深圳都市圈城際鐵路調度通信系統研究

徐 磊

(深圳鐵路投資建設集團有限公司， 518026， 深圳∥工程師)

1 深圳都市圈城際鐵路網規劃及其特點

1.1 粵港澳大灣區城際鐵路網整體規劃情況

2020年，國家發展和改革委員會批復了發改基礎[2020]1238號《關于粵港澳大灣區城際鐵路建設規劃的批復》。該批復明確提出：“提升粵港澳大灣區(以下簡稱“大灣區”)城際交通供給質量，服務粵港澳大灣區建設，打造軌道上的大灣區;近期(2025年)大灣區鐵路網絡運營及在建里程達到4 700 km，全面覆蓋大灣區中心城市、節點城市和廣州、深圳等重點都市圈；遠期(2035年)，大灣區鐵路網絡運營及在建里程達到5 700 km，覆蓋100%縣級以上城市。”因此，建設都市圈城際鐵路網已成為大灣區新時期軌道交通建設的重點任務。

1.2 深圳都市圈城際鐵路的特點

依據規劃，大灣區城際鐵路網建設需以“公交化運營、一體化管理、一站式服務”為目標，在此基礎上加強對廣東省城際鐵路技術標準體系的總體研究和專題研究。與依據國家鐵路局《城際鐵路設計規范》建設的既有珠江三角洲(以下簡稱“珠三角”)城際鐵路不同，深圳都市圈城際鐵路具有“高峰時段客流量大、經過主要城區且地下站多、客運需求變化大”等特點。為了節約項目投資，提升線路運營的靈活性，貼合公交化運營的目標，深圳都市圈城際鐵路在信號、通信等系統設備的選型方案上無法照搬國家鐵路(以下簡稱“國鐵”)的相關系列標準。

另一方面，基于行車組織的要求，深圳都市圈城際鐵路需實現網絡化過軌運營的功能。為保證各線路間可貫通運營，各線路通信系統的構成、制式與功能需保持一致。與地鐵線網內各線路通信自成系統不同，深圳都市圈城際鐵路通信系統設計要從線網層面出發，整體考慮各線路的配置和功能，以實現全線網一體化運營。此外，深圳都市圈城際鐵路計劃由城市軌道交通企業負責其運營管理業務，因此在調度通信系統的設計上應盡量滿足運營的靈活性和自主性要求。

2 深圳都市圈城際鐵路調度通信系統選型方案分析

調度通信系統作為鐵路通信網中最為重要的專用通信應用系統，為列車行車提供了重要的安全保障。該系統在國鐵和地鐵領域有著不同的系統設計方案。一般來說，調度通信系統可以分為無線調度通信系統和有線調度通信系統兩部分，這兩部分分別負責調度員和列車司機、調度員和車站值班員的語音調度業務。另外，國鐵在無線調度通信系統和有線調度通信系統間開發了系統接口，簡化了調度員和值班員的操作步驟。

2.1 國鐵調度通信系統方案

現有珠三角城際鐵路采用國鐵成熟的GSM-R(鐵路數字移動通信)系統方案。珠三角既有城際線路的基站接入中國鐵路廣州局集團有限公司的GSM-R核心網設備，實現了既有城際鐵路線的無線通信網絡功能(包括列車控制數據傳輸通道和無線調度通信)。GSM-R工作在900 MHz頻段，經過多年在國鐵網的應用，其系統成熟性、方案穩定性和互聯互通性良好，但仍有如下不足：①系統帶寬小，可承載的業務量少；②傳輸速率低，無法提供圖像、視頻等多媒體數據；③技術架構老化，采用基于電路域交換的通信系統，業務支持能力與擴展能力均較差。另外，隨著移動通信技術的快速發展和產業升級，GSM-R將面臨設備維護和技術支持的困境。

為克服上述不足，中國國家鐵路集團有限公司(以下簡稱“國鐵集團”)近年來大力開展對新一代鐵路移動通信系統的研究，并對LTE(長期演進)、5G(第五代移動通信技術)等新技術在鐵路行業的應用及鐵路調度通信業務的實現等方面做了大量的研發和試驗。以5G-R(鐵路5G專用移動通信)系統為例，該技術采用5G寬帶移動通信網絡作為基礎承載網絡，運用了3GPP(第三代合作伙伴計劃)推出的基于關鍵業務通信機制的MCX方案。其中，MCX是MCPTT(關鍵語音)、MCData(關鍵數據)和MCVideo(關鍵視頻)3個業務的統稱。MCX方案基于IMS(互聯網多媒體子系統)架構，綜合了大帶寬、低延遲、易于大規模建網等優點，實現了組管理、位置管理、組通信，以及數據傳輸、視頻通信等功能，適用于執行關鍵業務的場景，可滿足集群通信的業務需求。國鐵集團新一代的鐵路移動通信系統采用業務與承載分離的架構，支持多種通信制式，MCX方案屬于3GPP標準，對GSM-R的兼容性好，互聯互通能力強。

但是，由于深圳都市圈城際鐵路部分線路采用CBTC(基于通信的列車控制)制式的列車控制系統，上述的GSM-R或5G-R系統并不適用于深圳都市圈城際鐵路的相應線路。另外，由于深圳都市圈城際鐵路的運營單位與國鐵不同，從運營自主性的角度，深圳都市圈城際鐵路也需要采用獨立的無線通信系統和調度系統。

2.2 地鐵調度通信系統方案

我國地鐵線路的無線通信系統和調度系統大多采用TETRA(泛歐集群無線電)和LTE-M(城市軌道交通車地綜合通信系統)。TETRA工作在800 MHz頻段，主要用于提供無線語音調度功能，在地鐵、公安等領域有著非常成熟的工程應用經驗。但由于TETRA屬于窄帶通信系統，業務承載能力較低，且TETRA多使用各廠家私有協議，不同線路TETRA的互聯互通能力較差，因此，目前TETRA已逐漸被LTE-M替代。

LTE-M是針對城市軌道交通綜合業務承載需求的TD-LTE(時分-長期演進)系統，在保證CBTC車地信息傳輸的基礎上，可同時承載集群調度、列車運行狀態監測、視頻監控、乘客信息等運營及安全業務。其中，LTE-M系統的集群調度業務主要運用中國通信標準化協會發起的B-TrunC(寬帶集群通信)方案。支持集群調度及數據功能的LTE-M主要基于3GPP R9版本的LTE技術，在保持標準的接口協議棧結構基礎上，對物理層、MAC(介質訪問控制)層、RRC(無線資源控制)層進行了修改，并新增了部分下行邏輯信道和下行傳輸信道。其系統架構圖如圖1所示。

LTE-M是基于分組交換的寬帶通信系統，其數據傳輸帶寬和業務支持能力較窄帶通信系統有了很大的提升。但對于集群調度業務而言，B-TrunC方案在部分集群業務功能中嵌入了系統網元，這在提升網絡支持集群調度業務能力的同時，也降低了業務與承載分離、支持多種通信制式的能力，因此，LTE-M的網絡互聯互通能力相比MCX方案弱。

注：eHSS——演進的歸屬簽約服務器；x-GW——S-GW(服務網關)與P-GW(分組數據網關)的邏輯統稱；eMME——演進的移動性管理實體；TMF——集群媒體功能體；TCF——集群控制功能體；eNodeB——演進的基站節點；BBU——基帶處理單元；RRU——射頻拉遠單元；S6a-T——eHSS與集群核心網之間的參考點；Sn-T——集群核心網和集群核心網之間的參考點；S1-T——集群基站和集群核心網之間的參考點；X2——eNodeB和eNodeB之間的參考點；Uu-T——集群終端和集群基站之間的參考點；SGi——集群核心網和數據業務網之間的參考點；D——集群核心網和調度臺之間的參考點;PIS——乘客信息系統。

2.3 深圳都市圈城際鐵路調度通信系統需求分析

綜上所述，國鐵和地鐵領域的調度通信系統在制式、頻段、結構和功能等方面均有較大的不同。目前，廣東省已開通和在建城際鐵路的通信系統多采用國鐵GSM-R制式，而最新審批通過的城際鐵路的通信系統則部分采用地鐵LTE-M制式。為滿足大灣區城際鐵路一體化管理和跨線運營統一調度的要求，深圳都市圈城際鐵路調度通信系統需具備較強的互聯互通和兼容能力，以保證在LTE-M和GSM-R制式下跨線運營調度通信業務的互聯互通，以及在LTE-M制式下不同線路間調度通信業務的互聯互通。

3 深圳都市圈城際鐵路調度通信系統建議

3.1 建議方案

結合深圳都市圈城際鐵路網絡化的系統需求和自主運營的功能特點，根據工信部無[2015] 65號《工業和信息化部關于重新發布1 785～1 805 MHz頻段無線接入系統頻率使用事宜的通知》的相關要求，深圳都市圈城際鐵路調度通信系統建議方案為：利用1 800 MHz頻段，采用僅支持數據功能的LTE-M作為無線通信承載系統，采用基于關鍵業務通信機制的MCX方案作為調度通信業務系統，并連通有線調度通信系統，以建設有線、無線統一的調度通信系統。其系統架構如圖2所示。

LTE-M+MCX調度通信系統具有如下優點：

1) 無線承載網絡采用頻段為1 800 MHz的僅支持數據功能的LTE-M系統，所有系統接口均采用3GPP標準接口，互聯互通性好；LTE-M為分組交換網絡，業務支持能力高，能夠承載列車控制、PIS等軌道交通專用業務。這些業務在地鐵工程實踐中已有較多的應用。

2) 調度通信系統采用業務與承載相分離的架構。LTE-M僅作為無線承載網絡基礎平臺，提供無線數據傳輸鏈路和服務。此架構有利于跨平臺的業務融合，支持后續無線通信系統的升級和改造。

3) 調度通信系統的核心模塊關鍵業務系統采用3GPP的MCX標準。3GPP是全球移動通信標準組織，MCX標準的接口有著很好的互通性和接口開放性，且MCX標準在制定時已考慮了與GSM-R間的互通需求，能夠很好地與有線調度通信系統及GSM-R實現互聯互通。

注：HSS——歸屬簽約服務器；MME——移動性管理實體；S6a——HSS與MME之間的參考點；S10——LTE核心網MME之間的參考點；S5——LTE核心網S-GW與P-GW之間的參考點；S1——LTE基站和LTE核心網之間的參考點；Uu——數據終端和LTE基站之間的參考點；CCTV——閉路電視。

3.2 MCX關鍵業務調度系統架構

基于本文提出的建議方案，MCX關鍵業務調度系統是深圳都市圈城市鐵路調度通信系統的核心模塊，其系統架構如圖3所示。

1) MCX應用服務器用于關鍵語音、數據、視頻的管理與控制，應包含公共管理、用戶數據庫、MCX業務應用、業務控制點等功能實體。其中：公共管理可實現關鍵業務的配置、群組、身份、密鑰、位置、功能號、遷移等管理功能；用戶數據庫用于存儲關鍵業務、用戶配置文件等數據；MCX業務應用可完成基于語音、數據、視頻調度業務的控制和處理；業務控制點用于基于功能尋址和位置尋址的業務功能管理。

2) SIP核心用于實現信令面SIP消息的注冊、服務選擇和路由功能等。

3) 接口網關用于實現協議轉換、媒體轉換、地址翻譯等功能，并支持與GSM-R、有線調度通信系統的互聯互通。

3.3 與大灣區城際鐵路調度通信系統互聯互通的建議

要實現大灣區城際鐵路一體化管理和互聯互通，大灣區城際鐵路全網的調度統一指揮系統必不可少。深圳都市圈調度通信系統建設方案的選擇，既要兼容既有珠三角城際鐵路無線通信的GSM-R制式和有線通信的程控交換制式，也要滿足國鐵集團正在研發的新一代鐵路調度通信制式。

此外，還需加強對包含大灣區城際鐵路一體化調度指揮中心、廣州都市圈城際鐵路控制中心、深圳都市圈城際鐵路控制中心在內的整個調度指揮網絡構建方案的研究和設計。應結合各中心網絡構建方案，盡快制定大灣區城際鐵路全網的設備、用戶編碼規則和IP(互聯網協議)地址分配原則，并編制不同制式系統間的接口規范和操作原則。

4 結語

都市圈城際鐵路建設已迎來快速發展時期。與既有的珠三角城際鐵路不同，都市圈城際鐵路線間的互聯互通和兼容要求更高、更復雜。為實現都市圈軌道交通“四網融合”的目標，構建一套既能滿足互聯互通又能滿足自主運營需求的調度通信系統，是城際鐵路整體運營和管理的需要。本文提出在深圳都市圈城際鐵路網采用僅支持數據功能的LTE-M無線通信承載網絡+MCX關鍵業務調度通信系統方案，該方案業務與承載分離，既可以滿足現有頻率資源條件下調度通信系統的建設和運營，滿足互聯互通的運營要求，又能支持無線承載網絡的通用性，為未來專用無線通信網絡的升級提供可能。