杭州地鐵4號線T D-L T E網絡建設

邵唐紅， 謝錫榮

(杭州市地鐵集團有限責任公司， 杭州 300017)

杭州地鐵4號線T D-L T E網絡建設

邵唐紅， 謝錫榮

(杭州市地鐵集團有限責任公司， 杭州 300017)

2014年杭州地鐵4號線率先在業內通過軌道交通乘客信息系統(PIS)招標，使用車-地無線通信(TD-LTE)技術建設車地無線專網，用以承載PIS視頻直播和車載視頻監控業務。本文簡述該項目的建設情況以及實際測試結果，在網絡建設時，正線采用1785～1805 MHz的20 MHz頻率進行組網，上下行子幀配比設置為2 ∶2，并與800 M TETRA數字集群通信系統共用漏纜。經過測試，各項指標符合設計要求，完全可以滿足PIS業務承載需求。2015年7月，杭州地鐵首次在全國范圍內完成了基于已開通運營線路的軌道交通車輛綜合通信系統(LTE-M)綜合業務承載測試。通過測試驗證3、5、10 MHz以及15 MHz等多個不同頻寬下的業務承載能力，為杭州地鐵后續線路列車自動控制(CBTC)系統業務的承載提供參考依據。

杭州地鐵； 軌道交通乘客信息系統(PIS)； 車-地無線通信(TD-LTE)； 帶寬； 視頻直播； 視頻監控

1 地鐵PIS系統車地通信業務需求

乘客信息系統 (PIS) 分為控制中心、車站、車載、網絡、廣告管理等子系統[1]。地鐵設計規范規定，乘客信息系統的“無線網絡視頻監控圖像應通過無線的方式實時遠程傳輸到地面以滿足列車高速運行時的無縫切換”。杭州地鐵各線的PIS系統無線網絡部分至少需要承擔以下業務。

導師簡介: 謝錫榮，男，高級工程師，城市軌道交通裝備技術規范專家審核組成員，機電部副部長。

1.1 IMS視頻監控業務

IMS(軌道交通綜合監控系統)視頻監控是指將列車駕駛室和客室車廂內的控制中心或地面監控站，進行集中監控。

1.2 PIS視頻直播業務

PIS視頻業務是指實時地由地面將視頻或圖像服務及廣告等信息，通過廣播或者組播傳輸到列車客室車廂內播放。

1.3 列車緊急文本下發業務

列車緊急文本是指控制中心(OCC)通過地面PIS服務器傳送給車載PIS終端，提示乘客的信息。

2 地鐵CBTC系統車地通信業務需求

基于通信的列車控制(CBTC)是目前應用于城市軌道交通信號控制領域最先進的技術，2004年以來，國內軌道交通的新線建設和舊線改造基本采用CBTC系統[2]。

地鐵CBTC系統地面設備對列車傳輸的信息包括：移動授權、限速信息、列車識別號、運營調整指令等信息。在CBTC系統中，通信的一方是高速移動中的車載無線設備，無線傳輸受多徑衰落、傳播損耗、陰影衰落和多普勒頻移的影響，使通信性能下降，同時列車高速運行對數據傳輸的實時性、可靠性提出了更高的要求[3]。

列車對信號系統地面設備傳輸的信息包括：列車車組號、站臺門開/關命令、本列車的定位信息、本列車的速度信息等。無線通信系統需為信號列控CBTC提供實時、雙向、雙網雙通道冗余、A/B網冗余保護的車地無線信息傳輸通道。

2.1 列車運行控制業務

列車運行控制業務根據列車在軌道線路上運行的客觀條件和實際情況，對列車運行速度及制動方式等狀態進行監督、控制和調整。

2.2 列車運行狀態監測業務

列車運行狀態監測業務是指列車運行狀態實時監測系統，它主要是將傳感器采集到的列車車輛、牽引制動等關鍵設備及運行參數實時傳送到地面監測中心[4]。

3 現狀分析

3.1 車地通信建設情況

目前，中國城市軌道交通大多采用(無線局域網)WALN技術，作為地鐵兩大系統CBTC和PIS的車地無線傳輸，WLAN使用的是公共頻段，易被干擾。隨著智能手機的高度普及，Wi-Fi熱點、藍牙都成為智能手機的標配功能，從而對使用WLAN建設的車地無線專網帶來諸多隱患。此前，國內南方某城市地鐵就出現過乘客手機使用WLAN上網時，干擾了CBTC的車地無線系統，導致正在運行的列車非正常停車。

3.2 杭州地鐵車地通信使用情況

杭州自2007開始建設地鐵1號線以來，目前共有3條線建成運營，CBTC數據傳輸、CCTV(視頻監控信號系統)上傳業務都在地鐵運營中正常使用。PIS視頻源從華數電視臺傳到地鐵線網控制中心，并最終在各條線列車上實時播放。目前，從業務需求的角度來看，CBTC信號系統帶寬需求為100 kbit/s，PIS系統中的下行流帶寬需求為10 Mbit/s[5]。該業務一直為廣告運營商所關注，自開通以來，直播效果良好，為地鐵資源開發取得了良好的經濟效益。地鐵4號線采用LTE(無線通信)技術后，車載CCTV視頻監控已實現同一列車同時上傳9路圖像的效果。表1是杭州地鐵3條運營線路的車地無線使用情況。

表1 杭州地鐵車地無線系統應用情況

4 LTE技術

LTE系統引入了OFDM(正交頻分復用)和MIMO(多輸入多輸出)等關鍵傳輸技術，顯著增加了頻譜效率和數據傳輸速率(20 MHz帶寬下行峰值速率為100 Mbit/s，上行為50 Mbit/s)，并支持多種帶寬分配(1.4、3、5、10、15、20 MHz等)。LTE系統網絡架構更趨扁平化、簡單化，減少了網絡節點和系統復雜度，從而減小了系統時延，也降低了網絡部署和維護成本。

LTE系統具有高帶寬、高移動性、長區間覆蓋、高擴展性等特點，運行于電信運營商級的架構及設備，可解決既有無線系統存在的不穩定、移動性差等問題，提供了一套滿足地鐵運營需求的高帶寬、無縫漫游的車地無線網絡系統[6]。

自從國內有城市發生乘客使用WLAN設備，導致正在運行的列車非正常停車事件后，杭州市地鐵集團和浙江省、杭州市委一起研究了關于CBTC信號的車地無線是否可以使用專用頻段的問題。

2014年杭州地鐵集團決定先利用LTE技術在PIS系統中使用，驗證后再考慮在CBTC上使用。在設計院和主要設備廠家的大力配合下，在業內率先啟動利用LTE技術的PIS系統招標，與800 M專用無線集群合用漏纜，并從浙江省委申請到專用1.8 GHz頻段。該系統于2014年11月建成投入試運營，使用至今一直相當穩定、效果良好。

2015年7月，全國首個完成在線運營線路LTE-M(軌道交通車地通信系統)的綜合承載測試。在剛剛開通的杭州地鐵4號線PIS系統LTE承載CBTC(單網A網)暨多業務承載(PIS+CCTV+TIMS)測試，測試達到預期目標。

圖1 控制中心子系統構成Fig.1 Sub-system structure of control center

2015年，工業與信息化部發布[2015]65號文件“關于重新發布1 785～1 805 MHz頻段無線接入系統頻率使用事宜的通知”，明確1 785～1 805 MHz頻段使用事宜是為“滿足交通(城市軌道交通等)、電力、石油等行業專用通信網和公眾通信網的應用需求”。

5 建設方案

LTE車-地無線通信系統由圖1所示的控制中心子系統中的核心網、車站子系統中的基站(采用分布式基站，由BBU+RRU組成)以及車載子系統中的TAU和車載天線等組成。

TD-LTE技術是TDD(時分復用)版本的LTE技術，也是中國擁有自主知識產權的4G國際通信標準技術[7]。TD-LTE應用網絡架構圖，除了傳輸、電源接地基礎系統外，整個應用系統分為3個子系統，依場所設置以下子系統。

5.1 控制中心子系統

控制中心子系統放置各專用系統的中心設備，包括車地無信通信TD-LTE核心網EPC、CCTV控制中心、PIS系統。核心網采用小型化配置，標準19英寸設備。其中，TD-LTE核心網EPC向上與各類業務控制平臺CCTV中心、PIS系統等連接。

5.2 車站子系統

車站子系統主要放置TD-LTE基站設備，包括BBU、RRU、天線等。基站設備可以實現本車站的站內覆蓋，也可以通過泄露電纜對區間線路進行覆蓋，并可通過RRU實現拉遠覆蓋。

5.3 車載子系統

TD-LTE車載終端TAU部署在列車編組的前后司機室內，TAU天線安裝在司機車廂頂部外側，并盡量與泄漏保持視距，TAU通過以太網接口與車內交換機連接，實現TAU與車內數據業務的信息交互；車內采用以太網組網，各車廂間通過車載交換機互聯。

車廂內的視頻監控信號、列車狀態信息通過TAU經LTE上行回傳到控制中心，PIS的實時流媒體信息則通過TAU經LTE下行傳送到客室內的LCD播放控制器上[8]。

5.4 工程實施

1) 考慮地鐵區間空間有限，結合漏纜指標計算，決定與800 M無線集群系統共用漏纜。同時結合兩個系統射頻參數，根據隔離需求定制合路器。

2) 停車場屬于公共開放空間，民用通信運營商事先已經有宏蜂窩基站存在，由于1 805 MHz與移動DCS鄰頻，考慮頻率隔離，采用1 785～1 800 MHz的15 MHz頻率進行組網。

3) 正線區間屬于地鐵自有封閉空間，民用通信覆蓋應服從地鐵建設，由于1 805 MHz與移動DCS鄰頻，考慮頻率隔離，建議民用通信DCS1 800 MHz網絡只覆蓋4號線的站廳層，不再覆蓋站臺層和隧道區間，故LTE采用1 785～1 805 MHz的20 MHz頻率進行組網。

4) 地鐵視頻列車上直播業務，要求標清或準高清即可，傳輸速率一般在2～8 Mbit/s，此為下行傳輸，列車上的視頻監控圖像上傳到控制中心或地面監控站，一般要求至少2路，最好能達到4路，每路傳輸速率一般在1～2 Mbit/s，此為上行傳輸。考慮到上下線業務基本均衡，故上下行子幀配比為2 ∶2。

6 PIS系統車地無線測試結果

6.1 測試工具

筆記本電腦1臺，車載TAU及其附件1套,文件傳輸協議FTP、Iperf、DU Meter軟件各1套。

6.2 測試方法

1) 筆記本電腦安裝FTP客戶端，用網線連接車載交換機； 2) 設置IP地址，并能ping通地面模擬的PIS服務器； 3) 服務器上開啟FTP服務端程序及Iperf軟件； 4) 在筆記本上用開啟FTP客戶端，開啟10個線程上傳文件，服務器側用Iperf軟件對筆記本地址進行3線程的灌包，筆記本上用DU Meter軟件記錄實時的上下行帶寬。

6.3 測試數據(1 785～1 805 MHz頻段20 MHz)

1) FTP上傳測試數據(上行區間)，見表2。

表2 FTP上行區間速率

2)FTP上傳測試數據(下行區間)，見表3。

表3 FTP下行區間速率

3) IPERF灌包下載測試數據(上行區間)，見表4。

4) IPERF灌包下載測試數據(下行區間)，見表5。

6.4 業務承載需求[9]

1) PIS視頻直播：為標清或準高清，傳輸速率一般在2～8 Mbit/s。

表4 IPERF上行區間速率

表5 IPEPF下行區間速率

2) 車載CCTV：每路傳輸速率為1Mbit/s，一般要求同時長傳2路，最好能達到4路。

6.5 測試結果分析

通過分析5.3節FTP上傳測試數據可知，上行可以承載的最小帶寬基本都在7 Mbit/s以上，平均上傳帶寬基本都在10 Mbit/s以上，滿足4路車載CCTV上傳的需求。

通過分析5.3節IPERF灌包下載測試可知，下行可以承載的最小帶寬基本都在10 Mbit/s以上，平均下行傳輸帶寬都在25 Mbit/s以上，完全能夠滿足下行PIS視頻流傳輸的需要，并且還有很大的帶寬冗余。

7 綜合承載試驗

2015年7月在杭州地鐵4號線PIS系統LTE上進行了多業務承載(PIS+CCTV+CBTC)試驗，這是全國首個完成在線運營線路LTE-M的綜合承載測試。總體結論如下：

1) 在3 MHz頻率下，LTE具備承載單一CBTC業務能力；

2) 在5 MHz頻率下，LTE不具備綜合承載CBTC及目前狀態情況下的PIS及CCTV能力；

3) 在10 MHz頻率下，LTE具備綜合承載CBTC、PIS及4路CCTV能力(PIS為3 Mbit/s碼流，CCTV為1 Mbit/s)；

4) 在15 MHz頻率下，LTE具備綜合承載CBTC、高清PIS及6路CCTV能力(PIS為6 Mbit/s碼流，CCTV為1 Mbit/s)。

8 結語

綜上所述，LTE技術在城市軌道交通中是可以正常使用的，且能良好滿足系統業務需求。設計時需要考慮合路器定制，以及在時隙配比上需要根據業務的需求做出合理規劃。杭州市規劃的后續軌道交通線路信號系統的CBTC系統都將采用1.8 GHz的LTE專用頻段，但在LTE上的頻率申請、規劃業務、地鐵頻率資源分配和設備技術選擇是一項新課題和新技術，尤其在頻率申請上要求詳細計算和規劃，做到頻段與其他行業頻率復用；在綜合承載業務上一定要與運營管理及資源開放模式相結合，不建議盲目整合。

[1] 地鐵設計規范：GB 50157―2013[S].北京：中國建筑工業出版社，2014.

Code for design of metro： GB 50157―2013[S].Beijing： China Architecture & Building Press， 2014.

[2] 郜春海.自主創新CBTC系統的核心技術研究[J].現代城市軌道交通，2014 (1)：7-10.

GAO Chunhai.Study on core technologies for independent innovation CBTC[J].Modern urban transit， 2014(1)： 7-10.[3] 吳海峰，趙紅禮.地鐵CBTC系統的無線測試[J].都市快軌交通，2010，23(2)：97-98.

WU Haifeng， ZHAO Hongli.Radio test of CBTC system on Beijing subway[J].Urban rapid rail transit， 2010， 23(2)： 97-98.

[4] 城市軌道交通裝備技術規范：CZJS/T 0061—2016[S].北京，2016.

Technical specification for urban rail transit equipment： CZJS/T 0061—2016[S].Beijing, 2016.

[5] 陳鵬，李文明，嚴波.地鐵車-地無線通信引入LTE后的干擾分析[J].都市快軌交通,2016，29(2):48-52.

CHEN Peng， LI Wenming， YAN Bo.Interference analysis of subway train-ground wireless system after introducing LTE[J].Urban rapid rail transit， 2016， 29(2)： 48-52.

[6] TD-LTE技術在城軌信號系統車-地通信中的應用分析[J].現代城市軌道交通，2015(6)：9-12.

Application analysis of TD-LTE technology in train-ground wireless communication for transit signaling system[J].Modern urban transit， 2015(6)： 9-12.

[7] 戴克平，張艷兵，朱力.基于LTE的城市軌道交通車地通信綜合承載系統[J].都市快軌交通，2016，29(1)：69-74.

DAI Keping， ZHANG Yanbing， ZHU Li.An integrated LTE based urban rail train ground communication system[J].Urban rapid rail transit， 2016， 29(1)： 69-74.

[8] 杭州市地鐵集團有限責任公司.杭州地鐵4號線一期工程專用通信設計文件[A].杭州，2014 .

[9] 杭州市地鐵集團有限責任公司.杭州地鐵4號線一期工程專用通信測試文件[A].杭州，2015.

(編輯：郝京紅)

Constructing TD-LTE Network for Hangzhou Metro Line 4

SHAO Tanghong, XIE Xirong

(Hangzhou Metro Group Co., Ltd., Hangzhou 300017)

The TD-LTE technology was employed in the wireless private network of Line 4 of Hangzhou Metro to provide PIS and CCTV services in 2014. The construction process and the application effects of the LTE system are elaborated. The upper and lower sub-frame ratio of the network was set to 2:2, which shared the leaky cable with the 800M TETRA digital trunking communication system. Tests indicated that the indicators conform to the design requirements and could fully meet the needs of PIS services. In July, 2015, Hangzhou Metro completed the LTE-M integrated service load test based on the routes in operation for the first time across the country. The test verified the service bearing capacity under different frequency widths (3, 5, 10 MHz and 15 MHz) and provided the references in terms of the LTE technology bearing CBTC for Hangzhou Metro. Keywords: Hangzhou Metro; PIS; TD-LTE; bandwidth; video broadcast; video monitoring

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.03.020

2017-04-05

2017-04-28

邵唐紅，男，本科，工程碩士，高級工程師，從事通信系統建設管理工作，shaotanghong@hzmetro.com

U231

A

1672-6073(2017)03-0102-05