簡析北京軌道交通無線通信系統建設規劃方案

梁 樑

（北京市基礎設施投資有限公司，北京 100101）

1 概述

2018 年12月，中央經濟工作會議強調要發揮投資關鍵作用，加大制造業技術改造和設備更新，加快 5G 商用步伐，加強人工智能、工業互聯網、物聯網等新型基礎設施建設，加大城際交通、物流、市政基礎設施等投資力度。2020年3月4日，中共中央政治局常務委員會召開會議，強調要加快推進國家規劃已明確的重大工程和基礎設施建設，加快5G網絡、數據中心等新型基礎設施建設進度。

截止2020年底，北京軌道交通運營線路24條，運營里程共計727 km，已呈網絡化運營。軌道交通無線通信系統是影響軌道交通安全運營、指揮調度以及災難救援的重要基礎設施及保障系統，通過前期合理規劃，有效使用無線頻率資源，節約建設資源，便于后期維護，是十分必要的。

2 研究目的

一是滿足乘客出行需求，為面向乘客全出行鏈的智慧乘客服務、列車安防所需車載視頻實時監控、乘客緊急情況下的招援對講提供可靠的技術保障，進一步提升運營安全。

二是推動北京軌道交通基礎設施升級，優化無線通信系統，為各業務系統、各類智慧地鐵應用提供數據傳輸通道，綜合承載涉安及非涉安業務，保證列車運行控制、乘客服務（PIS）、集群調度語音等信息的下發和上傳，并研究運營商5G技術在軌道交通中的業務應用。

3 研究范圍

“十四五”時期北京市軌道交通新建線、在建線、延伸線、既有線改造項目無線通信系統建設規劃方案。

4 需求分析

目前無線通信系統承載業務主要包括：列車運行安全/公共安全相關業務、生產業務、維修類業務和其他業務，具體如表1所示。

表1 業務需求匯總Tab.1 Summary of service requirements

列車運行安全/公共安全相關業務主要包括：列車運行控制業務、集群調度語音業務、乘客招援和對講業務、列車中心廣播業務、政務無線通信業務、公安無線通信業務。

生產業務主要包括：列車緊急文本下發業務、列車運行狀態監測業務、車載視頻監控業務和PIS視頻業務。

維修類業務主要包括：接觸網檢測系統（含軌檢）業務、車輛走行部系統業務、集群調度視頻業務、巡檢業務、物聯網業務。

其他智慧化、增值類業務主要包括：線路設備檢測、AI人工智能和移動辦公業務等。

公安安全相關的公安無線通信業務、政務無線通信業務是北京市政職能部門、公安部門無線通信網絡在地鐵內部的延伸，其系統功能及制式需與地面保持一致，考慮到此部分業務需求與集群調度語音業務類似，后續可進一步研究與軌道交通專網合建為“一張網”的可行性，本文暫不考慮此部分內容；其他智慧化、增值類業務承載需求可根據業務開展模式、帶寬/實時性需求及網絡承載能力進行綜合評估后，再進行規劃設計，目前僅考慮資源預留。

5 現狀分析

北京軌道交通無線通信系統不同時期采用了不同的建設方案。早期線路建立了多張獨立網絡，建設成本、運營耗能較高，維修維護較為復雜。

5.1 既有線情況

目前北京地鐵已開通線路主要包括1號線、2號線、4號線、5號線、6號線、7號線、8號線、9號線、10號線、13號線、14號線、15號線、16號線、大興線、平谷線、房山線、八通線、昌平線、機場線、燕房線、新機場線、S1線和西郊線等23條線路。

既有線無線通信系統業務主要包括CBTC列車監控業務、集群語音調度業務、列車緊急文本下發業務、車載視頻監控業務及PIS視頻業務。無線通信業務承載主要通過信號系統建設的WLAN（2400 ～2483 MHz）、通信系統建設的TETRA（上行：851～866 MHz；下行：806～821 MHz）及乘客信息系統建設的WLAN（2400～2483 MHz）網絡進行承載。

近期開通的燕房線及新機場線通過LTE-M（1785～1805 MHz）來實現業務綜合承載，承載業務還包括列車中心廣播業務、乘客招援和對講業務、列車運行狀態監測業務。

2020年初實施的首都機場線超高速無線通信技術綜合承載研發試驗線工程，建設了基于EUHT-5G技術的“1.8 GHz+5.8 GHz 一網雙頻”無線通信系統，綜合承載列車控制、乘客服務信息、車廂視頻實時監控、車廂廣播、乘客緊急對講、航班信息實時顯示等業務。目前已完成預驗收，并投入運營。

5.2 在建線情況

在建線路主要包括已完成招標的3號線、11號線、12號線、17號線、19號線及尚未招標的13號線擴能提升工程、22號線、28號線。

在建線路無線通信系統承載業務主要包括：列車運行控制業務、集群調度語音業務、乘客招援和對講業務、列車中心廣播業務、列車緊急文本下發業務、列車運行狀態監測業務、車載視頻監控業務、PIS視頻業務、接觸網檢測系統（含軌檢）業務、車輛走行部系統業務、集群調度視頻業務（可選）等。其中3號線、12號線、17號線、19號線采用LTE-M（1785～1805 MHz）綜合承載方案，11號線、13號線擴能提升工程，22號線、28號線計劃采用“1.8 GHz（1785～1805 MHz）安全生產網+高帶寬數據傳輸網”方案進行綜合承載。

5.3 問題分析及對策

5.3.1 問題分析

現存技術制式種類多，如數字集群技術、WLAN技術、LTE-M技術、PDT技術等，系統功能標準、建設規范不統一，備品備件難以共用，維修維護體制多樣。

網絡種類多，既有線各系統單獨組網，如語音調度業務單獨組建800 MHz TETRA數字集群網絡、PIS業務（含CCTV）單獨組建WLAN無線局域網、CBTC單獨組建WLAN無線局域網等。單線無線網絡重復建設，部分在建線雖采用LTE-M組網，綜合承載網各業務系統，但帶寬難以滿足未來業務擴展需求。

既有運營線路無線通信系統實現效果有進一步提升的需求。

5.3.2 對策及建議

目前多條在建線、新建線項目同步實施，需制定統一建設方案及實施計劃。

統一技術制式標準。技術制式選擇在結合目前業務需求的同時，還應關注未來技術發展及需求的演進，減輕后期運營維護壓力。

統籌制定組網方案。以綜合承載方式，搭建北京軌道交通無線通信網，節約建設資源，降低工程造價，滿足未來業務擴展需求。

合理制定實施計劃。針對既有線現狀，結合設備系統、車輛改造周期，制定升級改造計劃。

6 規劃方案建議

6.1 技術分析

如圖1所示，北京軌道交通無線通信系統的發展截至目前經歷了4個階段：2008年以前主要使用窄帶語音2G（TETRA）和單向視頻DVB-T技術，如1、2號線；2008~2017年主要使用窄帶語音2G（TETRA）和雙向WLAN技術，如5號線、 9號線、 10號線、4條郊區線；2017~2019年以燕房線和新機場線為代表的LTE-M綜合承載技術逐步應用；在建的11號線、28號線、13號線、3號線、12號線、17號線、19 號線正在研究承載智慧化應用的高帶寬綜合承載方案。

圖1 無線通信技術演進路線Fig.1 Evolution route of wireless communication technology

考慮到目前北京軌道交通無線通信系統建設現狀，主要對以下技術進行分析。

1) LTE-M

LTE是針對公眾通信開發的第四代移動通信技術，技術成熟并可持續演進，使用1.8 GHz專用頻段，受干擾的概率低，標準完善。中國城市軌道交通協會技術裝備委員會發布了涉及產品、設計、施工及驗收等多方面的城市軌道交通車地綜合通信系統（LTE-M）系列規范。組網靈活，支持1.4/3/5/10/15/20 MHz多種系統帶寬分配，可同時支持物聯網eMTC業務。產業鏈完善，支持LTE的廠家較多，目前國內有十幾家廠商可提供整套的LTE解決方案，可選擇范圍大。移動支持性較好，可支持高速移動。

劣勢是地面可用頻率帶寬相對較少，提供的數據傳輸帶寬有限。根據有關文件，目前北京市城市軌道交通1.8 GHz可用頻率為地上10 MHz、地下20 MHz。

2) EUHT-5G

EUHT-5G技術是我國具有完全自主知識產權的無線通信技術和標準，滿足國際電信聯盟（ITU）IMT-2020（5G）提出的全部5項技術需求。該技術具有設計簡潔、靈活、高效、高可靠、低時延、大容量和高速移動適應性等優勢。系統和設備可工作在U波段（600～800 MHz）、1.8 GHz、3.4 GHz、5～6 GHz。EUHT-5G的超寬帶特性，使其在承載地鐵PIS、視頻業務的同時，還有較大的業務拓展空間，具備更好的可擴展性。

劣勢是缺少設計、施工及驗收等方面的城市軌道交通車地綜合通信系統系列規范。使用5.8 GHz ISM開放頻段，受干擾的概率高。設備獨家供應，工程實際應用不多。集群調度語音業務正處在開發階段。

3) WLAN

WLAN是基于IEEE 802.11標準的無線局域網，允許在局域網絡環境中使用ISM頻段中的2.4 GHz或5 GHz射頻波段進行無線連接，技術成熟。IEEE 802.11 系列標準包括IEEE 802.11a、 IEEE 802.11b、 IEEE 802.11g、IEEE 802.11n、 IEEE 802.11ac以及最新的IEEE 802.11ax（WiFi-6）等，并可持續演進，具有系列行業標準。組網靈活，支持20/40/80/160 MHz多種系統帶寬分配。產業鏈完善，廣泛使用，可選擇范圍大。通過高階的調制技術、多用戶MIMO技術等，提供高速下的大帶寬傳輸。

劣勢是使用5.8 GHz ISM開放頻段，受干擾的概率高。移動支持性略差，需要廠家通過私有協議進行優化處理，對維護要求高。

4) 運營商5G

運營商5G技術是最新一代蜂窩移動通信技術，是4G、3G和2G系統后的延伸，性能目標是高數據速率、減少延遲、節省能源、降低成本、提高系統容量和大規模設備連接；組網靈活，支持5/10/15/20/30/40/80/160 MHz多種系統帶寬分配。通過高階的調制技術、多用戶MIMO技術等，提供高速下的大帶寬傳輸。移動支持性好，需要廠家通過私有協議進行優化處理，對維護要求高。

劣勢是技術尚未完全成熟。Release-15中的5G規范的第一階段是為了適應早期的商業部署。Release-16的第二階段于2020年完成，主要功能體現在面向行業應用和功能增強兩方面，包括建立uRLLC,mMTC & V2X完整能力、面向非授權頻段的5G新空口部署NR-U、uRLLC增強、eMBB增強、提升定位精度，移動性增強等方面。后續Release-17、Release-18版本仍將持續演進。產業鏈有待完善，軌道交通專用設備及應用系統（如集群調度語音業務）有待開發。軌道交通可使用的專用頻率尚未明確，建設尚需依賴電信運營商。

5）在軌道交通中的適應性分析

不同的制式其工作頻段、頻率分配及組網方式、可提供帶寬、技術成熟度、產業鏈及標準完善情況均各有特點。結合這些特點，各技術方案適宜承載的軌道交通業務如圖2所示。

圖2 無線通信技術承載業務對比Fig.2 Comparison of services carried by wireless communication technology

6.2 組網方案建議

從業務承載性能需求及安全性考慮，基于1.8 GHz（1785～1795 MHz）組網的系統目前較為適用。但是在該頻段上，軌道交通地下區域可使用頻率為20 MHz（1785～1805 MHz），地上區域可使用頻率為10 MHz（1785～1805 MHz）。

以頻率效率較高的LTE-M為例，根據3GPP TS 36.306協議標準，LTE-M采用10 MHz組網，2:2時隙配置情況下上行峰值為10.5 Mbit/s，考慮到工程實際應用中，在快速移動場景下列車高速移動帶來的OFDM子載波正交能量損失以及終端所處位置的SINR對LTE-M網絡系統性能的影響，LTE-M系統10 MHz帶寬下，2:2時隙配比的上行業務總帶寬限制在6.5 Mbit/s左右，無法滿足全部業務承載要求。因此，為了較好實現無線通信系統業務承載需求，可使用帶寬較寬的5.8 GHz頻段實現無線通信系統業務安全性要求略低但帶寬要求較高的業務承載需求。

綜合上述技術制式分析及比選情況，考慮到目前運營商5G軌道交通專網設備尚未成熟，且沒有專用頻段，因此在保證軌道交通業務安全性及大帶寬要求的基礎上，制定“1.8 GHz安全生產網+高帶寬數據傳輸網”的雙頻組網方案，如圖3所示。各線路可針對自身特點、建設期技術發展情況、投資分析等因素采用以下建設方式：1）支持5.8 GHz頻段的高帶寬無線傳輸技術；2）租用/共建運營商5G網絡。

圖3 組網方案示意Fig.3 Schematic diagram of networking scheme

6.2.11.8 GHz安全生產網

采用1.8 GHz組建安全生產網，數據保密性好，網絡可靠性高，可保障業務的安全性，自主可控。主要用于承載列車運行控制業務、集群調度語音業務、乘客招援和對講業務及列車中心廣播業務。

1.8 GHz安全生產網可采用LTE-M及EUHT-5G等技術。

6.2.2 高寬帶數據傳輸網

高寬帶數據傳輸網需提供匹配系統要求的連續、高帶寬、低時延車地無線傳輸通道，用于承載除集群調度語音業務、乘客招援和對講業務及列車中心廣播業務外的所有業務。建設方案包括以下3類。

1）支持5.8 GHz頻段的高帶寬無線傳輸技術

可采用的技術包括EUHT-5G和WLAN，如表2所示。

表2 業務分配方式1Fab.2 Wireless communication service allocation table 1

優勢：地鐵自建模式可進行定制化需求設計，完全滿足業務需求；數據保密性好，網絡可靠性高，可保障業務的安全性，自主可控。

劣勢：使用開放頻段，易受干擾，且涉安業務存在安全性風險。

2）租用運營商5G網絡

目前租用運營商5G網絡共有3種模式：一是租用5G通信鏈路，由運營商提供面向公眾的無線資源，通過QoS、切片等手段，實現業務隔離，滿足專網業務網絡速率、時延及可靠性的優先保障需求；二是“UPF+MEP”方案，由運營商提供無線網絡增強覆蓋，通過邊緣計算技術，實現本地業務處理，滿足數據不出場、超低時延等需求，為客戶提供專屬網絡服務；三是提供專用基站及頻率，構建軌道交通專用無線網絡，提供高安全性、高隔離度的定制化通信網絡服務，如表3所示。

表3 業務分配方式2Fab.3 Wireless communication service allocation table 2

優勢：采用1.8 GHz網絡自建用于承載列車運行相關的涉安業務，從根本上保證軌道交通運營安全，節約建設期資金投入，尤其是既有線改造項目可直接利用運營商網絡。

劣勢：需要與運營商洽談新的商業合作模式；目前運營商5G技術尚無專網終端產品，國家暫未分配軌道交通專用頻段；運營商網絡主要面對乘客服務，覆蓋范圍、可靠性較專網低；地鐵隧道環境下的天饋方案難以發揮運營商5G技術帶寬優勢；故障后維修維護不如專網及時，恢復周期長；存在信息安全保護問題；系統承載涉安業務需進行相關安全評估；租用成本與建設成本對比，需作進一步經濟分析。

6.3 實施方案建議

6.3.1 新建線

新建線根據開通時間可選擇采用“1.8 GHz+5.8 GHz”雙頻組網、全自建方案為主，可將“1.8 GHz自建+租用運營商5G網絡”方案作為備選方案。

6.3.2 改造線

對于其他既有運營線路，為節約建設資金、提高改造效率，避免重復投資、重復建設，升級改造方案應充分考慮信號、通信、PIS、車輛等業務系統改造周期、線路故障率情況、改造計劃、年度資金計劃、大/架修周期統籌制定，以進一步節約改造成本、縮短改造周期。同時，既有線改造方案應較設備更新改造周期適度提前開展，做好新舊設備銜接，避免影響正常運營。

7 結語

無線通信系統建設應同步考慮網絡安全防護和評估等方面的專題研究，滿足安全運營要求。在選用新技術的同時嚴格新技術的檢測、驗證工作，并且持續關注運營商5G技術及產業發展情況，研究探索新型商業模式、核心網規劃、運營商5G切片技術使用方案等，為后期應用打下基礎。