城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行模式下的車地?zé)o線綜合通信網(wǎng)絡(luò)方案分析

劉 洋

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)設(shè)計(jì)研究處，430063,武漢//工程師)

目前，我國(guó)城市軌道交通車地?zé)o線通信傳輸技術(shù)主要以WLAN(無線局域網(wǎng))技術(shù)為主，且已有較多成功的案例，其在經(jīng)濟(jì)性、寬帶性等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)[1-2]。但WLAN技術(shù)固有的局限性限制了城市軌道交通車地?zé)o線通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，主要體現(xiàn)在：

1)抗干擾能力差。WLAN技術(shù)的工作頻段為開放的2.4 GHz頻段。近年來，乘客WIFI(無線網(wǎng)絡(luò))大功率設(shè)備應(yīng)用逐漸增多，容易對(duì)地鐵車地?zé)o線通信傳輸造成干擾，嚴(yán)重影響列車運(yùn)行安全性。

2)覆蓋距離短、越區(qū)切換多、維護(hù)不便。WLAN天線覆蓋范圍較小，需約200 m左右布設(shè)一個(gè)天線，導(dǎo)致區(qū)間內(nèi)無線有源設(shè)備數(shù)量多，造成維護(hù)困難。

3)服務(wù)質(zhì)量無法保證。由于車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)較多，WLAN無法實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)并發(fā)時(shí)的按優(yōu)先級(jí)調(diào)度，造成各系統(tǒng)相互爭(zhēng)搶通信資源，這樣可能會(huì)影響關(guān)鍵安全業(yè)務(wù)信息的交互。

為提高車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，保證列車運(yùn)行安全，各大城市開展了LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))技術(shù)承載車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)的研究。LTE是3GPP(第三代合作伙伴計(jì)劃)制定的全球通用標(biāo)準(zhǔn)，采用了OFDM(正交頻分復(fù)用)、MIMO(多輸入多輸出)、HARO(混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求)等先進(jìn)技術(shù)，有效地提高了數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜效率等[3]。LTE工作在非開放性的1.8 GHz(1 785～1 805 MHz)頻段，且其采用小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)(ICIC)和干擾抑制合并技術(shù)(IRC)減小干擾，大大提高了抗干擾能力。其次，LTE區(qū)間設(shè)備覆蓋范圍達(dá)1.2 km，大大減少了越區(qū)切換次數(shù)和設(shè)備維護(hù)量。另外，LTE技術(shù)還能通過預(yù)先定義的承載業(yè)務(wù)類型實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)調(diào)度和資源分配，為保證生產(chǎn)安全類業(yè)務(wù)提供了很大的便利。

目前，LTE綜合承載車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)已有成功應(yīng)用，如北京燕房線全自動(dòng)駕駛線路[4]、南京寧高線等。但需指出，LTE雖為非開放頻段，但卻為交通、電力、石油等行業(yè)共用(參見工信部無[2015]65號(hào)文)，因此很多城市難以申請(qǐng)到20 MHz。另外，通過運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景分析發(fā)現(xiàn)，全自動(dòng)運(yùn)行模式比常規(guī)運(yùn)行模式下城市軌道交通線路的車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)[5]，如列車運(yùn)行控制信息、車輛運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)量、新增行車路況監(jiān)視和乘客緊急呼叫視頻等均有所增加，因此LTE技術(shù)在傳輸帶寬方面可能受限。由此可以看出，LTE技術(shù)雖然可靠性和抗干擾能力較強(qiáng)，但在系統(tǒng)帶寬能力方面存在著不足；WLAN技術(shù)雖然抗干擾能力弱，但在經(jīng)濟(jì)性和寬帶性方面具備一定的優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，針對(duì)城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行模式下的車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需要，對(duì)車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)方案進(jìn)行了分析研究，提出合理可行的車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案，可為城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行線路的車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案提供參考。

1 全自動(dòng)運(yùn)行模式下的車地?zé)o線通信需求分析及業(yè)務(wù)承載方案

2.1 車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)信息

2.1.1 基于通信的列車控制業(yè)務(wù)

基于通信的列車控制(CBTC)業(yè)務(wù)用于傳輸全自動(dòng)運(yùn)行模式下的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而對(duì)列車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督、控制和調(diào)整。此應(yīng)用需求屬于生產(chǎn)安全信息業(yè)務(wù)，且通常需要采用獨(dú)立的雙網(wǎng)冗余通信信道。

2.1.2 乘客信息系統(tǒng)緊急文本業(yè)務(wù)

乘客信息系統(tǒng)(PIS)緊急文本業(yè)務(wù)一般由播控中心下發(fā)，通過地面PIS服務(wù)器傳輸至車載PIS終端，用于通知乘客列車運(yùn)營(yíng)信息或其他緊急信息。此業(yè)務(wù)屬于生產(chǎn)安全信息業(yè)務(wù)。

2.1.3 車輛運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)

列車監(jiān)控管理系統(tǒng)(TCMS)通過傳感器采集車輛關(guān)鍵設(shè)備系統(tǒng)信息并上傳至地面監(jiān)測(cè)中心，保障車輛運(yùn)行期間的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。此業(yè)務(wù)屬于生產(chǎn)安全信息業(yè)務(wù)。

2.1.4 車載閉路電視業(yè)務(wù)

車載閉路電視(CCTV)業(yè)務(wù)是將車廂內(nèi)、車載乘客緊急呼叫處的行車路況監(jiān)視圖像信息傳輸至地面控制中心進(jìn)行集中監(jiān)控。其中，車載乘客緊急呼叫一般通過車載緊急呼叫事件觸發(fā)，相應(yīng)的視頻圖像自動(dòng)上傳至控制中心監(jiān)視工作站;車載視頻監(jiān)控圖像通常由車載本地存儲(chǔ)，且可由中央操作員實(shí)時(shí)任意調(diào)看(一路或多路圖像)。車載乘客緊急呼叫和行車路況監(jiān)視均屬于生產(chǎn)安全信息業(yè)務(wù)。

2.1.5 車載PIS業(yè)務(wù)

車載PIS業(yè)務(wù)是通過地面服務(wù)器將視頻圖像信息傳輸至車廂內(nèi)進(jìn)行播放,此業(yè)務(wù)屬于非生產(chǎn)安全信息業(yè)務(wù)。

2.2 車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)帶寬需求

通過以上對(duì)于車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)的需求分析，參考目前實(shí)際帶寬應(yīng)用情況，匯總?cè)詣?dòng)運(yùn)行模式下的車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)帶寬需求,如表1所示。

表1 車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)帶寬需求

2.3 車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)傳輸帶寬及承載方案分析

2.3.1 承載能力分析

由于LTE在服務(wù)質(zhì)量保證、抗干擾能力方面有著不可替代性，因此優(yōu)先考慮采用LTE技術(shù)承載車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)，尤其是生產(chǎn)安全類業(yè)務(wù)。根據(jù)表1中車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)的帶寬需求，在全自動(dòng)運(yùn)行模式下考慮采用LTE技術(shù)進(jìn)行綜合承載，則有：

A網(wǎng)上行：“CBTC+車輛運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)”的承載能力為10 Mbit/s；A網(wǎng)下行：“CBTC+PIS緊急文本”的承載能力為2.1 Mbit/s；B網(wǎng)上行：“CBTC+車輛運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)+乘客緊急呼叫視頻+軌道路況監(jiān)視圖像+其他視頻”的承載能力為30 Mbit/s；B網(wǎng)下行：“CBTC+PIS緊急文本+車載PIS”的承載能力為8.1 Mbit/s。

由此可以看出，即使LTE車地?zé)o線系統(tǒng)申請(qǐng)到20 MHz頻譜，也僅能滿足安全生產(chǎn)類業(yè)務(wù)的需求，但無法滿足業(yè)務(wù)綜合承載，需要采用WLAN寬帶無線技術(shù)來補(bǔ)充解決。

2.3.2 頻率規(guī)劃方案

以20 MHz頻譜為例，LTE系統(tǒng)的頻率規(guī)劃方案如下：

1)方案一：A、B網(wǎng)各選取10 MHz進(jìn)行組網(wǎng)，其中A網(wǎng)頻率范圍為1 785～1 795 MHz，B網(wǎng)頻率范圍為1 795～1 805 MHz；上下行線路時(shí)隙配比采用3…1。此時(shí)A網(wǎng)上行線路承載“CTBC+TCMS”業(yè)務(wù)，A網(wǎng)下行線路承載CBTC業(yè)務(wù)；B網(wǎng)上行線路承載“CBTC+TCMS+乘客緊急呼叫視頻+軌道路況監(jiān)視圖像”業(yè)務(wù)，B網(wǎng)下行線路承載“CBTC+PIS緊急文本”業(yè)務(wù)。

2)方案二：A網(wǎng)選取5 MHz、B網(wǎng)選取15 MHz進(jìn)行組網(wǎng)，其中A網(wǎng)頻率范圍為1 785～1 790 MHz，B網(wǎng)頻率范圍為1 790～1 805 MHz；上下行線路時(shí)隙配比采用3…1。此時(shí)，A網(wǎng)上下行線路均只承載CBTC業(yè)務(wù)；B網(wǎng)上行線路承載“CBTC+TCMS+乘客緊急呼叫視頻+軌道路況監(jiān)視圖像”業(yè)務(wù)，B網(wǎng)下行線路承載“CTBC+PIS緊急文本”業(yè)務(wù)。

②患者滿意度的調(diào)查問卷總分為100分,>90分視為滿意、89-60分視為較滿意、<60分視為不滿意。滿意度=100%*(滿意+較滿意)/75。

由此可以看出，無論采用A網(wǎng)10 M、B網(wǎng)10 M還是A網(wǎng)5 M、B網(wǎng)15 M的頻率規(guī)劃方案，B網(wǎng)上行線路承載業(yè)務(wù)帶寬均受限，因此需要補(bǔ)充建設(shè)1套車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)。目前WLAN系統(tǒng)主流采用802.11ac標(biāo)準(zhǔn)，其平均帶寬可達(dá)到80 Mbit/s，完全可以滿足需求。因此，建議將WLAN系統(tǒng)作為車地?zé)o線通信信息傳輸?shù)膫溆猛ǖ溃糜趥鬏敗癟CMS+乘客緊急呼叫視頻+軌道路況監(jiān)視圖像+其他視頻”業(yè)務(wù)。

3 車地?zé)o線綜合通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案

通過對(duì)車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)需求、承載能力及頻率規(guī)劃等方面進(jìn)行分析得知，需要建設(shè)1套LTE系統(tǒng)保證系統(tǒng)生產(chǎn)安全類業(yè)務(wù)的傳輸；另外，還需要建設(shè)1套WLAN系統(tǒng)作為車地?zé)o線通信信息傳輸?shù)膫溆猛ǖ馈?/p>

3.1 LTE系統(tǒng)組網(wǎng)

3.1.1 系統(tǒng)組成

由于LTE系統(tǒng)需要承載信號(hào)系統(tǒng)中的CBTC業(yè)務(wù)，因此，LTE網(wǎng)絡(luò)須按照A、B雙網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)[6]。在主、備控制中心分別設(shè)置演進(jìn)分組核心網(wǎng)(EPC)設(shè)備；在車站和車輛基地設(shè)置BBU(基帶處理單元)+RRU(射頻拉遠(yuǎn)單元)設(shè)備，且在線路區(qū)間根據(jù)需要設(shè)置RRU設(shè)備；在列車上設(shè)置TAU(車載接入單元)設(shè)備，且在每列列車的車頭和車尾同時(shí)設(shè)置A網(wǎng)+B網(wǎng)TAU設(shè)備。

3.1.2 傳輸組網(wǎng)

由于LTE系統(tǒng)需要承載CBTC業(yè)務(wù)，因此，A、B雙網(wǎng)的BBU設(shè)備至核心網(wǎng)EPC之間的傳輸通道需要分別進(jìn)行考慮。為共享傳輸網(wǎng)絡(luò)資源，建議A網(wǎng)單獨(dú)新建1套光纖網(wǎng)，B網(wǎng)采用專用通信傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。需要注意的是，B網(wǎng)專用通信傳輸系統(tǒng)需要支持1588V2協(xié)議，保證LTE系統(tǒng)時(shí)間同步。

3.1.3 無線覆蓋

以城市軌道交通地下線路為例，建議LTE A/B網(wǎng)在左右隧道各敷設(shè)1根漏纜進(jìn)行區(qū)間無線覆蓋；場(chǎng)段內(nèi)采用室外鐵塔天線覆蓋，建筑物內(nèi)采用室內(nèi)分布系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充覆蓋；車站內(nèi)采用室內(nèi)分布系統(tǒng)進(jìn)行覆蓋。

3.1.4 服務(wù)質(zhì)量保障

對(duì)于城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行模式下的不同車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)，可分別定義不同的QCI(服務(wù)質(zhì)量等級(jí))值，如表2所示。由表2可知，QCI值越小，其優(yōu)先級(jí)越高，且在多業(yè)務(wù)并發(fā)條件下可將資源優(yōu)先分配給優(yōu)先級(jí)較高的業(yè)務(wù)。

表2 服務(wù)質(zhì)量設(shè)置表

3.1.5 LTE推薦組網(wǎng)架構(gòu)圖

為保證全自動(dòng)運(yùn)行模式下中心設(shè)備的可靠性，宜將兩套LTE核心網(wǎng)設(shè)備分別放至主、備控制中心,如圖1所示。圖1中，A網(wǎng)僅承載CBTC業(yè)務(wù)，并采用獨(dú)立工業(yè)以太網(wǎng)方式進(jìn)行組網(wǎng)；B網(wǎng)綜合承載“CBTC+車載CCTV+車載PIS”業(yè)務(wù)，并利用專用傳輸系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)。

3.2 WLAN系統(tǒng)組網(wǎng)

3.2.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)全自動(dòng)運(yùn)行模式下車地?zé)o線業(yè)務(wù)需求和LTE系統(tǒng)能力，需要建設(shè)1套WLAN系統(tǒng)來傳輸“TCMS+乘客緊急呼叫視頻+軌道路況監(jiān)視圖像”業(yè)務(wù),并將其作為備用通道。由于WLAN承載的大都為非安全生產(chǎn)信息類業(yè)務(wù)，因此WLAN網(wǎng)絡(luò)采用常規(guī)的單網(wǎng)設(shè)計(jì)方案，主要由中心的無線控制器、無線接入點(diǎn)(AP(無線接入點(diǎn))，帶光口)、天線及光電纜等設(shè)備和線路組成。

圖1 城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行模式下的LTE車地?zé)o線通信組網(wǎng)架構(gòu)

3.2.2 傳輸組網(wǎng)

由于WLAN系統(tǒng)僅包含單網(wǎng)業(yè)務(wù)，因此僅需考慮單網(wǎng)WLAN車站設(shè)備至WLAN中心設(shè)備之間的傳輸通道。為共享傳輸網(wǎng)絡(luò)資源，建議利用專用通信傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

3.2.3 系統(tǒng)架構(gòu)

WLAN系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)與常規(guī)線路基本相同，僅存在車地?zé)o線通信承載業(yè)務(wù)間的差異，目前既有應(yīng)用中已有許多軌道交通線路采用常規(guī)WLAN方案[7-8]，因此本文不再對(duì)其進(jìn)行贅述。

4 結(jié)語

本文提出LTE+WLAN的綜合車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案，不僅能夠滿足CBTC、PIS緊急文本、車輛運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、車載CCTV及車載PIS等車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)的帶寬需求，還能根據(jù)預(yù)先設(shè)定的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行通信資源分配和調(diào)度，為全自動(dòng)駕駛模式下的車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案提供參考。