重慶都市快軌無線通信系統頻段應用需求分析

施小敏

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

1 概述

隨著經濟實力增強，我國都市快軌建設發展迅速，方便快捷的地方城市交通日顯突出,也促進了地方城市公共服務業的發展。我國高鐵和都市快軌已經躋身世界先進行列，擁有眾多人口是大力發展都市快軌的基礎。旅客乘車安全運行和舒適體驗，需要先進的列車控制技術，由于列車在地面或者隧道上高速運行，憑借無線通信方式進行車地的信息傳輸。近些年，無線通信技術向3G、4G快速發展，無線通信技術的優勢使其應用更加廣泛，先進的無線技術可以保障列車安全運行，本文就都市快軌無線通信技術應用需求進行探討。

2 軌道交通無線通信系統應用情況

目前，應用于軌道交通行業的主要無線通信網 絡 制 式 有：TETRA、GSM、LTE、WLAN等。中國鐵路總公司采用GSM-R作為鐵路綜合數字移動通信系統的使用制式。鐵路發展CTCS-3/CTCS-4級系統,采用GSM-R系統已有多年。由于GSM是基于第二代移動通信系統，帶寬較窄，不支持大帶寬的數據業務，隨著鐵路系統智能化程度的提高，GSM-R制式已不能滿足大容量通信的要求。朔黃重載鐵路試行TD-LTE 車地通信項目，使用1.8 GHz頻段，在山西、河北、內蒙古三省建網，并已開通運營。

數字集群通信系統(TETRA）一般應用于軌道交通無線列調系統，既為常態列調和各單位間聯絡使用，又兼顧應對突發事件。TETRA是基于第二代移動通信系統，只能使用純語音調度，不支持寬帶數據業務，無法提供更多的數據信息尤其是高清圖像和視頻信息。

目前，城市軌道交通車地無線通信主要使用LTE和WLAN標準制式。WLAN能提供單小區下行≥12 Mbit/s，上行≥12 Mbit/s，主要使用頻段為公用2.4 GHz和5.8 GHz。WLAN是解決低速或固定的無線數據傳輸而產生的技術，其對高速移動終端的支持存在局限性，且WLAN對語音通信支持有限，不支持集群調度通信。LTE系統主要使用頻段為專用1.8 GHz，具備抗干擾能力強、業務可擴展性好、傳輸帶寬高，滿足多路實時視頻流下發及視頻監控數據回傳需求：20 MHz頻段組網，下行峰值可達50 Mbit/s，終端處于小區邊緣時仍可實現30 Mbit/s 高帶寬能力、高速移動接入性能強，確保高速移動場景下無線鏈路質量。目前LTE系統已經在多個城市的軌道交通建設中應用，是軌道交通無線通信制式的主要選擇方向。

目前，中國城市軌道交通協會技術裝備專業委員會在遵循3GPP、B-TrunC相關規范的基礎上，組織并制定了《城市軌道交通車地綜合通信系統（LTE-M）規范》。LTE-M是針對城市軌道交通綜合業務承載需求的TD-LTE系統，在保證基于通信的列車控制系統（CBTC）車地信息傳輸基礎上，同時傳輸乘客信息系統（PIS）、列車運行狀態監測、視頻監控（IMS）、集群調度業務等信息。全網配置完全冗余，確保單點故障下信號系統安全。與傳統解決方案相比，LTE-M系統具有高可靠的抗干擾能力、高效的多業務優先級保障機制 、高速移動下的穩定傳輸等多項優點。2016年5月LTE-M的7個子規范已發布。

3 重慶都市快軌車地無線通信技術選擇

3.1 車地無線通信系統建設專用頻段的必要性

都市快軌的列控系統是高密集列車運行的安全保證，列車運行中通過該系統與地面（軌旁）設備連續進行數據和指令的交換，完成對線路上高密度列車的精準定位和控制。

都市快軌列控系統按照規劃功能及構成，需使用無線通信系統形成車地傳輸通道。目前城市軌道交通中列控系統普遍采用WLAN 技術承載車地無線列控信息，由于WLAN 采用2.4 G公共頻段，該頻段同時支持大量的WLAN網絡設備和終端，因此，運營中存在同頻段信道資源被擠占的干擾風險，對安全運營有嚴重威脅，迫切希望采用專用頻段承載列控系統信息。

重慶都市快軌結合國內其他城市軌道交通的建設經驗和目前的無線通信技術發展，以及都市快軌線網工程規劃需求，申請采用專用無線通信頻率，建設統一服務于列控系統業務兼顧其他軌道交通業務的無線通信綜合承載網，以減少投資運維成本、提高行車安全水平。

3.2 無線通信頻率使用及頻點審批情況

工信部無[2003]408號文（以下簡稱408號文）規定頻率指配法定主體是省級的無線電管理單位，“具體頻率指配和無線電臺站管理工作，由各省、自治區、直轄市無線電管理機構負責”，因此軌道交通通信業務所用頻點可向當地無線電管理部申請。

如圖1所示，相較各頻段使用情況，1.8 GHz頻段覆蓋好，產業技術成熟，但需提前申請避免被其他行業占用。

3.3 頻率、頻段的規劃

根據408號文，軌道交通申請頻段為1.8 GHz(1785-1805MHz)。

TD-LTE 為了應對無線信道的復雜性，采用時分OFDM 或OFDMA 多載波調制技術。因此，頻率規劃要在既有頻率資源基礎上，充分考慮停車場、隧道的覆蓋特點，在滿足覆蓋需求和容量的前提下，高效利用頻率資源。

通過時間或子信道來區分用戶，因此要合理的分配和復用有限頻段，減少小區間、信道間的干擾，也是TD-LTE 頻率規劃需解決的主要問題。

TD-LTE 在頻率復用模型上遵循普遍的無線網絡規劃模型， TD-LTE的組網計劃采用同頻組網技術，采用小區間干擾協調技術，確保相鄰的小區在小區邊緣使用不同頻率資源，避免小區間干擾，以便提升小區邊緣吞吐率。

鄭州地鐵1號線PIS 車地無線TD-LTE 項目，根據豫無辦(2011)31 號文在1.8 GHz 頻段組網，并已經開通運營。

3.4 都市快軌帶寬需求評估

LTE-M標準規定國內地鐵采用TDD-LTE技術標準，遵循3GPP協議。按照3GPP協議規定，TDD-LTE支持的小區帶寬為20 M、15 M、10 M、5 M、3 M、1.4 M。同時系統支持多天線技術，在配置2根漏纜時可支持2×2MIMO技術，采用MIMO時，可以提高系統的峰值流量和平均流量，但是對小區邊緣（兩個RRU之間的切換區）速率沒有幫助。

3GPP協議采取不同子幀配比情況下的峰值速率/邊緣速率，如表1所示。

表1 不同子幀配比速率

一般情況下車站布設RRU，由于車站覆蓋良好，可以實現表1中的峰值速率；但在小區覆蓋邊緣，速率只有峰值一半。

3.4.1 帶寬需求分析

3.4.1.1 列控系統所需帶寬分析

LTE-M標準規定：列車運行控制業務根據列車在線路上運行的實際情況，對列車運行速度及制動方式等進行監督、控制和調整。根據自動運行的程度分為4級：

GOA1a：不連續監督下的人工駕駛運行，列車運行控制系統在特定位置上監督列車速度，等同于現有的點式控制方式。GOA1b：連續監督下的人工駕駛運行，列車運行控制系統連續監督列車運行速度，等同于裝有ATP系統。

GOA2：半自動運行，等同于裝有ATO系統，自動化程度相比上一等級有了進一步提升，又稱為ATO模式。

GOA3：無司機運行，列車上不再安排專職司機，司機被ATO等系統功能所取代，僅安排乘務人員防止突發事件。

GOA4：無人監督運行，列車上不安排任何工作人員。

1）列車控制業務要求LTE-M系統的可用性不低于99.99%；

2）列車控制業務要求通信優先級高，要求整個通信系統最優先保證該業務的傳輸，其傳輸不受其他業務傳輸的影響；

衡陽市地質災害類型主要有滑坡、崩塌、泥石流和地面塌陷四種。其中以滑坡和崩塌為主，其次為地面塌陷和泥石流。據統計，截止2017年底，全市有地質災害隱患點1935處，受威脅人民群眾近7萬人。根據市政府發布的《2018年度全市地質災害防治方案》，全市需重點防范的危及100人以上的重要地質災害隱患點達42處。

3）列車控制業務要求列車運行速度200 km/h時，能夠滿足性能要求；

4）列車控制業務要求通信系統單路單向傳輸時延不超過150 ms的概率不小于98%，不超過2 s的概率不小于99.92%；

5） 列車控制業務要求丟包率不超過1%，通信中斷時間不超過2 s的概率不小于99.99%；

6）GOA1/2模式下，列車控制業務數據周期性發送，要求每路傳輸速率上下行分別不小于256 kbit/s；

7）GOA3/4模式下，列車控制業務數據周期性發送，要求上行每路傳輸速率不小于512 kbit/s，下行每路傳輸速率不小于512 kbit/s。

考慮到上下行不同子幀的報頭/應用數據比不固定，發送周期各不相同，因而數據在封裝和拆封時，會造成處理效率無法達到理論值，經過實驗室測算，要求無線傳輸提供最大傳輸帶寬為：上下行各512 kbit/s。

參考重慶軌道交通目前既有線路按照GOA3級標準進行運營，第二輪建設的線路，也采用GOA3級標準制定列車運營，因而單車的上下行速率將按512 kbit/s計算。

同時，由于軌道交通正線存在隧道和高架場景，在高架場景下，單小區同時覆蓋上下行。根據既有線運營經驗及現有設計，列車之間的追蹤間隔為90～120 s，會存在上下行至少同時3列車運行的情況，因此在高架場景單小區最少同時覆蓋6輛車。

如果降低小區覆蓋距離，會造成列車無線信號頻繁切換，降低運營效率，同時失去了采用LTE技術的優勢，導致區間設備過多，故障點增多。

故單小區上下行速率要始終大于512 kbit/s×6=3.072 Mbit/s，對照表1可以計算出：

只有在采用0時隙，按照1DL:3UL配置比時，最少需要LTE系統配置為5 M小區，才能在小區邊緣及小區中心均滿足速率要求。

為保證安全性與可靠性，列控系統要求車地無線網絡必須雙網配置，故需要申請2個5 M帶寬的列控專用頻率。

3.4.1.2 無線列調業務

無線列調建立控制中心與列車司機或地面工作人員間的通信，按一個小區并發10路考慮，每路帶寬需要32 kbit/s，10路并發需要320 kbit/s。

3.4.1.3 列車安防系統

列車安防需實現公安防恐人員及控制中心調度人員對列車客室圖像進行實時查看，同時傳送乘客求助報警信息和通話語音。

每節車廂內設置2臺攝像機，首尾司機室各設置2臺攝像機，車箱外側4臺攝像機。4輛編組列車共有16路高清視頻圖像，視頻圖像的壓縮格式均采用MPEG-4或者H.264。控制中心或公安防恐工作人員根據實際需要，隨意調看某列車中2～4路圖像，按照每一路視頻圖像占用帶寬2 Mbit/s計算，視頻業務需要6 Mbit/s帶寬，乘客求助報警對帶寬需求包含在內。

3.4.1.4 乘客信息系統

乘客信息系統為乘客提供列車到站、離站信息，天氣預報及時間信息，同時向乘客發布與其他接駁交通換乘信息，列車晚點等運營信息。主要是下行業務，實現控制中心向運營列車之間傳輸視頻和各種文本信息。

在列車運營正常情況下，每一列列車可以接收1路高清晰的數字視頻信息，視頻編碼采用MPEG-2、MPEG-4或者H.264格式，一般每一路帶寬為6～8 Mbit/s。考慮其他應用的帶寬預留，下行業務帶寬應至少達到8 Mbit/s。

匯總上述帶寬需求，如表2所示。

表2 各業務傳輸帶寬需求表

以上業務中，列車控制和無線列調集群系統對無線通信信號的實時性和安全性要求非常高，因為涉及到列車是否能夠正常的運行。如果信號丟失，會對列車的運行產生嚴重影響，甚至導致交通事故，因此，無線通信系統需要保證這種信號優先傳輸；列車安防系統和防護監控區中圖像作為列車正常、安全運行的主要輔助手段，實時性要求不高。防護區監控圖像可以在保證圖像清晰的情況下適當降低圖像碼率，減少帶寬占用。列車安防系統可以通過降低上傳圖像路數、上傳標清圖像、高清圖像本地存儲、緊急（如乘客緊急呼叫）時上傳1路高清圖像等方式來降低帶寬的占用；乘客信息系統主要是為旅客服務的，對傳輸信號的安全性、實時性要求都不高，信號傳輸有問題時，對列車的運營影響比較小,可以采用增大車載內緩存、到站的緩存等方式，來降低帶寬的占用。

3.4.2 選擇帶寬分析

公網TD-LTE 主流頻段是2.3 G、2.6 G；專網TD-LTE主流頻段是1.4 G(1447-1467 MHz) 和1.8 G(1785-1805 MHz) 頻段，其中軌道交通申請頻段為1.8 G(1785-1805 MHz)。

根據408號文將1.8 G的TDD頻段擴展到20 M，并明確指出本地專網可用于1.8 G 頻段的無線接入。工信部無[2008]332號文拓展了1.8 G 頻段的業務應用范圍，從原來只可以開展語音低速數據等窄帶業務應用，擴展為可以同時開展無線視頻傳送等的寬帶多媒體業務。

4 結束語

遵照工信部無[2015]65號文的要求，并結合以往軌道交通領域相關企業關于無線通信頻段的申請及使用經驗，建議1 785-1 805 MHz頻段共計20 MHz頻寬作為都市快軌線網工程規劃沿線LTE系統使用頻段，以實現重慶都市快軌線網工程中所含列控、集群調度語音、調度命令和車次號校核信息傳送、移動視頻監控（CCTV）、旅客服務信息（PIS），并預留監測、檢測和災害預警等業務的綜合承載需求。

[1]中華人民共和國信息產業部.信部無[2003]408號 關于擴展 1800 MHz 無線接入系統使用頻率的通知[S].北京：中華人民共和國信息產業部，2003.

[2]中華人民共和國工業和信息化部.工信部無[2015]65號 關于重新發布1785-1805 MHz頻段無線接入系統頻率使用事宜的通知[S].北京：中華人民共和國工業和信息化部，2015.

[3]中華人民共和國工業和信息化部.工信部無[2008]332號 關于固定無線視頻傳輸系統使用頻率的通知[S].北京：中華人民共和國工業和信息化部，2008.

[4]中國城市軌道交通協會技術裝備專業委員會.LTE-M系統總體架構及系統功能規范[S].北京：中國城市軌道交通協會技術裝備專業委員會，2016.

[5]焦鳳霞.TD-LTE技術承載地鐵CBTC系統應用研究[J].鐵路通信信號工程技術，2016，13（5）：63-66.Jiao Fengxia.Application of TD-LTE Technique in Metro CBTC System [J].Railway Signalling & Communication Engineering，2016，13（5）：63-66.

[6]孫秀英. WLAN技術與應用[M]. 北京：機械工業出版社，2017.

[7]韓斌杰，杜新顏，張建斌.GSM原理及其網絡優化[M]. 北京：機械工業出版社，2017.

[8]高峰. TD-LTE技術標準與實踐[M]. 北京：人民郵電出版社，2011.