城市軌道交通1800MHz車地無線通信網絡方案研究

宋子良

摘要：隨著城市軌道交通服務和管理水平的不斷提高，對行車安全的要求也不斷提高，因此對車地無線通信系統的性能提出了更高的要求。為了更好地滿足高速行車過程中的無線通信傳輸質量、速度和效率的要求，城市軌道交通車地無線通信網絡方案的合理與否起著重要的作用。

關鍵詞：城市軌道交通；車地無線通信；網絡方案；行車安全；車地信息傳輸 文獻標識碼：A

中圖分類號：U231 文章編號：1009-2374（2017）03-0014-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.03.007

1 概述

目前，車地信息傳輸業務主要有集群語音調度系統、CBTC系統、PIS系統、車載視頻監控系統及其他數據信息傳輸等。

集群語音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。

CBTC系統主要作用為列車間距及速度防護、列車自動運行與調度，是城市軌道交通自動化系統中的關鍵部分，是保證列車和乘客安全，實現列車高效運行、指揮管理有序的自動控制系統。CBTC系統車地傳輸數據主要為列車位置、運行控制、移動授權等信息。該業務應用層要求低速的準實時數據的可靠傳輸；控制層要求最高優先級的低速邏輯通道；通道層要求獨立、高可靠性及冗余的信道。

PIS系統用于列車車廂內資訊發布、乘客指引信息的視頻展播。PIS系統車地傳輸數據主要為視頻信息。該業務應用層要求直播（廣播）為主、錄播（點播）為輔、錄播要考慮批量數據傳輸的帶寬利用效率；控制層要求廣播數據優先級高、小區切換不丟包、限制錄播數據帶寬、以組播點播結合的方式進行節目數據傳送；通道層要求高傳輸質量的廣播通道、組播通道。

車載視頻監控系統用于車內情況的視頻監視，并為應急調度指揮提供實時的車內高清動態圖像信息。CCTV車地傳輸數據主要為視頻信息。該業務應用層要求海量的實時視頻數據傳輸、帶寬要求上行遠大于下行及流媒體形式的錄像回放；控制層要求實時視頻數據優先級高、小區切換不丟。限制錄像回放帶寬；通道層要求大帶寬、高質量的實時數據通道，減少重傳。

車況信息等主要是傳輸列車狀況信息，一般為低速率的數據信息。

2 軌道交通現狀分析

2.1 集群語音調度系統

目前，地鐵內均采用TETRA系統單獨組網建設，采用800MHz TETRA數字集群技術，該系統成熟可靠。主要設備廠家有國外的MOTO和EADS兩家，均有開通運營業績；國內的主要有中電54所、東方通信、海能達，均處于試驗或建設中。

在國內地鐵行業內，目前有溫州市域鐵路、廣州地鐵等采用基于LTE技術承載集群語音調度通信。

2.2 CBTC系統

既有的國內地鐵CBTC系統基本上都采用2.4GHz或5.8GHz頻段WLAN技術建設車地無線網絡。國際上提供CBTC-R系統的主要廠家有阿爾斯通、泰雷茲、西門子、安薩爾多和龐巴迪。西門子采用的是IEEE802.11a/b/g技術，為直接序列擴頻方式或正交頻分復用方式；泰雷茲采用的是IEEE802.11技術，為跳頻擴頻方式；阿爾斯通采用的是IEEE802.11a/g技術，為正交頻分復用調制方式；安薩爾多不直接提供車地傳輸系統，而是將此部分由分包商（H3C或思科）提供，目前采用的無線通信技術是IEEE802.11g技術，為正交頻分復用調制方式；龐巴迪采用的是專有無線通信技術，采用直接序列擴頻方式。

近年來，多地地鐵公司已開始采用LTE技術進行CBTC系統承載，如武漢地鐵、上海地鐵等。

2.3 PIS系統和車載視頻監控系統

根據乘客信息系統和車載視頻監控系統和其他信息傳送需要，建設的車地無線網絡，主要采用了以下三種技術：

2.3.1 WLAN技術。WLAN技術是目前應用最為廣泛的一種移動寬帶傳輸技術，其標準先后經歷802.11a、802.11g、802.11n、802.11ac。采用無線局域網技術，可以實現列車與地面之間的雙向高速通信。提供高帶寬，可滿足120km/h運行狀態下的視頻數據傳送需求。由于無線局域網技術成熟、產業化水平高，目前國內軌道交通PIS系統建設中，車地無線雙向寬帶傳輸網大部分采用了無線局域網技術，工作頻段多數采用2.4GHz頻段，也有部分城市采用了5.8GHz頻段。

2.3.2 LTE技術。LTE方案是近來推行的一種方案，該方案利用4G技術，在移動性和帶寬方面均有大幅提高，20MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100Mbps與上行50Mbps的峰值速率，可以滿足系統需求。目前，鄭州地鐵、杭州地鐵等地利用1800MHz LTE技術傳輸PIS和CCTV視頻監控信息已順利開通。國內有數十家廠商能夠提供整套的LTE解決方案，產品成熟度較高，可選擇范圍大，但其工作頻段不能采用目前4G公用頻段，涉及頻率申請問題。

2.3.3 DVB-T技術。DVB-T（地面數字電視廣播標準），采用MPEG-2視音頻編碼以及COFDM調制方式，理論可達16Mbps上下行傳輸數據帶寬。其傳輸帶寬比較大，可實時傳輸高清視頻信號，采用單頻網技術，可以完成無縫切換，覆蓋效果好。系統一般通過分設車-地及地-車無線傳輸設備的方式實現列車與地面之間的雙向數據傳輸、增加成本、行業內是獨家技術，也存在頻率申請問題。

2.4 列車運行狀態監測

通過車地無線網絡將傳感器采集到的列車關鍵參數以及列車火災報警信息實時傳送至地面監測中心。此類業務具備周期性強、數據量小等特點。

2.5 帶寬預測

在高速移動狀態下，車地無線網絡應提供滿足寬帶、穩定、具有按照優先級調度和實時性要求的信號列控信息（雙向）、車載視頻監控圖像回傳（上行）、車載PIS實時播放（下行）等車地無線數據業務承載。具體需求見表1。

3 1800MHz頻段資源現狀

3.1 相關政策

工業和信息化部《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》（工信部無[2015]65號）明確1800MHz頻段可以應用于城市軌道交通，以滿足目前地鐵無線通信網絡建設的應用需求。中國軌道交通協會也積極與工信部溝通協調，建議地鐵采用1785～1805MHz全部20MHz頻段。

省經信委無線電管理處已在2013年將1790～1795MHz這5MHz批復給南方電網。由于在1785～1790MHz以及1800～1805MHz范圍與公眾運營商頻段相鄰，容易相互干擾，無線電管理處相關負責人也表示1785～1790MHz以及1800～1805MHz范圍內的頻段申請原則上不予審批。此外，在1785～1790MHz這5MHz中，中國電信方面提出為避免對其FDD-LTE頻點干擾，要求預留2MHz作為隔離。

3.2 其他城市軌道交通的頻率、頻點申請使用情況

根據工信部工信無函[2010]147號文，朔黃重載鐵路LTE車地通信項目在1.8GHz頻段，于山西、河北、內蒙古三省區建網，并已開通運營。根據豫無辦[2011]31號文，鄭州地鐵1號線PIS車地無線采用LTE在1.8GHz頻段組網，并已經開通運營。廈門地鐵1號線、深圳地鐵11號線采用LTE在1.8GHz頻段組網承載PIS車地無線業務，溫州市域S1線、廣州地鐵14號線、知識城支線、21號線采用LTE在1.8GHz組網承載無線調度業務，武漢地鐵6號線采用LTE在1.8GHz組網承載CBTC業務。

4 本工程原初步設計現狀

工程原初步設計中1800MHz頻段僅考慮承載PIS系統車地無線相關業務，即2路車載安全監控視頻（每路2Mbps）上傳，以及1路車載實時PIS視頻信息（6Mbps）下傳。原則上需要占用10Mbps帶寬，需要申請1800MHz中的至少10M頻寬。

PIS車地無線通信網絡由核心網設備，車站/區間/車輛段/停車場的LTE基站設備（BBU、RRU）、漏泄同軸電纜及天線、網管、列車車載設備等組成。

在控制中心級設置核心網及網管設備，負責與其他業務服務器通過以太網交換機相連，通過LTE無線網絡進行列車-地面之間的信息交互。

在車站/區間設置LTE基站的BBU和RRU設備，覆蓋站臺周邊以及區間，實現與列車車載設備之間的無線通信。各LTE基站接入車站網絡交換機，通過通信傳輸系統提供的通道與控制中心連接。

在車輛段/停車場設置LTE基站的BBU和RRU設備，覆蓋出入段線及車庫等區域。

在每列車的車頭、車尾各設置1套車載設備，通過車載交換機與列車相關系統相連，接收由控制中心提供的實時數據及文本信息以及向控制中心發送實時的車況、視頻等信息。

5 1800MHz頻段利用方案

LTE在現有的技術條件下，提供3MHz、5MHz、10MHz、15MHz以及20MHz頻寬的多元化產品。現有的軌道交通項目中LTE網絡吞吐量測試結果見表2：

5.1 15MHz頻寬條件

由于1790～1795MHz已被占用，因此15MHz頻寬條件表現為1785～1790MHz頻段的5MHz頻寬和1795～1805MHz的10MHz頻寬。結合表2可知其中的10MHz頻寬可以滿足表1中所有業務的承載。

由于CBTC業務事關行車安全，對車地無線通信可靠性要求較高，需要組建2套LTE網絡（A網、B網），因此1785～1790MHz頻段的5MHz頻寬可分配給A網單獨承載CBTC，10MHz頻寬分配給B網承載CBTC、PIS、視頻監控、車況信息、集群語音等。CBTC業務在A、B兩套網絡上同時傳輸，由信號系統同時接收并判斷確定使用有用信息。

此方案需要在將原初步設計專用通信系統中PIS方案的LTE單網改為雙網，即需要增加一整套LTE設備。

5.2 10MHz頻寬條件

10MHz頻寬條件可以為1795～1805MHz的1個10MHz頻寬，或2個5MHz頻寬。

5.2.1 一個10MHz頻寬。一個10MHz頻寬下只考慮1張LTE網絡，由于CBTC系統需要2張LTE網絡承載，此方案僅適用于承載表1中除CBTC業務外的其他業務。此方案即為原初步設計方案。

5.2.2 兩個5MHz頻寬。5MHz頻寬上下行帶寬最大為5Mbps和7Mbps，無法滿足PIS信息的傳送，可考慮組建2套LTE網絡（A網、B網），其中1個5MHz頻寬分配給A網單獨承載CBTC，另1個5MHz頻寬分配給B網承載CBTC、車況信息、集群語音等。

此方案需要將原初步設計中PIS車地無線方案由LTE（原主選方案）變更為WLAN方案（原備選方案），同時將原初步設計中信號系統的WLAN方案變更為LTE雙網方案。綜合考慮通信信號系統，需要增加一整套LTE

設備。

5.3 6MHz頻寬條件

6MHz頻寬條件下可以考慮2個3MHz頻寬組建A、B雙網，僅用于CBTC業務的承載。

此方案需要將原初步設計中PIS車地無線方案由LTE（原主選方案）變更為WLAN方案（原備選方案），同時將原初步設計中信號系統的WLAN方案變更為LTE雙網方案。綜合考慮通信信號系統，需要增加一整套LTE

設備。

6 結語

根據軌交協《關于推薦城軌交通項目新建1.8G專用頻段和LTE綜合無線通信系統的通知》（中城軌[2016]003號）中要求“應考慮在保證CBTC系統優先的情況下開展綜合承載業務”，結合省經信委對于1800MHz限制使用的基本原則下（見3.1小節），基本可以認為本工程的原初步設計方案不適用于現有的相關政策以及軌道交通LTE建設的發展方向。綜合上述1800MHz頻段利用方案，無論最終采用哪種頻寬條件，都涉及到了對方案的變更。

因此，城市軌道交通工程建議采用5.3小節的方案，即利用6MHz頻寬條件，建設2張LTE網絡滿足CBTC業務的承載。

參考文獻

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（責任編輯：黃銀芳）