城市軌道交通車地無線通信技術應用發展方向

侯禮舉

（北京通號國鐵城市軌道技術有限公司，北京100070）

城市軌道交通車地無線通信技術應用發展方向

侯禮舉

（北京通號國鐵城市軌道技術有限公司，北京100070）

目前的城市軌道交通車地無線通信系統存在多系統、多制式、多網并存等現象,給運營和使用帶來一系列問題。經分析和研究，可采用第4代移動通信技術(4G)，利用LTE(長期演進)作為傳輸平臺，發揮其一系列問題先進的技術優勢，對車地無線通信業務進行統一整合，實現共網傳輸，即綜合承載理念。

車地無線通信；LTE；綜合承載

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.061

1 引言

在當今城市軌道交通領域中，為滿足運營的各種需求，保證列車的正常運行，列車與地面要保持連續的通信和聯系，即車地無線通信系統。在整個軌道交通體系中，各系統根據自身的功能需求，有獨立的車地無線通信網絡，如信號系統、列車運行狀態監測系統、無線列調系統、CCTV、PIS系統等。

由于受無線頻譜資源和無線技術標準體制限制，既有車地通信系統通常采用公用的開放頻段（ISM2.4GHz），存在易受干擾、穩定性差、傳輸帶寬小、無QoS機制、漫游切換頻繁等問題，從而導致信息傳輸質量較差，有時會出現通信中斷、延時等現象，進而出現系列問題，比如信號系統緊急停車，PIS系統圖像不連續、馬賽克嚴重、播放畫面不連續等系列問題，影響了正常的運營。另外，由于各系統獨立組網，造成了重復投資、浪費資源、施工維修困難等。隨著城市軌道交通網絡化和智能化建設的快速發展，急需采用一種新的技術方案，以解決既有車地無線通信存在的問題和不足。

2 城市軌道交通車地無線通信業務介紹

2.1 CBTC系統

CBTC（基于通信的列車控制系統）是目前城市軌道交通信號系統主要采用的制式，通過車地無線通信系統進行列車與地面的數據交換，實現列車運行的自動控制和調度，主要功能有ATS（列車自動監控）、ATP（列車自動防護）和ATO（列車自動運行）。CBTC是城市軌道交通自動化體系中的關鍵系統，對保證列車運行安全、提高列車運行效率起著重要的作用。

車地無線通信是連續的、雙向的，車地通信分為地-車信息傳輸（下行）和車-地信息傳輸（上行）。其中，車對地（上行）的傳輸信息包括：列車ID、列車位置、列車運行速度、列車運行方向、設備告警等信息；地對車（下行）的傳輸信息包括：列車ID、前方進路數等信息。CBTC車地通信是一個安全苛求系統，為保證車地通信數據的實時性和可靠性，無線通信網絡采用了雙環網冗余結構，無線覆蓋采用了完全雙層覆蓋方式。

2.2 列車運行狀態監測系統

列車運行狀態監測系統通過傳感器采集列車電流、電壓、軸溫、車下轉向架、車輛一/二系懸掛系統、發動機、制動器等設備的關鍵參數，并通過車地無線通信網絡將數據傳送到地面監測中心，上行傳輸速率為100kbps，地面監測中心通過對數據進行集中處理和分析，實現對列車運行狀態的實時監測和遠程故障診斷功能。

2.3 無線列車調度系統

城市軌道交通無線列車調度系統為控制中心調度員、車輛段調度員、車站值班員等固定用戶與列車司機、防災、維修等移動用戶之間提供迅速、有效的通信手段，是提高運輸效率、確保行車安全及應對突發事件的必要保障。

在城市軌道交通的無線列車調度系統中，車地之間（上行），地車之間（下行），主要都是傳輸語音信息，要求上下行傳輸速率為100kbps。

2.4 CCTV系統

CCTV（視頻監控系統）概括的來說就是將列車駕駛室、列車車廂的視頻監控圖像通過無線的方式傳輸到控制中心，進行集中監視，也可以通過無線網絡將實時監控錄像傳送到地面監控站進行監控。通過車地之間的視頻傳輸，地面控制中心可以實現對駕駛室、設備間、車廂等重點區域的實時監控，保障列車運行安全和旅客人身安全，滿足運營的需求。

CCTV系統需要具有多路畫面實時錄像、多路畫面實時顯示以及根據需要靈活設置圖像壓縮質量和錄像存儲等功能。圖像信息傳輸都從車廂傳到地面，是上行業務，下行業務只有一些視頻控制命令。上行業務的傳輸速率決定于圖像的壓縮格式、攝像機數量和攝像機類型，一般不大于4Mbps。

2.5 PIS系統

PIS（乘客信息系統）是一個多媒體咨詢發布、播控與管理的平臺，可在多種顯示終端上顯示多種類型的、多信息源的、平行的、分區的、帶優先級的信息。PIS可以向乘客發布更直觀、更形象的各種有用信息，可以提供列車到發時間、轉播電視節目、播放監視畫面，為乘客提供優質的服務，提高運營的整體水平。

PIS的數據傳輸由地面將視頻、圖像信息通過PIS無線網絡傳輸到車廂內顯示屏進行播放，所有的數據傳輸都是下行傳輸，一般傳輸的信息都是高清視頻。

緊急文本信息用于城市軌道交通路網異常情況下的乘客通知，可在PIS系統的顯示終端上顯示。緊急文本是數據量很小的文本信息。

2.6 城市軌道交通車地無線通信帶寬

根據中國城市軌道交通協會技術裝備專業委員會2015年發布的《城市軌道交通CBTC信號系統行業技術規范－數據通信子系統規范》6.1.2.2節，“在非切換區域，CBTC業務的單列車無線網絡信息傳輸上下行總速率不小于1Mbps”，因此CBTC業務傳輸速率需求為1Mbps，上下行按各512kbps考慮，另綜合考慮其它系統業務，城市軌道交通車地無線通信需求見表1。

表1 城市軌道交通車地無線通信需求

通過上表可知，在上述各系統業務并發情況下，在一個無線覆蓋區內，目前城市軌道交通車地無線通信容量總體需求為上行8.2Mbps左右，下行12.8Mbps左右。

根據上述數據分析，如果采用專用無線頻段和先進的車地無線通信技術，在滿足軌道交通運營需求的情況下，可將上述各種車地無線通信業務整合，實現綜合承載，以解決既有車地無線通信系統中存在的問題和不足。

3 城市軌道交通車地無線通信新技術應用可行性分析

3.1 專用無線頻段介紹

根據工業與信息化部發布無[2015]65號文件“關于重新發布1785-1805MHz頻段無線接入系統頻率使用事宜的通知”，該文件明確指出城市軌道交通行業專用通信可以使用該頻段，為解決城市軌道交通車地通信專用頻率問題的提供了依據。

主要無線技術參數如下：

1）頻率范圍：1785～1805MHz；

2）雙工方式：時分雙工（TDD）；

3）信道帶寬：250kHz、500kHz、1MHz、1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz。

由上述得知，1785～1805MHz頻段為專用無線頻段，可以應用于城市軌道交通車地無線通信系統，使用時須向省級無線電管理機構申請。文件中還規定雙工方式為時分雙工和信道帶寬，LTE技術的帶寬包含在內（黑體部分）。因此，結合時分雙工方式，該頻段可以采用TD-LTE技術。

3.2 TD-LTE技術介紹

LTE是第四代移動通信技術(4G)，在設計時考慮了350km時速情況下的無線傳輸性能、完善的業務優先級策略（支撐不同優先級的多業務）、實時性和高吞吐率并具備高安全性和高可靠性的特點。同時，TD-LTE是我國擁有核心自主知識產權的國際通信標準技術，已經在我國大規模商用，有較成熟的產業鏈。

3.2.1 系統基本信息

LTE基本信息如表2所示，包括頻率和帶寬信息等。

表2 LTE系統基本信息

3.2.2 系統構成

LTE按照網絡結構分：核心控制系統、車站無線接入系統、車載終端系統。LTE技術構成示意圖見圖1（核心系統可按冗余配置）：

圖1 LTE構成示意圖

3.2.3 系統組網方式

LTE能夠支持多種專網頻段及快速定制服務，并且支持網絡IP化，以及星型、鏈型、樹型多樣化的網絡拓撲結構，滿足地鐵環境中寬帶化、運行高速化、容量大、覆蓋廣、吞吐量高的需求，確保列車在0～120km/h的移動場景下吞吐率>60Mbps，平均下行速率>40Mbps，平均上行速率>20Mbps，并提供豐富的傳輸接口，如：FE/GE電口、FE/GE光口、E1/T1接口。采用扁平化網絡架構，網元節點少，傳輸時延<50ms。

3.2.4 無線覆蓋方式

LTE的無線覆蓋方式可采用漏泄電纜和無線覆蓋方式。漏纜覆蓋方式具有無線場強可預算、場強覆蓋均勻穩定等特點；無線覆蓋方式具有安裝靈活，適合于場站線路較復雜的地域。具體采用何種覆蓋方式，應與工程現場實際需求情況確定。

3.2.5 LTE系統性能和特點

1）先進的基站平臺、平滑演進

TDLTE與GSM/UMTS/CDMA/WiMAX共享第四代基站的硬件平臺、硬件設備，技術能力共享，確保TD-LTE專網技術演進。

2）容量大、覆蓋廣、吞吐量高、切換快

TD-LTE系統容量大，可支持多個系統的無線通信業務的統一整合和綜合承載，包括數據、語音和圖像等各種信息，平均下行速率>40Mbps，平均上行速率>20Mbps。

TD-LTE系統覆蓋廣，通過多天線接收分集、上行ICIC等特性實現最大支持15km的小區覆蓋。

系統采用特有的針對移動場景的算法，實現快速的跨區切換，漫游時間小于100ms，傳輸延遲小于50ms。

3）完善的IP傳輸機制

LTE提供9級QoS保障機制，通過多種QoS機制保證傳輸QoS目標，提供盡可能高的容量、實現差異化服務，保證優先級最高的業務在網絡出現擁塞時能夠優先傳輸到達目的地，不會出現傳輸中斷或數據丟失現象。

4）簡化工程、易部署

TD-LTE設備體積小，重量輕，便于搬運，支持分散安裝實現全場景無縫覆蓋，無需大規模建設工程。可實現各系統共建共享，保護投資。

3.3 TD-LTE綜合承載通信性能測試結果

201 4年，由北京地鐵、北京交通大學、通號設計院、華為公司、中興公司等單位完成的TD-LTE系統通信性能測試結果見表3。

表3 TD-LTE綜合承載通信性能測試結果

根據目前各系統車地無線通信需求，并考慮今后的技術發展，CBTC、CCTV和PIS系統綜合承載時需要15MHz頻寬，再結合表1中的各系統的數據統計，可以看出，TD-LTE的15MHz頻寬的吞吐量（上行11Mbps，下行19Mbps）滿足綜合承載所需的傳輸速率（上行8.2Mbps，下行12.8Mbps）。因此，通過采用專用無線頻段和LTE通信技術，可對各種車地通信業務進行統一整合，實現綜合承載，此方案是可行的。

3.4 應用情況介紹

目前國內正在建設的許多城市軌道交通項目中，已開始應用LTE技術對車地無線通信系統進行整合，采用綜合承載方案，如鄭州地鐵2號線和烏魯木齊地鐵1號線，采用CBTC+PIS綜合承載；青島地鐵R5線采用CBTC+PIS+CCTV綜合承載方案。

4 結論

隨著城市軌道交通建設的快速發展，采用LTE移動通信技術整合統一車地無線通信業務，實現綜合承載，符合未來軌道交通智能化、集成化、節省投資、方便維護的建設方向，在今后的城市軌道交通建設中，具有廣闊的應用前景。

【1】尹福康.TD-LTE無線通信系統在鐵路上的應用[J].鐵路通信信號工程技術,2013,10(3):1-5.

【2】劉寶昌，胡恒杰，朱強.TD-LTE無線網絡規劃研究[J].電氣工程技術與標準化，2010,23（1）：12-13.

【3】李新.TD-LTE無線網絡覆蓋特性淺析[J].電信科學，2009(1):43-47.

Application Development Direction of Train-station Wireless Communication Technology inUrban Rail Transit

HOULi-ju
（BeijingUrbanTransitTechnologyCo.Ltd.,Beijng100070,China）

Multi system,multi-standard, multi-network are coexisting in the current train-station wireless communication system of urban rail transit has multi-system, bringing operations and the useage a range of issues. Through analysising and researching, we can adopt the fourth generation mobile communication technology (4G), aswell as use the LTE (LongTermEvolution) as the transport platformto play its advantage,finally integrate the train-station wirelesscommunicationbusiness,toachieveatotalnettransfers,namelyintegratedbearingconcept.

train-stationwirelesscommunication;LTE;integratedbearing

U285.21

B

1007-9467（2016）07-0095-03

2016-6-7

侯禮舉（1966～），男，山東泰安人，工程師，從事軌道交通通信信號工程技術研究，（電子信箱）hlj6609@sina.com。