基于LTE(长期演进)技术的地铁乘客信息系统组网方案分析

2015-06-28赵晗

城市轨道交通研究 2015年10期

赵晗

(郑州市轨道交通有限公司，450001，郑州∥工程师)

1 车载乘客信息系统

车载乘客信息系统(PIS)是依托多媒体网络技术，以车载显示终端为媒介向乘客提供信息的系统。在正常情况下，PIS 提供乘车须知、服务时间、管理者公告、政府公告、出行参考、媒体新闻、赛事直播、广告等实时动态的多媒体信息;在火灾、阻塞及恐怖袭击等非正常情况下，PIS 提供动态紧急疏散提示。车载设备通过无线传输实时或预录接收信息，经处理后在列车客室LCD(液晶显示)显示屏上进行音频、视频播放。使乘客通过正确的服务信息引导，安全、便捷地乘坐地铁。

PIS 兼有监视功能，列车客室内的视频监控信息被实时传送到司机室的监控终端，并能实时上传至控制中心。PIS 上传的视频监控信息可作为管理部门进行安全决策的支持信息。PIS 同时兼有对司机的监视功能，通过设置在司机室的摄像机对司机的驾驶情况进行监视。

随着应用需求的不断增多，车载PIS 系统也需要配合车辆系统、视频监控系统及综合监控系统完成列车故障信息和车载监控信息的上传功能以及司机室的可视对讲功能。

2 现有车载PIS组网方案

2.1 系统组网方案

以郑州地铁1号线PIS 组网方案为例，该方案分中心、车站及车载3 部分(见图1)。

在方案中，PIS 视频数据下发路由如下:电视台光端机—列车直播编码器—PIS 核心交换机—LTE(长期演进)核心网—PIS 核心交换机—中心 SDH(同步数字体系)传输系统—车站PIS 交换机—车站BBU(基带处理单元)设备—区间RRU(射频拉远单元)—列车TAU(车载无线设备)—车载交换机—车载 LCD 控制器—编码器—解码器—分频器—LCD 显示屏。

车载CCTV(闭路电视监控)图像上传路由如下:车载摄像头—编码器—内网交换机—视频服务器—车载交换机—车载 TAU—区间 RRU—车站BBU—车站PIS 交换机—车站SDH(同步数字体系)传输—OCC(运营控制中心)传输—PIS 核心交换机—LTE 核心网—PIS 核心交换机—CCTV 核心交换机—万能解码器—OCC 大屏。

2.2 郑州地铁1号线一期设备安装情况

图1 郑州地铁1号线一期PIS 系统组网方案

在控制中心设置核心网设备及网管;在各车站、车辆段及停车场分别放置分布式基站;BBU 放置在弱电综合室;RRU 布放在正线区间及车库，单个RRU 覆盖距离约 1.2 km，对超过 1.2 km 的区间增设RRU;每列车上安装车载TAU 设备和多根天线，与车载视频主机和监控主机相连，用来发射和接收数据;区间覆盖采用与商用通信两根漏缆合路的方式，用于实现MIMO(多输入多输出)技术。全线共设置了 22 台 BBU、67 台 RRU、50 个车载 TAU 及 1台核心网设备。

2.3 车地通信测试数据

郑州地铁1号线开通之后，委托第三方对LTE车地无线传输性能进行了测试，测试区间为西流湖站—市体育中心站，测试结果见表1 和表2。标准要求为双向吞吐量≥1 5 Mbit/s，车→地吞吐量≥6 Mbit/s，地→车吞吐量≥8 Mbit/s。测试结果表明LTE 车地无线通道性能符合标准要求。

表1 郑州地铁1号线上行区间LTE 车地无线通道性能第三方测试记录表

表2 郑州地铁1号线下行区间LTE 车地无线通道性能第三方测试记录表

以目前的数据配置，高清视频下行组播流为1 路3 M，上行组播流为1 路2 M，完全满足实际需要。实际运行中直播效果良好，未出现卡屏、花屏现象。

3 目前运行中存在的问题及建议

3.1 目前组网方案中存在的主要问题

(1)库内带宽容量不足，导致检修困难。在设计方案中，车辆段/停车场设置1 台RRU，划分为1 个小区，在高清视频下行组播流为3 M 的情况下，最多只能满足3～5 列车同时在线数据接收。运营维护人员晚上在库内进行检修以及排查问题和处理时，无法根据实际效果判断设备运行状态;时由于带宽不足，无法实现垫播文件的及时下发，只能逐个登车进行手动拷取，导致检修困难和维护工作量加大。

(2)传输组网不独立，完全依赖PIS 网络。1线LTE 承载在PIS 网络上，物理通道依赖PIS 网络，如果PIS 网络遇到广播风暴、环路问题，都将直接导致LTE 网络的不稳定。在实际运行中曾发生过因地面PIS 网络风暴造成整个地面PIS 和车载PIS 网络全部瘫痪的问题。

(3)车载上行数据存在串码流现象，导致控制中心调度调取车载视频失败。在实际应用中经常出现列车上行视频数据串码，导致整个上行网络拥塞，控制中心调度调取列车视频失败，只能通过远程屏蔽车载终端来解决，但这同时会造成列车视频直播的中断。通过分析发现，由于车载PIS 承担了较多业务，车载LCD 及CCTV 控制主机根据业务功能不同配置了双网卡，而车载交换机采用普通二层交换机，不具备路由过滤和隔离的功能，因此导致了上行外网数据中存在大量内网数据的问题。

3.2 建议

随着地铁运营的不断发展，LTE 的车地无线通道还将承载集群通信、列车故障信息上传、可视对讲以及弓网检测等功能，这对车地无线网络提出了更高的要求。针对上述主要问题，提出以下建议，在后续线路设计应用时应充分予以考虑。

(1)提高车辆段/停车场库内带宽。提升带宽可通过以下3 种途径:①扩大频率带宽。由目前的10 M 带宽提升至20 M 以上，可基本满足要求。但频率属于国家战略资源，不允许私自使用，而且国家工信部没有对城市轨道交通行业批复专用的频率，因此实施难度较大。②增加基站容量。在库内根据列车停放位置，详细规划小区设置。但由于受车库空间限制，小区划分及设备安装比较困难。③在满足带宽需要后，可以考虑LTE 与WLAN(无线局域网)的混合组网方案。此方案在3 G(第三代移动通信技术)中已得到广泛应用，在技术上是可行的，但由于没有通用型产品，需要设备厂商根据实际情况开发支持不同频段的产品，设备开模费用较高。

(2)LTE 系统独立网络。原有网络借助于PIS系统，为提高网络的稳定性，降低故障率，在后续网络设计时建议采取独立组网(见图2)。与原有组网方案相比，独立组网方案具有以下不同点:①中心组网——取消了与PIS 核心交换机的接口，LTE 核心网直接与传输系统互联。②车站组网——取消了与PIS 车站交换机的接口，LTE，BBU 设备直接与传输系统互联。此方案需要增加传输系统接口，建设成本相应提高，但可以有效减少系统间的接口及故障点，提高系统运行稳定性。

图2 LTE 传输独立组网方案

(3)车载交换机采用三层交换机。LTE 网络为车地无线通信提供了一条高速通道，车载TAU 并不会也不需要对通道中传输的数据进行辨别。采用带路由过滤和隔离的功能的三层交换机后，可以通过系统软件设置，有效地对内外网IP 进行过滤，从而避免了内外网数据的串码，也避免了控制中心调度调取车载视频失败问题的发生。