市域铁路多网融合解决方案

市域铁路多网融合解决方案

刘 魁

(中铁第四勘察设计院集团有限公司， 武汉 430063)

摘 要: 市域铁路各无线传输系统独立建设，分别运营维护，增加了前期建设投资和后期运维成本。通过分析市域铁路各业务承载需求，比选当前主流无线通信技术，提出基于TD-LTE技术的综合承载信号CBTC(基于通信的列车自动控制)系统、PIS(乘客信息系统)、无线语音调度系统、列车状态监测系统和AFC(自动售检票)系统手持终端在线传输等业务的多网融合解决方案，并介绍在工程实际中TD-LTE频率资源的选择和网络架构的搭建，为后续市域铁路车地无线通信系统的建设提供参考和借鉴。

关键词: 市域铁路； 承载需求； 主流无线通信技术； 多网融合； TD-LTE

市域铁路是站间距、速度目标值等参数介于国家干线铁路和城市轨道交通两者之间的一种新型交通制式，在市域范围内为市民提供中短距离的快速出行服务。市域铁路一般具有如下三个特点：线路长，通常介于50～80 km之间；站间距大，一般在3～5 km之间；速度目标值高，设计时速120～160 km/h。市域铁路连接城市核心区与外围组团，发展空间较大，对新型城镇化发展带动较强，是最契合新型城镇化发展的轨道交通方式，比较典型的案例有浙江省城际圈内的台州、温州市域铁路,金义东城际铁路等。

车地无线通信系统是市域铁路车地之间语音、数据等交互信息的载体，承担着传输列车运行监控、运营调度、列车控制等众多业务功能，对于保障列车运营安全、提高运输效率、提升现代化管理水平有着重要的作用。

1 国内现状

车地无线通信作为市域铁路保障安全运营的重要手段，承载了包括但不限于如下系统的车地无线通信业务[1]：基于通信的列车运行控制(CBTC)系统，完成对车辆安全行驶的控制功能；专用无线语音调度通信，实现司机之间和司机与地面各级运营管理人员之间的语音通信；列车运行状态监测系统，用于监测车辆运行期间关键设备系统的运转情况；车辆视频监视系统(CCTV)，用于车内视频图像的实时上传；乘客信息系统(PIS)，用于运营服务信息发布和紧急信息发布；PCA(便携式验检票机)在线信息传送，实现AFC(自动售检票)手持终端设备数据的实时传输，完成该设备的在线式交易。

伴随着无线通信技术的发展，多种无线通信技术被引入城市轨道交通行业。目前在各个城市的地铁建设中广泛采用TETRA(泛欧集群无线电)承载语音调度通信、WLAN(无线局域网)承载车地之间的数据通信。TETRA系统技术成熟、应用广泛，但目前该设备主流厂家只有MOTOROLA和AIRBUS(原EADS)两家，而且都是国外厂家，系统造价较高，在售后服务、知识产权壁垒,特别是互联互通等方面仍存在一定的问题。就宽带数据通信而言，由于市域铁路设计时速较高(通常不小于120 km/h)，WLAN技术无法解决高速移动带来的频偏问题，无法满足高速移动下的宽带接入，亟须寻求一种新的技术解决高速移动情况下的宽带接入问题。

另一方面，各个系统车地无线网络分别独立建设且越来越复杂，无线通信投资也越来越多，不利于实现各系统的资源共享和建设成本控制，而且各系统单独建网均设置了大量的区间设备，增加了区间设备安装的协调工作量，同时大大提高了后期运营维护的成本。探讨市域铁路无线通信综合承载方案，能在物理上、逻辑上最大限度地降低系统的重复建设，对提高系统可靠性、降低工程投资和后期运维成本具有极其重要的意义。从资源共享角度考虑，多网融合是未来市域铁路乃至城市轨道交通无线承载网的发展趋势。

2 业务需求

市域铁路无线通信承载的业务主要有信号CBTC系统、车载CCTV系统、PIS、专用无线语音调度系统、列车运行状态监测系统、PCA在线信息传送等。以下按无线小区大小为1.2 km(RRU(远端射频模块)的覆盖距离)，每个小区内最多按4列车来进行各业务的带宽分析计算。

2.1 CBTC系统需求

信号CBTC系统的主要作用为列车间距及速度防护、列车自动运行与调度，是城市轨道交通自动化系统中的关键部分[2]，也是保证列车和乘客安全，实现列车高效运行、指挥管理有序的自动控制系统。CBTC系统车地传输的数据主要为列车位置、运行控制、移动授权等信息。该业务应用层要求低速准实时数据能够可靠传输，控制层要求逻辑通道具备最高优先级，通道层要求信道独立、可靠性高而且主备冗余，因而一般要求建设双网并进行冗余覆盖。根据中国城市轨道交通协会【2015】008号文[3]，信号CBTC系统需占用上下行各512 Kb/s的带宽。

2.2 CCTV系统需求

车载CCTV系统用于对列车内的视频进行监视，并为应急调度指挥提供实时的车内动态图像信息。CCTV列车监控业务一般要求可同时上传2路或4路视频，每路视频传输速率为1～2 Mb/s。本次分析按目前城市轨道交通中主流的上传2路D1格式要求，上行带宽需求为2×2 Mb/s=4 Mb/s，下行视频控制命令所需带宽按100 Kb/s考虑。

2.3 PIS需求

PIS用于列车车厢内的资讯发布、乘客指引信息的视频展播。PIS车地传输数据主要为视频信息。PIS图像采用标清图像质量，每列车业务信息承载带宽为下行2 Mb/s。在正常情况下，无线小区内有两列车，PIS图像下发播放的带宽需求为2×2 Mb/s=4 Mb/s(下行信息)。在有条件时，采用高清(1 080 p)图像质量预设业务信道带宽，则每路图像带宽需求为下行4～6 Mb/s。紧急文本为下行信息，带宽需求为10 Kb/s。考虑补包所需占用的带宽，PIS所需下行传输带宽需求按6 Mb/s考虑。

2.4 专用无线通信系统需求

专用无线通信系统是为控制中心调度员、车辆段/停车场调度员、车站值班员等固定用户与列车司机、防灾、维修等移动用户之间提供迅速、有效的通信手段，是提高运输效率、确保行车安全及应对突发事件的必要保障。专用无线语音调度带宽要求按照一个小区并发10路无线通话考虑，包括选呼、组呼、全呼和紧急呼叫任何一种呼叫形式，每路呼叫带宽需要32 Kb/s，10路并发需要320 Kb/s。视频呼叫的速率按照384 Kb/s考虑，并按2路视频呼叫预留，语音业务带宽需求约为1 Mb/s。

2.5 列车运行状态监测系统需求

车辆状态信息上传系统主要将列车运行状态监测信息实时或准实时上传，为列车的检修计划制定以及故障的发现和处理提供数据支撑。列车运行状态监测系统为单向传输，即只有列车到地面的上行传输，而没有地面到列车的下行传输。列车运行状态监测系统的采集量有1 500个开关量，每个1 bit；500个模拟量，每个2 bit。这样一次采集的信息量为9.5 Kbits，采集周期为300 ms一次，按每秒4次计算，传输速率为38 Kb/s。考虑一定的信息传输余量，共需要传输的速率为100 Kb/s。

2.6 PCA在线信息传送需求

PCA在线信息传送主要实现AFC手持终端设备数据的实时传输，完成该设备的在线式交易，可在应对突发及大客流事件时保证乘客快速进出车站。PCA无线通信的业务需求包括下载参数数据、下载黑名单数据、上传交易数据(如有)、下载更新软件等。PCA的交易记录一次可传输1 000条，每条1 Kbit；这样一次传输的信息量约为1 Mbit，1 s内传输完成，传输带宽按上下行各1 Mb/s考虑。

市域铁路车地无线通信业务需求总结见表1[4]。按照一个RRU范围内4列车计算，考虑一定的发展预留，建议上行带宽不小于12 Mb/s，下行带宽不小于15 Mb/s。

表1 各业务无线承载需求

Tab.1 Analysis on the demand of each traffic load

序号承载业务上行下行越区切换时延传输时延覆盖区间优先级[56]1CBTC系统每列车512Kb/s每列车512Kb/s小于150ms小于150ms正线、出入段/场线、段/场咽喉区、段/场车库内、试车线12语音调度系统1Mb/s1Mb/s小于100ms小于100ms正线、段场、段/场停车列检库内23列车运行状态监测100Kb/s小于150ms小于150ms正线、段/场、段/场停车列检库内24CCTV监控图像回传正线车辆基地4Mb/s4Mb/s10Kb/s正线、段/场、段场停车列检库内45PIS视频(含紧急文本)6Mb/s正线、段/场、段场停车列检库内46PCA1Mb/s1Mb/s不大于500ms 车站内4合计8.4Mb/s14Mb/s

3 无线通信技术选择

目前可采用的移动宽带无线技术主要有WLAN、McWiLL(multi-carrier wireless information local loop，多载波无线信息本地环)、DVB-T(地面数字电视广播)和TD-LTE等。在城市轨道交通中车地宽带通信应用较多的技术是WLAN和McWiLL，还有部分采用DVB-T技术，如武汉、长沙、南昌、重庆等城市。车地语音通信广泛采用TETRA技术，但TETRA属于窄带通信技术，而且无后续演进方案，无法满足轨道交通宽带数据业务的承载需求。

3.1 WLAN技术

WLAN是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，具有使用方便、造价低、传输速率高等特点。但其也有一定的局限性，主要表现在以下几个方面[4]：

1) 运行速度限制。无线局域网不是为高速移动设计的。目前的仿真和研究表明，如果速度超过120 km/h，就会导致误码率急剧增加，不能满足如市域铁路(设计时速120～160 km/h)等时速较高线路的车地宽带数据通信需求。

2) 覆盖距离短、链路设计复杂。目前CBTC、PIS和CCTV系统的无线通信工作在ISM(industrial scientific medical，工业、科学和医用)频段。国家无线电管理局规定该频段最大发射功率100 MW，这使得系统需要在线路沿线部署大量的AP及附属设备，系统建设和后期维护的工程量大大增加。另外，列车在运行过程中频繁在AP间切换，降低了通信服务水平。

3) 无线干扰严重。无线局域网工作在开放频段，很多民用设备也工作在这一开放频段，如：便携式WIFI设备、蓝牙、微波炉等，它们可能会对城市轨道交通的车地无线传输产生干扰。2012年8～11月，深圳地铁2号线和5号线就多次发生由于无线干扰而影响列车运营的事故。

4) 多业务并发时无法保障QoS(quality of service，服务质量)，也无法保证高优先级业务的实际使用带宽，不适用于综合承载。在同时传输CBTC、列车状态监测、CCTV和PIS图像时，缺乏高优先级业务带宽保障就不能确保CBTC信息的传输，影响用户的业务发展。

3.2 McWiLL技术

McWiLL宽带无线接入系统是由北京信威通信技术股份有限公司自主研发的新一代宽带无线接入技术。McWiLL适合小频宽的宽带系统，而在大频宽如15 MHz的情况下，McWiLL所能提供的总带宽较小，频率利用率较低，最大数据速率仅为15 Mb/s，这在频率资源异常紧张的轨道交通领域，显然有些“水土不服”。另外，McWiLL鲜有链状组网的案例，而且其尚未进入轨道交通领域，仅应用在部分城市有轨电车，对轨道交通移动宽带业务的应用还有待研究和观察。此外McWiLL在时速120 km/h时对移动性支持较好，高于该速度情况下的传输性能目前暂无详细的实测数据支撑。

3.3 DVB-T技术

DVB-T(地面数字电视广播)标准是数字视频的地面传输标准。DVB标准采用MPEG-2视音频编码以及COFDM调制方式，理论可达16 Mb/s。DVB-T技术传输带宽较大，可以采用单频技术组网完成无缝切换，有较好的覆盖效果，同时对移动性功能具有良好的支撑。但该技术也存在如下缺点：通常只能单向广播发送下行信息，不能将车厢内的视频监视信息上传到中心；为解决实时双向传输，需要增加其他辅助手段，提高了系统的复杂性及投资；目前仅烽火通信开发了基于该技术的产品，存在设备产品单一、缺乏竞争性等问题，无法得到广泛的展开应用。

3.4 TD-LTE技术

TD-LTE是具有中国自主知识产权的第四代移动通信技术，拥有高速率、大带宽等特点，同时将数字集群技术中的资源共享、快速呼叫建立、指挥调度等特点与TD-LTE进行了融合,使TD-LTE系统成为集语音、数据、视频为一体的新一代宽带多媒体数字集群系统。 TD-LTE技术的优势主要体现在以下几个方面[7]：

1) 移动性的支持[8]。为解决高速移动下的多普勒频偏，LTE设计时在基站侧接收机采用AFC(automatic frequency control，自动频率控制)进行频率纠偏。TD-LTE终端支持350 km/h的移动速度，目前已在高铁和上海磁悬浮等进行实际测试，效果良好。

2) 大带宽。在20 MHz频宽的情况下，TD-LTE的下行峰值速率能达到100 Mb/s，上行能达到50 Mb/s[9]，根据业务带宽需求分析，其带宽能很好地满足市域铁路各业务的综合承载，同时在小区边界处增加小区边界比特速率，保证小区边缘用户的使用。

3) 覆盖范围广。TD-LTE小区的覆盖范围大大超过WLAN无线接入点的覆盖范围。一方面TD-LTE系统采用先进的信号处理技术，设备的接收灵敏度优于WLAN设备;另一方面，TD-LTE系统一般使用专用频段，设备可以采用更高的发射功率，使得覆盖范围增大。

4) 多级QoS保障。LTE系统具备先进的业务优先级调度算法，可以根据业务的优先级对不同的业务进行调度。LTE系统实现9个调度优先级，并且按照预定义的可能承载业务类型，对应不同的服务质量(延时、丢包等)要求，定义了9个QCI(服务质量类别标识)，系统根据QCI对应的优先级进行资源分配和调度。在城市轨道交通车地通信环境下，可以保证CBTC等业务的高可靠传输。

5) 高可靠性。市域铁路中信号的车地无线通信系统一般要求双网覆盖，TD-LTE无线设备采用端到端高可靠性设计，基站的BBU/RRU可共站址覆盖，也可交织冗余覆盖。BBU可进行1+1的热备份，当单个CPRI接口故障，会及时切换到另一个BBU处理，不中断业务，提供高可靠性的覆盖。核心网的各逻辑设备既可以进行单板备份，也可以采用设备1+1备份。从使用频段的角度看，工业和信息化部颁布了《关于重新发布1785～1805 MHz频段无线接入系统频率使用事宜的通知》，从政策上为专用频率资源提供了保障，有效解决了WLAN使用公共频段带来的干扰问题。

6) 技术开放性和成熟度。目前TD-LTE的相关标准已逐渐成熟，应用于轨道交通的LTE-M系统工程设计规范也呼之欲出，国内有成熟产品的厂家也较多，主要有华为、中兴、烽火、大唐、普天等。TD-LTE目前在运营商4G网络中已全面铺开进行商用，在北京、天津、南京等城市政务网中自2012年运营以来表现良好，在轨道交通中的应用也日趋广泛，不仅应用于PIS车地无线系统，还在温州、宁波、广州等地应用于语音调度，在武汉、北京、重庆、西安、乌鲁木齐等地应用于信号CBTC列控信息的承载。

综合考虑以上各个方面的因素，TD-LTE相比其他技术更适用于市域铁路各业务的综合承载。

4 TD-LTE频率资源选择

根据中国城市轨道交通协会《关于转发工信部1 785～1 805 MHz频段使用事宜通知(工信部无[2015]65号)及有关落实工作的意见》(中城轨[2015]008号)，可用于城市轨道交通的专用频段为1 785～1 805 MHz。

根据计算，LTE系统采用10 MHz组网时，下行最高边缘速率最大取值9.9 Mb/s，上行最高边缘速率最大取值9.128 Mb/s，考虑到实际工程环境，预计只能达到双向15 M的传输带宽。而LTE系统采用15 MHz组网时，下行最高边缘速率最大取值14.85 Mb/s，上行最高边缘速率最大取值13.68 Mb/s，考虑到实际工程环境，可以达到双向22 M的传输带宽，满足表1中的承载要求。

LTE网络支持的带宽可以为1.4、3、5、10、15或20 MHz[10]，不同频段上终端支持的带宽是上述6种带宽的全部或其中几种。若采用综合承载，考虑系统可靠性和冗余要求，采用A、B双网进行承载，其中A网单独承载信号CBTC信息，B网综合承载信号CBTC、PIS、CCTV和语音调度等业务。按上述分析，综合承载的单网至少需要15 MHz的频率，鉴于可申请频段只有20 MHz资源，另一张网只能采用5 MHz组网。

综上所述，建议申请1 785～1 805 MHz频率的配置方案，向当地无线电管理部门争取申请到20 MHz频谱，其中5 MHz用于LTE-M A网、15 MHz用于LTE-M B网。如果不能达到该频率要求，则必须考虑舍弃部分可选承载的业务，此时则无法完全实现真正意义上的多网融合方案。

5 网络架构

目前在市域铁路项目中，TD-LTE无线网络除了传输、电源及接地基础系统外，整个应用系统分为3个子系统，依设置地点分别为：控制中心子系统、无线子系统(宏基站BBU/RRU+无线覆盖)、车载无线子系统[11]，其网络结构见图1。

图1 市域铁路LTE网络结构
Fig.1 Suburban rail transit LTE network structure

5.1 控制中心子系统

控制中心子系统放置各专用系统的中心设备，包括TD-LTE核心网(含TD-LTE核心网EPC和集群业务服务器DSS )、网络管理系统、CCTV和PIS等业务应用服务器、信号ATS服务器、调度服务器、二次开发网管及TD-LTE基站设备。

通过TD-LTE核心网EPC向上与各类业务控制平台CCTV中心、PIS系统、CBTC系统、AFC系统等其他系统进行连接。对于集群业务，通过设置调度服务器DSS提供专业的无线集群调度业务，并在控制中心调度大厅设置调度台设备。

5.2 无线子系统

无线子系统在车站设置BBU和RRU基站设备。通过基站设备实现本车站内的覆盖，区间信号覆盖采用漏缆的方式，并通过RRU拉远实现对长大区间的覆盖。各车站值班员处设置车站TD-LTE固定电台，并配备部分便携台供移动作业人员使用。

无线子系统在车辆段和停车场设置BBU，在机房所在楼的楼顶立杆架设天线对整个段场进行覆盖，对于部分封闭的区域如检查库等通过增加RRU和天线进行覆盖。在信号楼内设置行车调度台，运转值班室设置运转调度台，并配备部分便携台供车辆段/停车场移动作业人员使用(见图2)。

图2 无线子系统构成示意
Fig.2 Schematic Diagram of Wireless Subsystem

5.3 车载子系统

车载子系统在列车上设置集群车载台和车载TAU(列车接入单元)数据终端设备，集群车载台放置在列车前后司机室内，为司机提供无线集群调度通信，前后司机车厢各部署1套TAU，以主备方式工作。车头车尾的顶部部署2套鲨鱼鳍天线，车体底部侧面各部署1套定向天线，共8副天线。而TD-LTE集群车载台与TAU通过合路器共用车载天线。

TAU通过以太网接口与车内交换机连接，实现TAU与车内数据业务的信息交互。车载视频、PIS流媒体信息、列车运行状态信息通过TAU经LTE进行上传或下发。

6 结语

市域铁路无线通信系统承载着语音、视频、数据等多种业务，随着线网和用户需求的增多，专网通信从窄带、独立设置的无线通信向各业务融合一体的宽带无线通信网发展已经成为技术发展的趋势，而且业务种类越来越丰富，带宽需求也越来越大。

各系统单独建网带来频率利用率低、重复建设、运营维护工作量大等种种问题，综合承载有利于优化设备组成，减少设备数量，节约前期工程投入，还能大大降低后期的运营维护成本。目前各个城市已逐步开展基于TD-LTE技术的综合承载应用，根据申请到的频率资源情况，有的城市如乌鲁木齐1号线、宁波3号线采用部分业务的综合承载，也有部分城市如南京宁高城际采用了全业务的综合承载。从频率资源、政策支持、频率资源的保障、TD-LTE技术综合承载的适用性和经济合理性等多种角度来看，综合承载在市域铁路中有着广阔的应用前景。

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The Solution of Multi-network Integration in Suburban Rail Transit

LIU Kui

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co. Ltd., Hubei Wuhan 430063)

Abstract: As a new type of rail transport, suburban rail transit has gradually become the mainstream mode of construction in the second-tier and the third-tier cities. Wireless communication system in suburban rail transit is constructed independently at present, which leads to the increase of early investment and follow-up maintenance costs. Through analyzing the demand of each kind of cab-ground traffic load, as well as advantages and disadvantages of various mainstream wireless communication technologies, this paper proposed a solution of multi-network integration based on TD-LTE technology, including CBTC signal system, PIS system, wireless voice dispatching system, train status monitoring system and AFC handheld terminal online transmission. Moreover, how to select frequency resources and how to build network architecture are described.

Keywords: suburban rail transit; requirement of carrying; mainstream wireless communication technology; multi-network integration; TD-LTE

doi:10.3969/j.issn.1672-6073.2017.05.019

收稿日期: 2016-11-22

修回日期： 2016-12-30

作者简介: 刘魁，男，硕士，高级工程师，从事轨道交通通信系统设计，[e-mail]

重大项目: 温州市域铁路S1线一期工程

中图分类号: U231

文献标志码： A

文章编号： 1672-6073(2017)05-0103-06

(编辑：王艳菊)