基于LTE(長期演進)技術的地鐵乘客信息系統組網方案分析

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

車載乘客信息系統(PIS)是依托多媒體網絡技術，以車載顯示終端為媒介向乘客提供信息的系統。在正常情況下，PIS 提供乘車須知、服務時間、管理者公告、政府公告、出行參考、媒體新聞、賽事直播、廣告等實時動態的多媒體信息;在火災、阻塞及恐怖襲擊等非正常情況下，PIS 提供動態緊急疏散提示。車載設備通過無線傳輸實時或預錄接收信息，經處理后在列車客室LCD(液晶顯示)顯示屏上進行音頻、視頻播放。使乘客通過正確的服務信息引導，安全、便捷地乘坐地鐵。

PIS 兼有監視功能，列車客室內的視頻監控信息被實時傳送到司機室的監控終端，并能實時上傳至控制中心。PIS 上傳的視頻監控信息可作為管理部門進行安全決策的支持信息。PIS 同時兼有對司機的監視功能，通過設置在司機室的攝像機對司機的駕駛情況進行監視。

隨著應用需求的不斷增多，車載PIS 系統也需要配合車輛系統、視頻監控系統及綜合監控系統完成列車故障信息和車載監控信息的上傳功能以及司機室的可視對講功能。

2 現有車載PIS組網方案

2.1 系統組網方案

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

在方案中，PIS 視頻數據下發路由如下:電視臺光端機—列車直播編碼器—PIS 核心交換機—LTE(長期演進)核心網—PIS 核心交換機—中心 SDH(同步數字體系)傳輸系統—車站PIS 交換機—車站BBU(基帶處理單元)設備—區間RRU(射頻拉遠單元)—列車TAU(車載無線設備)—車載交換機—車載 LCD 控制器—編碼器—解碼器—分頻器—LCD 顯示屏。

車載CCTV(閉路電視監控)圖像上傳路由如下:車載攝像頭—編碼器—內網交換機—視頻服務器—車載交換機—車載 TAU—區間 RRU—車站BBU—車站PIS 交換機—車站SDH(同步數字體系)傳輸—OCC(運營控制中心)傳輸—PIS 核心交換機—LTE 核心網—PIS 核心交換機—CCTV 核心交換機—萬能解碼器—OCC 大屏。

2.2 鄭州地鐵1號線一期設備安裝情況

圖1 鄭州地鐵1號線一期PIS 系統組網方案

在控制中心設置核心網設備及網管;在各車站、車輛段及停車場分別放置分布式基站;BBU 放置在弱電綜合室;RRU 布放在正線區間及車庫，單個RRU 覆蓋距離約 1.2 km，對超過 1.2 km 的區間增設RRU;每列車上安裝車載TAU 設備和多根天線，與車載視頻主機和監控主機相連，用來發射和接收數據;區間覆蓋采用與商用通信兩根漏纜合路的方式，用于實現MIMO(多輸入多輸出)技術。全線共設置了 22 臺 BBU、67 臺 RRU、50 個車載 TAU 及 1臺核心網設備。

2.3 車地通信測試數據

鄭州地鐵1號線開通之后，委托第三方對LTE車地無線傳輸性能進行了測試，測試區間為西流湖站—市體育中心站，測試結果見表1 和表2。標準要求為雙向吞吐量≥1 5 Mbit/s，車→地吞吐量≥6 Mbit/s，地→車吞吐量≥8 Mbit/s。測試結果表明LTE 車地無線通道性能符合標準要求。

表1 鄭州地鐵1號線上行區間LTE 車地無線通道性能第三方測試記錄表

表2 鄭州地鐵1號線下行區間LTE 車地無線通道性能第三方測試記錄表

以目前的數據配置，高清視頻下行組播流為1 路3 M，上行組播流為1 路2 M，完全滿足實際需要。實際運行中直播效果良好，未出現卡屏、花屏現象。

3 目前運行中存在的問題及建議

3.1 目前組網方案中存在的主要問題

(1)庫內帶寬容量不足，導致檢修困難。在設計方案中，車輛段/停車場設置1 臺RRU，劃分為1 個小區，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 列車同時在線數據接收。運營維護人員晚上在庫內進行檢修以及排查問題和處理時，無法根據實際效果判斷設備運行狀態;時由于帶寬不足，無法實現墊播文件的及時下發，只能逐個登車進行手動拷取，導致檢修困難和維護工作量加大。

(2)傳輸組網不獨立，完全依賴PIS 網絡。1線LTE 承載在PIS 網絡上，物理通道依賴PIS 網絡，如果PIS 網絡遇到廣播風暴、環路問題，都將直接導致LTE 網絡的不穩定。在實際運行中曾發生過因地面PIS 網絡風暴造成整個地面PIS 和車載PIS 網絡全部癱瘓的問題。

(3)車載上行數據存在串碼流現象，導致控制中心調度調取車載視頻失敗。在實際應用中經常出現列車上行視頻數據串碼，導致整個上行網絡擁塞，控制中心調度調取列車視頻失敗，只能通過遠程屏蔽車載終端來解決，但這同時會造成列車視頻直播的中斷。通過分析發現，由于車載PIS 承擔了較多業務，車載LCD 及CCTV 控制主機根據業務功能不同配置了雙網卡，而車載交換機采用普通二層交換機，不具備路由過濾和隔離的功能，因此導致了上行外網數據中存在大量內網數據的問題。

3.2 建議

隨著地鐵運營的不斷發展，LTE 的車地無線通道還將承載集群通信、列車故障信息上傳、可視對講以及弓網檢測等功能，這對車地無線網絡提出了更高的要求。針對上述主要問題，提出以下建議，在后續線路設計應用時應充分予以考慮。

(1)提高車輛段/停車場庫內帶寬。提升帶寬可通過以下3 種途徑:①擴大頻率帶寬。由目前的10 M 帶寬提升至20 M 以上，可基本滿足要求。但頻率屬于國家戰略資源，不允許私自使用，而且國家工信部沒有對城市軌道交通行業批復專用的頻率，因此實施難度較大。②增加基站容量。在庫內根據列車停放位置，詳細規劃小區設置。但由于受車庫空間限制，小區劃分及設備安裝比較困難。③在滿足帶寬需要后，可以考慮LTE 與WLAN(無線局域網)的混合組網方案。此方案在3 G(第三代移動通信技術)中已得到廣泛應用，在技術上是可行的，但由于沒有通用型產品，需要設備廠商根據實際情況開發支持不同頻段的產品，設備開模費用較高。

(2)LTE 系統獨立網絡。原有網絡借助于PIS系統，為提高網絡的穩定性，降低故障率，在后續網絡設計時建議采取獨立組網(見圖2)。與原有組網方案相比，獨立組網方案具有以下不同點:①中心組網——取消了與PIS 核心交換機的接口，LTE 核心網直接與傳輸系統互聯。②車站組網——取消了與PIS 車站交換機的接口，LTE，BBU 設備直接與傳輸系統互聯。此方案需要增加傳輸系統接口，建設成本相應提高，但可以有效減少系統間的接口及故障點，提高系統運行穩定性。

圖2 LTE 傳輸獨立組網方案

(3)車載交換機采用三層交換機。LTE 網絡為車地無線通信提供了一條高速通道，車載TAU 并不會也不需要對通道中傳輸的數據進行辨別。采用帶路由過濾和隔離的功能的三層交換機后，可以通過系統軟件設置，有效地對內外網IP 進行過濾，從而避免了內外網數據的串碼，也避免了控制中心調度調取車載視頻失敗問題的發生。

4 結語

隨著通信技術及城市軌道交通行業的不斷發展，基于LTE 的車地無線網絡由于其技術優越性會在城市軌道交通行業獲得廣泛認可并實施。但是，怎么解決好目前實際應用中存在的問題也將顯的十分重要。本文結合鄭州地鐵1號線一期工程的實際應用，總結出了實際應用中存在的一些問題，并提出了相應的處理建議。

［1］鄭州市軌道交通有限公司.城市軌道交通車地無線(TD-LTE)傳輸研究與應用實驗網項目技術規格書［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號線一期工程通信系統采購項目05 標(乘客信息系統)招標文件［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 系統車地無線技術的探討［J］鐵道工程學報，2009(4):104.

［4］詹沖.LTE-WLAN 異構系統互聯切換協議研究［D］武漢:華中科技大學，2011.

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