深圳地铁无线通信系统现状及新建工程方案的思考

2016-02-13谢建良

铁路技术创新 2016年6期

关键词：车地信道基站

■ 谢建良

■ 谢建良

以深圳地铁为背景，从设计角度论述我国地铁无线通信技术应用现状，指出模拟技术与数字技术应用于窄带语音和宽带数据业务的特点与适应性；针对新技术发展趋势提出新建地铁工程无线系统建设模式的相关建议。

深圳地铁；无线通信；车地无线通信；LTE

1 深圳地铁概况

1.1 线网状况

自2004年底开通第一条线路至2016年10月，深圳市已开通运营地铁线路1、2、3、4、5、7、9、11号共8条线路，三期工程开通了轨道交通线网指挥中心（NOCC），深圳地铁规模与开通历程见表1。

1.2 无线通信系统现状

期建成的竹子林车辆段采用450 M Hz专用频道无线调车系统，车站（站场）采用400 MH z模拟或数字对讲系统，正线采用800 MHz数字集群无线列调系统，普速列车区间采用2．4G/无线局域网（WLAN），高速列车车地无线信号及乘客信息系统（PIS）采用1．8G/时分长期演进技术（TD-LTE）。深圳地铁已开通的8条线路无线通信系统承载的业务内容丰富，包括无线列调（语音）、短消息及应急信息（低速数据）、基于通信的列车控制（CBTC）数据、以太网、视频监控（CCTV）图像、PIS媒体流等。深圳地铁线路无线通信系统应用现状见表2。深圳地铁800M数字集群无线列调系统已于2011年6月三期工程开通前实现了互联互通，移动用户可被授权后在线网内漫游通信。

表1 深圳地铁规模与开通历程（截至2016年10月）

2 无线通信技术与业务带宽

深圳地铁无线通信系统建设初期是为了解决行车调度员与司机之间的通话（语音无线列调）功能，语音无线列调是行车指挥的重要手段，车地数据业务采用轨道电路传输。

2.1 语音无线列调

模拟调频技术（FM）是最基本的无线调制技术，一路语音信号占用25 kHz的频宽，当有多个信道就需要配置更多的频率资源，竹子林配置3个450M频点用于3组用户组，即“独立信道”模式。模拟调频技术是频率利用率较低的调制技术[3]。

模拟集群系统是将一组F M信道提供给多个用户共用，模拟集群系统采用频分复用方式（FDMA），在技术上比独立信道方案提高了信道利用率，与独立信道方案比较其频率资源利用率并没有提高。深圳地铁一期工程在工可研阶段（1998年）受限于当时技术水平，正线无线列调系统采用独立信道方案。

表2 深圳地铁线路无线通信系统应用现状

随着无线通信技术从模拟技术向数字化方向发展，多信道语音集群系统开始被广泛应用，即“行调”“环调”“维调”“场调”“警用”等各类语音用户共用基于语音集群的无线列调系统。数字集群系统可以根据需要划分不同的通话组、优先级，如正线司机组、车站行车组、车辆段调车组等。2000年末，我国信息产业部正式发布的《数字集群移动通信系统体制》行业推荐标准，参照国际标准TETRA（体制A）和美国国家标准iDEN（体制B），确定了2种集群通信体制。后来又加入了我国自主的GoTa和GT800两种体制。在深圳地铁一期工程设计过程中，充分调研、跟踪数字集群技术的发展，并对组建数字集群系统进行了充分的方案论证，最终深圳市地铁集团有限公司以地铁技函［2001］116号正式予以批准，在招标中选择诺基亚公司的TETRA数字集群系统[3]。

无线列调语音处理技术从最基本的模拟语音调频FM/25 kHz频宽发展到数字化编码语音PCM/64 kb/s、数码化语音IP/16 kb带宽等几个阶段，典型技术有码分多址技术（CDMA）、正交频分多址复用技术（OFDM）等，以及多种技术的融合发展。第四代可演进的无线通信技术4G-LTE继承了以上各种先进技术，在智能化频谱利用和高带宽、多业务融合方面具有突出优势，是未来地铁无线通信系统向宽带化、多业务综合承载的发展方向。

数字集群窄带语音无线调度系统呼叫功能有个呼、组呼、群呼、用户优先级等，网络功能有单站模式、脱网直呼模式、大区制组网等。深圳地铁陆地数字集群无线系统TETRA新技术的采用解决了语音无线列调系统对呼叫即时性和分组灵活性的要求，车站基站配置2个载频7话路，可高效利用频率资源。

（1）呼叫即时性。行调呼叫司机和司机呼叫行调必须快速接通，调度员应具有强插/强拆功能，司机应具备紧急呼叫功能，TETRA的本局呼叫建立时延小于300 ms，满足专用调度系统即时性要求。

（2）分组灵活性。地铁无线通信典型用户组有正线行车组、车辆段/停车场调车组、防灾组、维修组等，每个无线用户可以根据需要同时编入多个组别，无线用户分为调度台、固定台、车载台、便携台类型。典型的列车无线调度分组见表3。

（3）频率资源利用。专用频道方案用户组与频点一一对应，在有限的频率资源下提供信道数少、频率利用率低，频分制技术每话路信道占用频率宽度为25 kHz。一期工程竹子林车辆段采用3频点专用频道无线通信方案，专用频道频率配置见图1。

TETRA载频信道供正线行调组、上行列车组、下行列车组等用户共用，载频信道配置见图2。

（4）基站与无线小区设置。深圳地铁车站均设置TETRA基站，组网方式为小区制，车站及相邻半个区间规划为1个无线小区。深圳地铁线网中站间距最小约500 m，最大7 km以上。小区制组网方式存在基站话务量不均匀、基站馈出功率差异性悬殊、小区边缘控制及切换困难等弊端。BS基站设置与信号覆盖范围见图3。

小区制系统结构简单但成本高，对于用户数量较少的车站，其基站信道利用率低。ATO和无人驾驶线路对无线列调话音通话需求相对较少，在此前提下可否考虑大区制组网方案值得设计研究部门探讨。总之，大区制节省投资、更节能环保，可避免小区制短区间需增加功率衰减器以控制小区边缘场强的麻烦。

表3 典型列车无线调度分组

图1 专用频道频率配置

（5）频率申请与防干扰。常规频分制和数字集群无线系统的主要干扰来自同频干扰，相邻基站必须采用不同的和无三阶互调的频率才能避免同频干扰和三阶互调干扰。深圳地铁沿线基站频率配置采用三频组方式，即A-B-C-A-B-C 3种不同频率组重复分配指定给各相邻基站，A频率组有多对频率组成，如图1中一个基站配置3组频率对（F1、F2、F3），每组频率可有1对或多对频率，每个频率对由上行频率（移动台发射频率f1）和下行频率（基站发射频率f2）组成，F1=f1+f2，同理F2=f3+f4，F3=f5+f6。可见，上述线路一个基站的频率点配置数量=f1+f2+f3+f4+f5+f6=6个。在不考虑其他因素的情况下，全线采用三频组基站方案需要18个频点。广东省无线电管理办公室以粤无办函［2010］47号文向深圳市无线电管理局和深圳地铁批准了用于深圳市轨道交通线网调度系统的建设。

窄带专网无线通信正向宽带融合方向逐步发展，为此基于TETRA专网技术的宽带集群（B-TrunC）即“集群语音+LTE”融合技术获得发展和应用，多种技术优势互补，国际TETRA联盟和关键通信协会（TCCA）中国分会正积极组织并牵头国内通信领域龙头企业，开展宽、窄带融合一体的、适用于专网通信行业的技术及应用研究。

2.2 车地无线数据通信

图2 载频信道配置

CBTC属于数据通信业务，它与基于语音业务的无线列调不同，CBTC业务以数据业务为主，高带宽、低时延、低误码率是衡量车地无线数据通信的主要技术指标。

图3 BS基站设置与信号覆盖范围

（1）高带宽。地铁行车从最基本的固定闭塞行车方式，对应采用轨道电路、电缆环线等小报文方式传输车地无线数据，但随着地铁列车行驶密度和行车速度的增加，数据通信信息量需求不断增大，窄带无线通信系统从一开始就无法满足此类行车方式数据传输的需求，基于IEEE802．11标准的WLAN宽带技术（简称Wi-Fi）已被深圳地铁CBTC系统广泛采用，基于长期演进第四代无线通信系统（简称4G-LTE）已在深圳地铁11号线PIS系统开通应用。IEEE802．11b/g标准理论带宽为54 Mb，802．11n理论带宽为300 Mb，信道频带宽度20 MHz，WLAN系统可在2．4G免费频段范围使用，解决了传统轨道电路等技术信息传输带宽不足的问题，但也带来了免费频段干扰的增加。同时，深圳地铁列车乘客信息系统也在同一条线路上建设车地PIS系统，它与CBTC系统同在2．4G频段使用、分享11个无干扰信道，从而增加了无干扰信道调配难度。目前WLAN技术又向新的方向发展，IEEE802．11ac标准采用5．8G频段、每个信道频带宽度可增加至80 MHz及160 MHz，资源更加丰富、干扰少，理论数据带宽达1 Gb以上。

（2）低时延及误码率。地铁CBTC列车控制系统要求高带宽的同时，还需采用小于150 ms的低时延数据传输，由于技术体制的局限，Wi-Fi技术在列车高速运行的地铁系统中出线了无线接入（AP）小区间不断快速切换、频率漂移不断增加、干扰和误码上升等问题。地铁CBTC车地无线系统建设丢包率规定应小于1%，可用性应不低于99．98%。

2.3 地铁无线业务

无线列调与CBTC系统是地铁无线业务的主要用户，此外，地铁列车运营过程中的紧急信息、乘客信息等也是重要业务信息。

（1）列车紧急文本。紧急文本信息从OCC调度台向特定的事故列车播发，紧急情况下指引乘客进行疏散、逃生等行为，紧急文本信息需及时送达并在车载显示屏上显示，每小区只需1路下行，传输带宽为10 kb/s。

（2）列车紧急广播信息。紧急广播是配合紧急文本而下发的音频通告，传输带宽为64 kb/s。在特定情况下车载紧急呼叫对讲装置可通过紧急广播传输通道与OCC行调（或列车调度员）进行双向通话。

（3）列车运行状态监测。列车运行状态监测数据主要是上行数据，少量的控制数据为下行，列车运行状态监测数据为双向数据，总带宽为105 kb/s。

（4）列车视频监控。OCC行调应对列车进行实时的和连续不断的视频监控，确保每列车上传2路视频图像给行车调度员，实时监控司机室/轨行区、客室的场景，对全自动无人驾驶线路的行车与乘客安全至关重要。

车载CCTV传输可通过减少上传帧数降低带宽，D1图像带宽1 024 kb/s，720P图像带宽2 048 kb/s，1080P图像带宽6 144 kb/s。

（5）PIS与CCTV。列车客室内PIS显示屏实时播放的视频广告、文字信息来自于地面OCC。每节车厢的列车CCTV信息需要实时发往地面OCC。车载CCTV与视频广告的特点是信息带宽要求大、可容忍少量的误码和时延，乘客信息单向数据流为1路 6 Mb。

3 4G-LTE技术与组网

4G-LTE已开始从公网通信领域向专网应用方向发展，基于公网宽带的车地无线通信LTE系统已被郑州地铁应用，深圳地铁11号线也已开通LTE用于车地PIS业务。多个城市正在研究兼有高带宽和低时延优势的4G-LTE车地无线传输系统，并尝试将CBTC、PIS紧急信息等多种业务共存的综合业务承载在地铁无线通信应用中。

工信部［2015］65号文明确了轨道交通采用1 785～1 805 MHz频段组建LTE专用无线通信系统，以连续的或不连续的频率资源组网，可将语音、数据业务同时应用于LTE系统中，中国城市轨道交通协会编制的LTE-M系列规范将成为未来地铁建设车地无线LTE系统的指导和依据。

LTE是通过基站处理单元（BBU）和射频拉远单元（R R U）统一协调系统内部资源共享、频率调配。TD-LTE采用OFDM和正交时分复用（OFDMA）多载波调制技术，通过时间或子信道来区分用户，LTE网络具有质量保证机制（QoS），满足CBTC数据对可靠性、准确性、即时性等要求。地铁LTE使用20 MHz频带可传输最高带宽为上行50 Mb/s、下行100 Mb/s。各地城市实际可用频宽大多不足20 MHz，系统传输带宽也将减少。

为了满足可靠性要求，现行地铁设计规范针对CBTC的ATP车地无线通信地面设备，明确要求采用冗余场强覆盖设计，其目的是当一套网络故障时应确保信号系统车地信息传输的连续性。冗余场强覆盖设计应在同一个物理区段内提供2个无线施主信号（简称A网和B网），A、B网为2套独立的天馈系统，基于LTE传输的无线系统见图4。

控制LTE边缘带宽是确保传输数据稳定与可靠的关键，根据《LTE-M系统综合承载信息分类及要求规范》，非全自动运行的车地无线数据带宽要求为256 kb，如果按600 m规划RRU小区半径（覆盖线路长度1．2 km），那么一个车站考虑最大6列车时的带宽约为1．5 Mb。根据相关产品资料及研究，LTE组建CBTC-A/B网络频宽与带宽见表4。组网频宽5 MHz时边缘带宽约3 Mb，10 MHz时边缘带宽约12 Mb。

图4 基于LTE传输的无线系统

表4 LTE组建CBTC-A/B网络频宽与带宽

4 技术发展趋势与新线建设的思考

深圳地铁无线通信的建设紧跟技术发展已超过20年，在2G时代无线调度系统可选择的技术方案有限，与国内其他城市同期地铁建设一样，深圳地铁一、二、三期工程采用专用频道和窄带数字集群无线系统方案，2000年后3G通信迅速发展，数据传输能力增强，业务种类增多。

TETRA、B-TrunC、WLAN、4G-LTE各种无线技术互相渗透，宽带和窄带技术相互融合，不论是殊途同归还是众望所归，深圳地铁已深刻感知到地铁无线通信技术综合承载的潮流和宽带化发展趋势，在保留传统WLAN、TETRA技术沿用的同时，密切关注EUHT、LTE-U等新技术动向，在四期工程新建线路中适时提出LTE-M综合承载方案，以最适宜的技术应用到最合适的业务需求领域。