīng)用，總結(jié)出了實(shí)際應(yīng)用中存在的一些問題，并提出了相應(yīng)的處理建議。

［1］鄭州市軌道交通有限公司.城市軌道交通車地?zé)o線(TD-LTE)傳輸研究與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)網(wǎng)項(xiàng)目技術(shù)規(guī)格書［G］.鄭州:鄭州市軌道交通有限公司，2012.

［2］鄭州市軌道交通有限公司.鄭州市軌道交通1號(hào)線一期工程通信系統(tǒng)采購項(xiàng)目05 標(biāo)(乘客信息系統(tǒng))招標(biāo)文件［G］.鄭州:鄭州市軌道交通有限公司，2012.

［3］李佳祎，黃純昉.地鐵PIS 系統(tǒng)車地?zé)o線技術(shù)的探討［J］鐵道工程學(xué)報(bào)，2009(4):104.

［4］詹沖.LTE-WLAN 異構(gòu)系統(tǒng)互聯(lián)切換協(xié)議研究［D］武漢:華中科技大學(xué)，2011.

［5］張成國，李文明.長期演進(jìn)(LTE)技術(shù)在地鐵無線通信中的應(yīng)用［J］.城市軌道交通研究，2015(1):112.