城市軌道交通無線通信專網(wǎng)綜合平臺(tái)構(gòu)建探討

趙曉蓉 胥智鵬

（1.上海中鐵通信信號(hào)測試有限公司，上海 200436；2.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，上海 201103）

1 專用無線通信系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展概況

在城市軌道交通的通信系統(tǒng)中，專用無線通信系統(tǒng)是行車指揮調(diào)度、站務(wù)管理、運(yùn)營設(shè)施設(shè)備維護(hù)保障、應(yīng)急搶險(xiǎn)等重要通信手段，是控制中心調(diào)度人員和分布在列車、車站、線路、車輛段、停車場、管理辦公區(qū)域上的車載或手持專用無線電臺(tái)使用人員之間建立實(shí)時(shí)可達(dá)信息的溝通路徑。

專用無線通信系統(tǒng)與公網(wǎng)無線通信系統(tǒng)的最根本區(qū)別，就是在性能上必須滿足呼叫建立時(shí)延、話權(quán)申請(qǐng)時(shí)延等關(guān)鍵性指標(biāo)，突出一個(gè)“快”字，很少采用摘機(jī)模式，通常使用PTT一按即呼。

上海地鐵從1994年開通第一條運(yùn)營線（1號(hào)線），最早開始使用450 MHz頻段的第一代模擬集群系統(tǒng)，使用5對(duì)雙工間隔10 MHz的頻率對(duì)，提供語音對(duì)講業(yè)務(wù)。系統(tǒng)分為控制中心子系統(tǒng)、車輛段子系統(tǒng)、公安子系統(tǒng)、維護(hù)子系統(tǒng)、緊急子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)需占用一對(duì)頻率。

從3號(hào)線開始，上海地鐵無線通信專網(wǎng)系統(tǒng)邁入數(shù)字化時(shí)代，部署了基于數(shù)字時(shí)分多址（TDMA）技術(shù)的陸上集群無線電系統(tǒng)（TETRA）。TETRA系統(tǒng)采用ACELP語音編碼和π/4-DQPSK調(diào)制，在指揮調(diào)度功能上比較完善，適合做無線通信專網(wǎng)系統(tǒng)。但TETRA本質(zhì)上屬于第二代移動(dòng)通信制式，數(shù)據(jù)能力不強(qiáng)。雖然ETSI很早就開始致力于TETRA標(biāo)準(zhǔn)第二版（Release 2），以使TETRA在分組數(shù)據(jù)功能上有所改進(jìn)，但目前尚未形成規(guī)模產(chǎn)業(yè)跟進(jìn)，仍不能滿足應(yīng)用需求。同時(shí)，TETRA雖然空中接口標(biāo)準(zhǔn)是公開的，但內(nèi)部交換網(wǎng)絡(luò)接口標(biāo)準(zhǔn)并未統(tǒng)一，廠家都有各自的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，TETRA的不開放性造成城市軌道交通各線路的系統(tǒng)分離，不能互聯(lián)互通形成網(wǎng)絡(luò)化，或?yàn)樾纬删W(wǎng)絡(luò)化而不得不被某一家生產(chǎn)廠商所捆綁。

近年來，隨著公共安全和指揮調(diào)度需求的不斷提升，建設(shè)安全可靠、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專業(yè)無線指揮調(diào)度專網(wǎng)系統(tǒng)成為各地城市軌道交通公司的迫切需求。傳統(tǒng)窄帶TETRA集群通信系統(tǒng)由于系統(tǒng)制式和技術(shù)能力的原因，無法支持日益增長的多媒體類業(yè)務(wù)，從而不能適應(yīng)現(xiàn)代寬帶應(yīng)用場景下的城市軌道交通運(yùn)營指揮調(diào)度需求，部署新一代功能更強(qiáng)大的無線通信專網(wǎng)綜合平臺(tái)已成為各地軌道交通公司的當(dāng)務(wù)之急。

最近十幾年，中國本土通信行業(yè)的技術(shù)能力得到飛速發(fā)展和大力提升。LTE移動(dòng)通信公網(wǎng)技術(shù)在行業(yè)專網(wǎng)的應(yīng)用和發(fā)展，促進(jìn)了無線通信專網(wǎng)系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通，為網(wǎng)絡(luò)化布局奠定了基礎(chǔ)。2014年，兼容4G LTE寬帶數(shù)據(jù)傳輸功能的多媒體集群調(diào)度通信系統(tǒng)B-TrunC正式形成國家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)產(chǎn)業(yè)鏈聚集形成寬帶集群產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。2016年，B-TrunC技術(shù)成為國際標(biāo)準(zhǔn)。B-TrunC系統(tǒng)提供專業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)接入和集群功能，能滿足軌道交通行業(yè)的信息化和保障網(wǎng)絡(luò)安全，呼叫建立時(shí)延<300 ms，話權(quán)申請(qǐng)<200 ms，在語音集群通信的基礎(chǔ)上增加多媒體調(diào)度功能。此外，在數(shù)據(jù)傳輸功能上，高帶寬屬性使B-TrunC系統(tǒng)能從容承載列車控制CBTC、車載監(jiān)控視頻、乘客信息等業(yè)務(wù)，性能和功能完全覆蓋TETRA技術(shù)。2015年，工信部發(fā)文批準(zhǔn)軌道交通等行業(yè)無線通信專網(wǎng)系統(tǒng)的1.8 GHz頻率資源，加速了B-TrunC產(chǎn)業(yè)和市場的快速發(fā)展。在完整的標(biāo)準(zhǔn)體系支撐下，一個(gè)自主可控、端到端開放的軌道交通行業(yè)無線通信專網(wǎng)制式迅速發(fā)展。中國城市軌道交通協(xié)會(huì)與B-TrunC聯(lián)盟成立聯(lián)合小組，共同制訂了軌道交通行業(yè)的無線通信標(biāo)準(zhǔn)LTE-M，解決了軌道交通行業(yè)的迫切需求。第四代城市軌道交通無線通信專網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)來臨。

2 B-TrunC無線通信專網(wǎng)綜合平臺(tái)構(gòu)建

專用無線通信技術(shù)的發(fā)展，與公用無線通信技術(shù)的演進(jìn)路徑類似。也經(jīng)歷了從第一代模擬集群、第二代數(shù)字集群（TETRA），第三代數(shù)字集群（GoTa、GT800）的迭代進(jìn)化。B-TrunC是目前最先進(jìn)的第四代商用無線專網(wǎng)通信技術(shù)，該系統(tǒng)延用公網(wǎng)LTE系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，為滿足專網(wǎng)一按即通、免摘機(jī)的快速響應(yīng)需求，在空中接口增加集群專用邏輯信道和物理信道的映射。在專用終端、eNodeB和EPC的鏈路上通過TFT將不同屬性的業(yè)務(wù)信息流過濾到相應(yīng)QoS的專用承載上，以端到端的視角，完成資源共享和安全保障，同時(shí)支持工信部2015年發(fā)文準(zhǔn)予城市軌道交通等行業(yè)使用的企業(yè)網(wǎng)1.8 GHz頻段。

無線通信的本質(zhì)是為解決在移動(dòng)狀態(tài)下，人與人之間的通信。第一代模擬系統(tǒng)主要解決話音通信，從第二代開始除了移動(dòng)話音業(yè)務(wù)，也提供少量數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，但由于技術(shù)體制的限制，只能提供低速率的無線通道。直到移動(dòng)通信技術(shù)邁入第四代時(shí)，在突破性技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的支撐下，移動(dòng)通信的數(shù)據(jù)傳輸能力，才得到突飛猛進(jìn)的提高，每赫茲使用頻譜效率極高。在此技術(shù)能力的基礎(chǔ)上，融入第四代移動(dòng)通信技術(shù)的無線通信專網(wǎng)技術(shù)B-TrunC在以前窄帶TETRA的話音指揮調(diào)度能力上升成為具備綜合話音、文本、圖像、視頻為一體的多媒體指揮調(diào)度能力，并且在除端到端寬帶集群通信能力之外，還提供高速無線數(shù)據(jù)承載功能。借助系統(tǒng)9級(jí)QoS優(yōu)先級(jí)保障，能在保障列車控制信號(hào)CBTC的高優(yōu)先級(jí)前提下，同時(shí)承載其他無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，如乘客信息系統(tǒng)、車載視頻監(jiān)控、車輛狀態(tài)信息等。所以，B-TrunC無線通信專網(wǎng)實(shí)質(zhì)上已成為城市軌道交通行業(yè)的無線通信專網(wǎng)多業(yè)務(wù)綜合承載平臺(tái)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 B-TrunC無線通信專網(wǎng)綜合平臺(tái)Fig.1 Integrated platform for B-TrunC wireless communication special networks

3 無線通信專網(wǎng)寬、窄系統(tǒng)融合方案

軌道交通目前正經(jīng)歷著行業(yè)大發(fā)展，許多新興城市從零公里起步，新建的軌道交通線路可以直接上無線通信LTE專網(wǎng)，無需考慮與既有老線老制式無線通信專網(wǎng)的關(guān)系，但像上海地鐵這樣已經(jīng)發(fā)展了20多年的超大型軌道交通網(wǎng)絡(luò)而言，為實(shí)現(xiàn)全路網(wǎng)統(tǒng)一指揮調(diào)度，就不得不考慮兩個(gè)問題。

1) 新建線路的LTE無線通信寬帶專網(wǎng)EPC之間的互聯(lián)互通。

2) 新建線路的LTE無線通信專網(wǎng)寬帶EPC與既有老線TETRA無線通信窄帶專網(wǎng)的互聯(lián)互通。

3.1 LTE無線通信寬帶專網(wǎng)建設(shè)方案

在上海地鐵這樣的軌道交通超大型網(wǎng)絡(luò)，在部署LTE無線通信專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可考慮統(tǒng)一增強(qiáng)歸屬用戶服務(wù)器（eHSS）架構(gòu)。整個(gè)上海軌道交通區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)共用一個(gè)eHSS，允許有多個(gè)軌交線路集群核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)（TCN），但全網(wǎng)陸地移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（PLMN）為一個(gè)，新建軌交線路的LTE無線通信寬帶專網(wǎng)之間互聯(lián)互通的架構(gòu)如圖2所示。

LTE無線通信寬帶專網(wǎng)是開放的系統(tǒng)，各網(wǎng)元之間通過標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的互聯(lián)互通。寬帶專網(wǎng)中處理集群業(yè)務(wù)的核心功能模塊就是集群控制功能（TCF）和集群媒體功能（TMF），在共eHSS架構(gòu)下，互聯(lián)互通的主要接口是TC1和TC2，TC1接口主要用于完成eHSS對(duì)用戶的鑒權(quán)和認(rèn)證:TC2接口分別在控制面和用戶面對(duì)業(yè)務(wù)流進(jìn)行控制和承載。TC2的控制面是通過SIP協(xié)議來完成的。

3.2 LTE無線通信寬帶專網(wǎng)與既有線TETRA無線通信窄帶專網(wǎng)的互聯(lián)互通方案

上海軌道交通既有老線無線的專用無線調(diào)度網(wǎng)采用TETRA制式，新線部署B(yǎng)-TrunC專網(wǎng)后，為實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)指揮調(diào)度，就必須研究寬、窄兩個(gè)專網(wǎng)系統(tǒng)的互聯(lián)互通和統(tǒng)一調(diào)度。寬、窄專網(wǎng)系統(tǒng)互聯(lián)互通后，需要支持的功能包括:

1) 跨系統(tǒng)單呼。

2) 跨系統(tǒng)組呼。

3) 跨系統(tǒng)呼叫的話權(quán)管理，包括話權(quán)申請(qǐng)、話權(quán)釋放、話權(quán)搶占。

4) 跨系統(tǒng)呼叫的釋放。

LTE無線通信寬帶專網(wǎng)和既有無線通信窄帶專網(wǎng)（如TETRA、PDT）如何才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的互聯(lián)互通和全網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度呢？LTE寬帶專網(wǎng)B-TrunC對(duì)外系統(tǒng)的接口（包括外接調(diào)度臺(tái)的D接口）采用SIP/RTP協(xié)議棧，在全I(xiàn)P化的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)模式中，可以考慮沿用LTE無線通信寬帶專網(wǎng)的TC2接口方式，控制面采用SIP協(xié)議，用戶媒體層面采用RTP協(xié)議。國際上沒有標(biāo)準(zhǔn)的TETRA系統(tǒng)間接口，不同品牌廠商的交換網(wǎng)絡(luò)之間的接口、交換網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的網(wǎng)元之間的接口、交換網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)之間的接口、交換網(wǎng)絡(luò)與調(diào)度臺(tái)之間的接口都不是公開的標(biāo)準(zhǔn)接口。現(xiàn)有的系統(tǒng)級(jí)互聯(lián)解決方案在TETRA側(cè)交換網(wǎng)絡(luò)通過SIP協(xié)議與B-TrunC網(wǎng)交換網(wǎng)元EPC實(shí)現(xiàn)呼叫控制，TETRA網(wǎng)與B-TrunC網(wǎng)核心側(cè)采用RTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互通，互連接口如圖3所示。

圖3 寬、窄無線通信專網(wǎng)系統(tǒng)互聯(lián)接口Fig.3 Interaction interface between broadband and narrowband wireless communication special networks

在標(biāo)準(zhǔn)SIP協(xié)議之上，需依據(jù)軌道交通行業(yè)專網(wǎng)用戶需求做一定的擴(kuò)展和修改。為使無線通信寬、窄帶專網(wǎng)互聯(lián)后不至于造成全網(wǎng)無線通信專網(wǎng)系統(tǒng)過于復(fù)雜，可限定寬、窄帶集群終端只在各自歸屬的系統(tǒng)進(jìn)行位置信息的更新和管理，以減少不必要的系統(tǒng)間消息交互。互聯(lián)后支持跨系統(tǒng)的單呼、組呼功能以及跨系統(tǒng)的呼叫話權(quán)申請(qǐng)、釋放、搶占。

4 結(jié)束語

城市軌道交通的專用無線通信系統(tǒng)，是地鐵運(yùn)營的重要組成部分，系統(tǒng)的建設(shè)需要考慮新老技術(shù)的銜接和過渡，同時(shí)還要滿足線網(wǎng)運(yùn)營的包括列車控制、統(tǒng)一全網(wǎng)調(diào)度在內(nèi)的多業(yè)務(wù)承載功能需求，應(yīng)統(tǒng)籌考慮系統(tǒng)的全生命周期成本，做到無線通信寬、窄帶專網(wǎng)的技術(shù)融合，平滑演進(jìn)，既保護(hù)既有投資，又能做到專網(wǎng)功能的無縫銜接。

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