基于TD-LTE制式的北京市軌道交通車地寬帶無線通信系統工程建設規范化研究

陳偉 周竹青 衛瑞東

(1.中鐵通信信號勘測設計院有限公司,北京 100000;2.北京軌道交通路網管理有限公司,北京 100000)

0 引言

近年來北京市軌道交通建設得到迅速發展，截至2017年12月31日，北京市軌道交通路網共有運營線路22條，運營車站370座，運營總里程達到608公里[1]。

隨著城市軌道交通的不斷發展，其安全性、舒適性和高效性得到社會的普遍關注，現代化的軌道交通需要與之相適應的現代化通信系統來保證正常的運營服務。尤其是近幾年，多個城市對市域軌道交通進行了規劃。這類線路具有超高速（時速均在120km/h以上，部分線路規劃時速在160km/h以上）、線路長而且站間距大等顯著特點。

同時，由于傳統城市軌道交通車地無線通信系統所采用的基于IEEE 802.11系列標準的WLAN制式由于自身的技術限制，無法滿足這些超高速市域軌道交通的運營需求。因此，既能承載低時延的控制信息又能承載大帶寬的多媒體信息，既適應運輸效率、保證行車安全、提高現代化管理水平和傳遞語音、數據、圖像等各種信息的需要，又做到系統可靠、功能合理、設備成熟、技術先進、經濟實用，是當前車地無線通信系統技術升級的新載體。

1 北京市軌道交通車地無線通信系統現狀分析

1.1 車地無線通信技術制式現狀

目前北京市軌道交通的1號線、2號線、13號線以及八通線等四條線路車地通信采用了DVB-T技術，而其他線路車地通信采用了基于IEEE 802.11系列協議族的WLAN技術。下列圖表描述了既有運營各線路車地通信組網制式以及相應的網絡帶寬，如表1所示。

1.2 車地無線通信業務承載現狀

圖1 北京市軌道交通車地無線業務承載現狀圖[2]

目前大部分北京市已運營線路車地無線通信所承載車載視頻上傳、PIS信息下發等功能尚不完善、未達到系統建設初衷，如圖1所示。

表1 北京市軌道交通車地無線通信組網制式表[2]

2 北京市軌道交通車地寬帶無線通信系統研究

2.1 業務承載及帶寬需求（表2）

表2 北京市軌道交通車地寬帶無線通信業務承載及帶寬需求表

2.2 組網規劃

北京市軌道交通車地寬帶無線通信系統依據承載業務需求及使用的頻段規劃如下：

A網：工作于1.8G授權頻段（1785MHz-1805MHz）。A網可承載列車控制、視頻監視、列車乘客信息、列車運行狀態信息以及無線調度電話、列車中心廣播、列車乘客緊急對講等業務。

B網：工作于1.8G授權頻段（1785MHz-1790MHz）。B網可承載列車控制信息，同時B網的接入層可作為無線調度電話、列車中心廣播等關鍵業務的備份接入。

C網：工作于5.8G非授權頻段網絡（5725MHz-5850MHz）。C網僅承載視頻監視、列車乘客信息等非關鍵生產業務。

D網：工作于5.1G非授權頻段網絡（5150MHz-5350MHz）或2.4G非授權頻段網絡（2400MHz-2483MHz）。D網可承載軌道交通信息化類及服務類等非關鍵業務，其中2.4G非授權頻段須為線路未使用的該頻段或信號業務清退后的該頻段。

A、B、C及D網絡頻率應完全獨立，互不影響，如圖2所示。

圖2 北京市軌道交通車地寬帶無線通信系統頻段規劃圖

2.3 總體架構

北京市軌道交通車地寬帶無線通信系統總體網絡架構由中心層、接入層、終端層三層組成。

中心層主要完成列車控制、列車視頻監視、列車乘客信息、列車運行狀態以及無線調度電話、列車中心廣播、列車乘客緊急對講等業務的處理，實現網絡管理及存儲等功能。

接入層主要完成網絡無線接入側的信號收發處理，支持通過射頻系統（天線/漏纜/波導管）進行無線覆蓋。

終端層主要實現無線數據收發處理及各車載設備業務數據的交互。

3 基于LTE制式車地寬帶無線通信系統工程建設規范化研究

LTE技術是3GPP（第三代合作伙伴計劃）組織制定的通用移動通信系統技術標準的長期演進，具有高帶寬、低時延、抗干擾等特點。在20M帶寬組網的情況下，下行峰值速率為100Mbit/s，上行為50Mbit/s。頻譜分配靈活，可支持多種帶寬分配（支持5MHz/10MHz/15MHz/20MHz多種頻寬）。

LTE技術與WLAN技術關鍵性能分析如表3所示。

表3 LTE技術與WLAN技術關鍵性能對比表

LTE技術與現有的WLAN技術相比具有明顯優勢。目前，在我國地鐵建設中，開始逐步引入LTE技術實現車地無線通信。2013年底鄭州1號線、2017年底北京燕房線順利開通，都是我國在車地無線車地通信中應用LTE技術的成功嘗試。

3.1 頻率規劃原則

LTE網絡根據線路建設情況和場景可設置為單網或雙網（A網、B網）。

（1）單網絡（A網）規劃（表4）。

表4 單網頻率規劃表（A網）

表5 雙網頻率規劃表（A網/B網）

（2）雙網絡（A網/B網）規劃（表5）。

3.2 系統建設原則

中心層設備主要包括歸屬簽約用戶服務器、核心網設備、IEEE 1588V2時鐘同步服務器、中心匯聚交換機、網間互聯路由器、信號接入路由器、列控業務數據存儲服務器、調度信息服務器以及網管設備等。

表6 車載TAU配置和承載業務表

接入層設備主要包括基站BBU設備、基站RRU設備、天饋系統（含合路器、漏泄同軸電纜和天線）、防雷器等組成。

TD-LTE系統支持具有嚴格服務質量（QoS）保證的數據、語音、圖像、視頻等多媒體業務，支持端到端QoS保證。

終端層設備主要包括手持終端和車載TAU，其中車載TAU配置和承載業務如表6所示。

4 總結及展望

車地無線通信系統是對城市軌道交通的指揮調度、行車組織過程進行記錄的主要手段，是城市軌道交通正常運行中不可或缺的關鍵系統，在突發時間下對監督、調度、指揮、通訊等提供了重要的工作依據。因此，城市軌道交通車地無線通信系統要求具有較高的穩定性和可靠性。

隨著國內城市軌道交通的規劃和發展，車地無線通信系統未來將會向著高帶寬、多功能、智能化的方向發展。因此，充分利用LTE技術高帶寬、低時延、抗干擾的特點，將LTE技術引入城市軌道交通車地無線通信系統，進行數據類和語音類業務綜合承載，提高城市軌道交通運輸的服務質量，提升乘客服務體驗將是車地無線通信系統發展的大勢所趨。目前，在我國新建地鐵項目中，開始逐步引入LTE技術實現車地無線通信。2013年底鄭州1號線、2017年底北京燕房線順利開通，都是我國在車地無線車地通信中應用LTE技術的成功嘗試。