轨道交通通信业务及承载方案分析

轨道交通通信业务及承载方案分析

钟瑶

成都地铁运营有限公司成都610000

摘要：轨道交通在城市中使用已久，伴随着技术水平的不断提升和科学技术的快速发展，城市化进程不断深化。对轨道交通创新的需求也在增长。我国城市轨道交通的通信发展在当下面临非常大的发展机会，城市轨道交通技术将成为中国建设中最为基础的工程。

关键词：CBTC；LTE；Tetra；车地无线通信；

一、城市轨道交通车地之间的业务

1.1列车控制类业务

信号系统技术不断发展的过程中，形成了借助无线通信实现的CBTC(基于通信的列车运行控制)，它基于连续式通信，在高密度、小间隔连续控制下，可以实现自动行车、精确停车、自动发车、自动折返以及进路的自动排列，并最大可能地预留行车调整空间。每一辆在线的列车车载设备向地面设备报告自身的运行状态，例如当前编号、位置、速度、上下行等信息，地面设备与正在运营中的全部车辆进行通信，向列车发送进路信息和控制命令，每一辆正线行驶的列车都可以实时的判断前方状态，通过逐级增加牵引力以及恒定的一次制动等方式，减少运行冲击率，平滑舒适的调整自身动作。列车控制类业务对数据的连续性要求极高，要满足端到端的传输时延小于150ms，任意位置数据连续通信中断时间小于2秒，否则会引起系统降级，降级的表现是:列车紧急制动，由信号系统点式通信及联锁级控制。此时信号系统本身任然正常工作，行车的安全仍然得到充分保障，但是行车舒适度变差，行车间隔变大，降低运营效率。列控类业务对于通信系统的主要要求是保证稳定性。

1.2调度业务

轨道交通运营工作当中，很多工作人员处在移动状态中，最典型的例如列车司机，还包括防灾人员、维修人员等，为这些移动用户建立可靠的语音通信和数据通信，称为专用无线系统或数字集群系统。该系统的特点是具备灵活的呼叫、分组功能。例如调度员使用调度台与列车司机的车载台进行无线通话，下发行车指令，调度员可以灵活的选择通话对象为某一列车的单呼，或者多列车的组呼。该系统还具备良好故障弱化能力，例如当系统结构瘫痪时可以进入单站集群模式，保证单独基站覆盖范围内无线通信可用，当基站设备出现问题，无线终端之间可以使用直通模式进行通话。语音业务对通信系统的主要要求是实时性。

1.3其他多媒体信息

包括PIS、CCTV以及列车运行状态监测等。

PIS系统即乘客信息系统，需将播控中心下发的播放节目，如紧急文本信息、行车信息、新闻广播、旅行指南、换乘信息、在线广告等便民信息在车载PIS显示屏上实时显示。PIS的数据传输由地面将视频或图像信息通过广播或者组播传输到车厢内播放，因此所有的数据传输都是下行传输。每路图像带宽需求为下行6～8Mbps。紧急文本为下行信息，带宽需求为不低于100kbps。

列车运行状态监测系统通过传感器采集电流、电压、轴温、车下转向架、车辆一/二系悬挂系统、发动机、制动器等设备的关键参数，并将数据传送到控制中心和车辆段，车辆管理维护人员通过对数据进行集中处理和分析，实现对列车运行状态的实时监测和远程故障诊断功能。

二、可承载车地业务的无线技术

2.1TD-LTE

可以综合承载CBTC，无线语音，PIS，CCTV等业务。

LTE即Timepision-LongTermEvolution(时分长期演进)，是第四代移动通信技术与标准。TDD双工方式具有可以利用信道的对称特性提高传输效率、不需要复杂笨重的频率双工器、可以灵活地分配上下行信道的无线资源、不需要对称频带，适应上下行非对称的数据传输。

中国轨道交通协会联合国内业界编订了LTE-M规范，它是针对轨道交通安全运营综合业务需求定制的基于LTE的专用标准，全网配置完全冗余，能够确保单点故障下信号系统安全。地铁标准的LTE-M使用专有频带，频率使用需要向无线电管理部门申报，它受到干扰的可能性更低。

LTE在设计上已考虑了高速移动场景，LTE信源设备为电信级基站设备，适应轨道交通区间链状覆盖，一般配置分布式基站设备，在车站设备房配置BBU，在区间弱场区间隔一千米左右配置RRU，使用漏缆覆盖，与车载天线抵近通信。通过自动频率控制改善无线链路的稳定性，提升高速场景下的传输稳定性，能够满足每小时200公里高速移动场景下列车车地通信传输要求。即在同等速度下，相较于其他系统可以提供更好的稳定性。

LTE可以承载CBTC、无线集群调度、各类多媒体业务，但不具备单站集群功能。LTE提供9级QoS保障机制，LTE-M针对轨道交通业务进行了定制化优先级匹配，对低优先级业务进行了需求带宽控制。在同时传输CBTC、列车状态监测、车载视频监控信息和乘客信息时，当出现意外状况，例如设备设施发生单体故障或性能下降，能自动调集系统资源确保高优先级业务正常进行。

2.2WLAN

可以分别承载CBTC、PIS、CCTV等业务，不能承载集群调度。

无线局域网(WLAN)，其技术标准包括802.11ac等五个物理层标准。根据《国无办频[1997]11号号》规定，2400～2483.5MHz频段扩频通信发射机(AP)输出功率应≤100mW，这限制了WLAN覆盖距离，使得WLAN设备必须两百米左右就布置一个，当WLAN的ap按照200米间距布置时，单信道平均传输速率能够达到20Mbps，峰值速率可以达到80Mbps;但是802.11的上下行采用的是CSMA/CA机制，上下行竞争使用信道资源，当附近用户增多时，碰撞几率增加，吞吐量降低很快。

协议特性决定WLAN更加偏向民用的灵活布置，而不进行业务综合承载，地铁行业传统解决方案是，建立多个相互独立的WLAN，即为信号CBTC建立一套主备冗余的网络，然后再为PIS等业务建立一个网络，相当于WLAN×(2+1)。WLAN的频率资源无需向无线电管理部门申报，优点是部署起来非常方便，缺点是大量的随机干扰，在地下线路干扰源有限，可以较高带宽正常传递车地数据，但是地面与高架区段，沿线的民用wifi数量与线路所在区域的繁华程度成正比，线路附近的民用wifi都会成为干扰源。

2.3tetra

独立的数字集群通信系统，可在同一技术平台上提供指挥调度、数据传输和电话服务，即前文提到的语音通话业务。该系统可以传数据，单用户数据速率仅7.2kb/s(每时隙)。采用TDMA多址方式，是一典型的2G通信系统，有完善的语音集群通信方案。系统具有兼容性、开放性好、频谱利用率高和保密功能强等优点，其不依赖于核心网的单站集群技术，为极端情况下的应急通信提供了保障。

数字集群系统在控制中心设置集群中心交换控制设备;在沿线各车站、车辆段设置TETRA集群基站设备，各基站通过传输系统提供的IP通道与控制中心的集群交换控制设备相连;在控制中心灵活的设置行车调度、环控(防灾)调度、信息调度等调度台;在车辆段信号值班员和运转值班员处设远端调度台;沿线移动作业人员配备便携台;列车安装车载台;车站值班员处设车站固定电台;构成一个以行车调度功能为主的多个子系统并存的专用无线通信系统。该系统能够提供迅速、稳定的语音接入以满足调度与移动目标尤其是列车司机的通信。

三、结束语

综上所述，使用地铁标准建设的轨道交通线路，正线为地下区间，则有多种选择，如WLAN+LTE+Tetra的网络方案，以及WLAN+Tetra或LTE+Tetra。当线路以地面及高架为主的情况下，需要避免干扰保证系统稳定性，满足多业务需求并保证重要业务通信质量，适宜使用LTE+Tetra方案，其中Tetra提供语音调度，LTE综合承载其他业务，并为CBTC业务提供冗余的网络以保证稳定性。

随着我们伟大国家对于轨道交通事业的不断推动以及通信技术自身的迅猛发展，相信不久的将来，必将有更先进的技术，更加完善的方案，来实现轨道交通车地无线所有业务的综合承载。

参考文献

[1]王映民.TDD_LTE技术原理与系统设计[M].北京:人民邮电出版社，2010.

[2]张斌.城市轨道交通乘客信息系统只能移动平台设计应用研究[J/OL].城市轨道交通研究，2014(3):63