山地軌道交通新型無線通信系統方案研究

陳昳，虞凱，熊潔，段永奇

隨著我國旅游文化的不斷推廣、旅游產業的不斷壯大，山地旅游以前所未有的速度快速增長。而交通是山地旅游發展面臨的首要問題，山地旅游交通資源匱乏、公共交通方式單一的問題日益突出。傳統的道路交通已經不能適應現代山地旅游產業的發展需要，在當今形勢下發展低污染、低能耗、低排放、多種制式、經濟適用的軌道交通刻不容緩。與常規山地道路交通相比較，山地軌道交通具有造價低、安全、環保、運營成本低、施工周期短、適應山地極大坡道、美觀、舒適度高等優點，逐漸成為近年山地旅游交通項目的重要選擇［1-3］。

無線通信系統是軌道交通中進行列車運行控制、運營調度指揮和生產作業管理的一個重要子系統，為列車與地面之間的語音、數據、圖像等信息傳輸提供必要的通信手段。鐵路、地鐵等大運量軌道交通，由于其線網結構復雜、運營管理全面、客流量大等特點，采用的無線通信系統通常功能全面、結構龐雜，或者采用多個無線通信系統。例如，高速鐵路采用功能和結構極其復雜的GSM-R系統；地鐵則采用多個獨立的無線通信系統分別解決調度語音、列控信息、乘客信息系統圖像和視頻等傳輸問題。隨著第四代移動通信系統的發展，LTE技術開始普遍應用于新建的地鐵項目中。目前在建的地鐵項目中，普遍采用2套互為獨立的LTE系統承載列控信息的傳輸［4］。

山地軌道交通在客流方面屬于中低運量軌道交通；線網結構相對簡單，通常只有1條或幾條線路；對列車運營要求不如鐵路和地鐵那么高，運營模式簡單；整體造價較低。綜合以上因素，山地軌道交通的無線通信系統沒必要像鐵路和地鐵等大運量軌道交通那樣繁雜，對無線通信的需求沒有那么嚴苛。因此，在無線通信系統的設計上，應考慮資源整合，降低造價等因素，在保證安全的前提下，更多地考慮其經濟適用性。

本文針對山地軌道交通的特點，研究提出了“單網LTE+單網DMR”的新型無線通信系統方案，并通過業務負荷分擔等技術，滿足無線通信系統承載列控、調度通信等業務時對安全性和可靠性的要求，同時降低工程造價，節省工程投資。

1 山地軌道交通發展現狀

山地旅游景區通常處于山脈相連、高低起伏、大坡道的崇山峻嶺中，這對軌道交通的爬坡能力提出了特殊的要求。齒軌交通因其具有可適應480‰坡度的超大爬坡能力，成為山地軌道交通的首選。

齒軌交通是集傳統鋼輪鋼軌粘著驅動方式和齒輪齒條的大坡道驅動方式于一體的交通工具。在常規坡道路段，僅利用傳統鋼輪鋼軌間的粘著牽引列車前行；在超大坡道路段，軌道上鋪設的齒條與車輛自帶的齒輪機構嚙合實現牽引，傳統鋼輪鋼軌僅用于列車承載和導向，以實現列車的大坡道前行［5］。

齒軌交通并不是新興軌道交通產業，誕生于100多年前的瑞士，截至目前，瑞士、奧地利、法國、德國、日本等國已建成齒軌線路約180條，總里程超過3 000 km［6］。國外齒軌交通示例見圖1。

圖1 國外齒軌交通示例

齒軌交通在我國還處于起步階段，目前尚未有一條商業運營線。我國自2015年起啟動齒軌交通相關研究，四川、浙江、陜西等正在規劃建設以齒軌為主的山地軌道交通項目方案，并在四川四姑娘山、玉龍拉錯、彭州、光霧山、浙江越龍山等地開展山地齒軌旅游交通線路規劃研究和工程設計研究。

2 山地軌道交通運營特點

山地軌道交通有別于鐵路、地鐵等項目，定位為“旅游觀光”線路，其特點如下。

1）山地軌道交通屬于中低運量軌道交通，客流量低。

2）山地軌道交通主要解決旅游觀光，與鐵路和地鐵主要解決旅客交通出行的功能定位不同，因此山地軌道交通的發車間隔時間長、密度小。

3）列車運行速度慢，齒軌路段車速不超過20 km/h，對于“齒軌+輪軌”結合的山地軌道交通，輪軌車速一般不超過120 km/h。

基于以上特點，山地軌道交通對運營的要求略低于鐵路、地鐵等大運量軌道交通，甚至可容忍列車的晚點和停車等突發狀況。

3 山地軌道交通車地無線通信業務分析

3.1 車地無線通信業務

軌道交通采用無線通信實現列車與地面設備之間信息的無線傳輸。根據軌道交通業務的特點以及與行車安全的相關性，車地無線通信業務可分為安全數據、非安全數據、語音、圖像/視頻等四大類：①安全數據是指影響行車安全的信息，如基于無線通信的列控信息；②非安全數據是指除安全數據以外的文本類數據，例如調度命令和車次號、列車緊急文本和運行狀態等信息；③語音信息，如調度、客運、維護、公安、搶修、救援等無線語音信息；④圖像和視頻等大帶寬數據，包括多媒體調度、車載PIS和CCTV等。

3.2 業務需求分析

根據山地軌道交通運營特點和需求，車地無線通信業務可進行優化。

1）根據技術發展需求，信號系統普遍采用基于無線通信的列控系統，例如目前正在開展設計的四川四姑娘山、彭州等山地軌道交通項目都采用了基于無線通信的列控系統。

2）調度命令、車次號等與列車調度相關的文本類數據，以及調度、客運、維護、搶修、救援等語音通信是保證列車的行車安全和運營需求的重要通信內容，是山地軌道交通無線通信系統設計時必須考慮的承載業務。

3）列車緊急文本、列車運行狀態、乘客文本信息、車載PIS和車載視頻等業務，可以提高軌道交通的運營管理水平，但并不是必需的業務，在無線通信帶寬資源充足的情況可考慮采用。

山地軌道交通具體業務內容、帶寬需求及必要性見表1。

表1 山地軌道交通車地無線通信業務

4 山地軌道交通新型無線通信系統技術體制研究

4.1 無線通信技術比選

目前，軌道交通主要采用的無線通信技術包括GSM-R、TETRA、WLAN、LTE和DMR。

GSM-R是專門為鐵路通信設計的綜合專用數字移動通信系統。我國鐵路GSM-R系統是一個功能完善、系統龐雜的移動通信網，實現鐵路列車無線調度、站場調車通信、區間移動通信等語音功能，以及列控信息、車次號、調度命令等數據無線傳輸，擁有專屬頻段。由于GSM-R具有鐵路專屬性，其他軌道交通無法采用該技術。

TETRA是基于數字時分復用（TDMA）的無線通信技術。我國地鐵、輕軌等城市軌道交通普遍采用該技術實現調度語音通信。

WLAN是一種被廣泛應用和部署的無線寬帶接入技術，工作在2.4 GHz或5 GHz公共頻段，無需進行頻率申請。目前我國城市軌道交通普遍采用WLAN承載CBTC、PIS和CCTV等系統業務，但存在安全性差、切換頻繁、移動場景帶寬低、干擾源多等問題。

LTE是第四代無線通信技術，采用正交頻分復用、多輸入多輸出、自適應調制編碼，以及混合自動重傳等技術，可實現圖像、視頻等大帶寬數據的無線傳輸。我國已明確1 785 M～1 805 MHz頻段可用于交通、電力等行業的LTE專網。目前，軌道交通行業逐漸采用LTE技術滿足車地無線通信傳輸需求。

DMR是歐洲電信標準協會（ESTI）為專業移動無線通信用戶制定的數字無線通信技術，用以替代模擬無線對講技術，近年來逐漸應用于各行各業的專網無線通信領域［7］。例如，公安PDT系統、鐵路編組站平面調車系統、鐵路客站無線通信系統等都采用DMR技術解決調度語音和短數據通信。因其具有適用于語音通信、造價低廉等優勢，DMR逐漸用于構建經濟適用型無線通信專網系統。

無線通信系統技術特點對比見表2。

表2 無線通信系統技術特點對比

4.2 新型無線通信系統技術體制

無線通信系統技術體制的選擇應首先考慮保證列車的安全運營。列車控制和調度是首要因素，因此，列車控制、調度語音通信、調度命令和車次號傳輸是無線通信系統需優先保證的業務。基于現有的技術發展水平和行業政策，山地軌道交通無線通信系統推薦采用LTE寬帶無線通信技術。

鐵路和地鐵等大運量軌道交通，對列車的準點率、故障率等要求非常高，不允許出現非正常停車等事故。為此，鐵路和地鐵等城市軌道交通無線通信系統通常采用同一無線通信網絡冗余組網的方式，確保列控數據傳輸的可靠性。例如，高鐵采用GSM-R交織組網的方式承載C3級列控信息［8］；地鐵等城市軌道交通則采用2套獨立的LTE無線通信網絡承載CBTC信息［9］。無論是同站址雙網還是交織組網，都是通過增加基站數量來達到冗余組網的目的，從而保證系統的可靠性，但也會帶來無線通信系統的投資成倍增加等問題。

鑒于山地軌道交通對運營需求沒有鐵路、地鐵那么嚴苛，考慮經濟適用性，本文提出山地軌道交通新型無線通信系統，即“單網LTE+單網DMR”寬窄帶融合的無線通信技術方案：采用LTE寬帶無線通信系統實現山地軌道交通無線業務的綜合承載；當LTE系統故障時，DMR窄帶無線通信系統作為補充，可承載調度通信語音和調度命令、車次號等部分數據。

5 基于寬窄帶融合的新型無線通信系統技術方案

5.1 業務承載方案

“LTE+DMR”寬窄帶融合無線通信系統的業務承載方案如下。

1）LTE為主用網絡，用于綜合承載列控信息、調度語音通信、調度命令和車次號等信息，在帶寬充足的情況下，還可承載車載PIS和視頻等業務。

2）DMR為備用補充網絡，通常用于承載除調度以外的客運、維護、公安、搶修、救援等其他語音通信業務。

3）DMR同時作為LTE備用系統。當LTE系統故障時，DMR承載調度語音通信和調度命令、車次號等非安全數據；同時由于無線通信系統無法承載列控信息，信號系統降級為站間閉塞模式，司機通過信號指示燈目視行車，并通過DMR系統保持與調度室的無線通信。

4）通過寬窄帶融合技術實現LTE和DMR的融合通信，滿足語音和短數據的互通。

LTE和DMR承載業務見表3。

表3 LTE和DMR承載業務

5.2 系統架構

山地軌道交通新型無線通信系統由單網LTE和單網DMR組成，并通過寬窄帶融合服務器實現LTE與DMR的互聯。以四姑娘山山地軌道交通項目為例，其系統架構見圖2。

圖2 山地軌道交通新型無線通信系統架構

山地軌道交通新型無線通信系統由中心設備、LTE無線通信網絡、DMR無線通信網絡和終端組成。

1）中心設備設置于線路控制中心或調度大樓，由LTE核心網、DMR中心服務器、寬窄帶融合服務器、調度服務器、存儲設備、接口服務器、網管等設備組成：①LTE核心網由移動管理實體（MME）、歸屬簽約用戶服務器（HSS）、服務網關（S-GW）、分組數據網網關（P-GW）等網元組成；②DMR中心服務器負責管理DMR無線通信網絡；③寬窄帶融合服務器負責實現LTE和DMR無線通信系統的互聯，實現語音和短數據的互通；④調度服務器實現全線無線調度通信功能；⑤接口服務器實現與列控系統、PIS系統等外部系統的互聯。

2）線路沿線、車輛基地及站房布設無線通信網絡，包括LTE無線接入網和DMR基站設備。①LTE無線接入網由LTE基站（eNodeB）組成，eNodeB采用分布式基帶處理單元（BBU）+射頻拉遠單元（RRU）的方式，BBU與RRU通過光纜連接。RRU采用室外型設備，在開闊區間，將其安裝于鐵塔或電桿底部，按1～3 km間距設置，采用天線方式覆蓋；在隧道區段，將其安裝于隧道內，按1.5 km間距設置，采用漏纜方式覆蓋；車輛基地及站房等通過時分系統實現室內全覆蓋。采用1 785 M～1 805 MHz頻段，根據小區容量規劃和邊緣容量規劃，建議向無線電委員會申請10 MHz以上帶寬。②DMR無線通信網絡主要由DMR基站組成，沿線車站和車輛基地布設DMR基站，開闊區間采用光纖直放站結合天線進行覆蓋，按5～8 km間距設置；隧道區段采用光纖直放站結合漏纜進行覆蓋，按3 km間距設置。DMR站址考慮與LTE站址合設。根據容量測算及項目具體情況，可向無線電委員會申請403 M～423.5 MHz頻率范圍內6對以上頻率，每個頻率占用帶寬12.5 kHz。

3）終端由調度臺、車載終端、手持終端等組成：①調度臺采用LTE和DMR融合調度臺，實現對整個系統的統一調度；②車載終端采用LTE和DMR多模車載終端，可同時接入LTE和DMR無線通信網絡；③手持終端包括LTE寬屏終端和DMR終端，也可采用LTE和DMR多模手持終端。

5.3 系統特點

采用基于寬窄帶融合的新型無線通信系統，與傳統雙網LTE方案相比，其優勢如下。

1）投資低。DMR的投資遠低于LTE，采用“單網LTE+單網DMR”方案后，可大幅降低系統造價，以及功耗、維護等運營費用。

2）綜合業務承載能力增強。由于LTE可申請的帶寬資源有限，采用雙網冗余組網后，其承載業務的能力變弱。以10 MHz帶寬為例，如果采用雙網模式，則每個網絡可供使用的資源只有5 MHz，僅能承載列控、調度語音及部分短數據業務；如果采用單網LTE方案，則單個LTE網絡可使用10 MHz帶寬資源，可進一步承載PIS、視頻等大帶寬業務，承載業務能力得到較大提升［10］。

6 總結

本文結合山地軌道交通的運營特點及其對無線通信的需求，通過對現有無線通信技術體制的比選，提出了“單網LTE+單網DMR”的山地軌道交通新型無線通信系統方案，實現列控、調度語音、調度命令和車次號、車載PIS和車載視頻等業務的綜合無線承載，同時通過寬窄帶雙網方式滿足山地軌道交通承載列控、調度通信等業務對安全性和可靠性的要求。相比于傳統的雙網LTE方案，該方案既可降低工程造價，又可提升LTE綜合業務承載能力，適用于山地齒軌等中低運量軌道交通。下一步將結合具體工程項目的實施，研究寬窄帶不同網絡制式之間的融合通信技術。