城市轨道交通车地无线通信技术应用发展方向

侯礼举

（北京通号国铁城市轨道技术有限公司，北京100070）

城市轨道交通车地无线通信技术应用发展方向

侯礼举

（北京通号国铁城市轨道技术有限公司，北京100070）

目前的城市轨道交通车地无线通信系统存在多系统、多制式、多网并存等现象,给运营和使用带来一系列问题。经分析和研究，可采用第4代移动通信技术(4G)，利用LTE(长期演进)作为传输平台，发挥其一系列问题先进的技术优势，对车地无线通信业务进行统一整合，实现共网传输，即综合承载理念。

车地无线通信；LTE；综合承载

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.061

1 引言

在当今城市轨道交通领域中，为满足运营的各种需求，保证列车的正常运行，列车与地面要保持连续的通信和联系，即车地无线通信系统。在整个轨道交通体系中，各系统根据自身的功能需求，有独立的车地无线通信网络，如信号系统、列车运行状态监测系统、无线列调系统、CCTV、PIS系统等。

由于受无线频谱资源和无线技术标准体制限制，既有车地通信系统通常采用公用的开放频段（ISM2.4GHz），存在易受干扰、稳定性差、传输带宽小、无QoS机制、漫游切换频繁等问题，从而导致信息传输质量较差，有时会出现通信中断、延时等现象，进而出现系列问题，比如信号系统紧急停车，PIS系统图像不连续、马赛克严重、播放画面不连续等系列问题，影响了正常的运营。另外，由于各系统独立组网，造成了重复投资、浪费资源、施工维修困难等。随着城市轨道交通网络化和智能化建设的快速发展，急需采用一种新的技术方案，以解决既有车地无线通信存在的问题和不足。

2 城市轨道交通车地无线通信业务介绍

2.1 CBTC系统

CBTC（基于通信的列车控制系统）是目前城市轨道交通信号系统主要采用的制式，通过车地无线通信系统进行列车与地面的数据交换，实现列车运行的自动控制和调度，主要功能有ATS（列车自动监控）、ATP（列车自动防护）和ATO（列车自动运行）。CBTC是城市轨道交通自动化体系中的关键系统，对保证列车运行安全、提高列车运行效率起着重要的作用。

车地无线通信是连续的、双向的，车地通信分为地-车信息传输（下行）和车-地信息传输（上行）。其中，车对地（上行）的传输信息包括：列车ID、列车位置、列车运行速度、列车运行方向、设备告警等信息；地对车（下行）的传输信息包括：列车ID、前方进路数等信息。CBTC车地通信是一个安全苛求系统，为保证车地通信数据的实时性和可靠性，无线通信网络采用了双环网冗余结构，无线覆盖采用了完全双层覆盖方式。

2.2 列车运行状态监测系统

列车运行状态监测系统通过传感器采集列车电流、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，并通过车地无线通信网络将数据传送到地面监测中心，上行传输速率为100kbps，地面监测中心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。

2.3 无线列车调度系统

城市轨道交通无线列车调度系统为控制中心调度员、车辆段调度员、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。

在城市轨道交通的无线列车调度系统中，车地之间（上行），地车之间（下行），主要都是传输语音信息，要求上下行传输速率为100kbps。

2.4 CCTV系统

CCTV（视频监控系统）概括的来说就是将列车驾驶室、列车车厢的视频监控图像通过无线的方式传输到控制中心，进行集中监视，也可以通过无线网络将实时监控录像传送到地面监控站进行监控。通过车地之间的视频传输，地面控制中心可以实现对驾驶室、设备间、车厢等重点区域的实时监控，保障列车运行安全和旅客人身安全，满足运营的需求。

CCTV系统需要具有多路画面实时录像、多路画面实时显示以及根据需要灵活设置图像压缩质量和录像存储等功能。图像信息传输都从车厢传到地面，是上行业务，下行业务只有一些视频控制命令。上行业务的传输速率决定于图像的压缩格式、摄像机数量和摄像机类型，一般不大于4Mbps。

2.5 PIS系统

PIS（乘客信息系统）是一个多媒体咨询发布、播控与管理的平台，可在多种显示终端上显示多种类型的、多信息源的、平行的、分区的、带优先级的信息。PIS可以向乘客发布更直观、更形象的各种有用信息，可以提供列车到发时间、转播电视节目、播放监视画面，为乘客提供优质的服务，提高运营的整体水平。

PIS的数据传输由地面将视频、图像信息通过PIS无线网络传输到车厢内显示屏进行播放，所有的数据传输都是下行传输，一般传输的信息都是高清视频。

紧急文本信息用于城市轨道交通路网异常情况下的乘客通知，可在PIS系统的显示终端上显示。紧急文本是数据量很小的文本信息。

2.6 城市轨道交通车地无线通信带宽

根据中国城市轨道交通协会技术装备专业委员会2015年发布的《城市轨道交通CBTC信号系统行业技术规范－数据通信子系统规范》6.1.2.2节，“在非切换区域，CBTC业务的单列车无线网络信息传输上下行总速率不小于1Mbps”，因此CBTC业务传输速率需求为1Mbps，上下行按各512kbps考虑，另综合考虑其它系统业务，城市轨道交通车地无线通信需求见表1。

表1 城市轨道交通车地无线通信需求

通过上表可知，在上述各系统业务并发情况下，在一个无线覆盖区内，目前城市轨道交通车地无线通信容量总体需求为上行8.2Mbps左右，下行12.8Mbps左右。

根据上述数据分析，如果采用专用无线频段和先进的车地无线通信技术，在满足轨道交通运营需求的情况下，可将上述各种车地无线通信业务整合，实现综合承载，以解决既有车地无线通信系统中存在的问题和不足。

3 城市轨道交通车地无线通信新技术应用可行性分析

3.1 专用无线频段介绍

根据工业与信息化部发布无[2015]65号文件“关于重新发布1785-1805MHz频段无线接入系统频率使用事宜的通知”，该文件明确指出城市轨道交通行业专用通信可以使用该频段，为解决城市轨道交通车地通信专用频率问题的提供了依据。

主要无线技术参数如下：

1）频率范围：1785～1805MHz；

2）双工方式：时分双工（TDD）；

3）信道带宽：250kHz、500kHz、1MHz、1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz。

由上述得知，1785～1805MHz频段为专用无线频段，可以应用于城市轨道交通车地无线通信系统，使用时须向省级无线电管理机构申请。文件中还规定双工方式为时分双工和信道带宽，LTE技术的带宽包含在内（黑体部分）。因此，结合时分双工方式，该频段可以采用TD-LTE技术。

3.2 TD-LTE技术介绍

LTE是第四代移动通信技术(4G)，在设计时考虑了350km时速情况下的无线传输性能、完善的业务优先级策略（支撑不同优先级的多业务）、实时性和高吞吐率并具备高安全性和高可靠性的特点。同时，TD-LTE是我国拥有核心自主知识产权的国际通信标准技术，已经在我国大规模商用，有较成熟的产业链。

3.2.1 系统基本信息

LTE基本信息如表2所示，包括频率和带宽信息等。

表2 LTE系统基本信息

3.2.2 系统构成

LTE按照网络结构分：核心控制系统、车站无线接入系统、车载终端系统。LTE技术构成示意图见图1（核心系统可按冗余配置）：

图1 LTE构成示意图

3.2.3 系统组网方式

LTE能够支持多种专网频段及快速定制服务，并且支持网络IP化，以及星型、链型、树型多样化的网络拓扑结构，满足地铁环境中宽带化、运行高速化、容量大、覆盖广、吞吐量高的需求，确保列车在0～120km/h的移动场景下吞吐率>60Mbps，平均下行速率>40Mbps，平均上行速率>20Mbps，并提供丰富的传输接口，如：FE/GE电口、FE/GE光口、E1/T1接口。采用扁平化网络架构，网元节点少，传输时延<50ms。

3.2.4 无线覆盖方式

LTE的无线覆盖方式可采用漏泄电缆和无线覆盖方式。漏缆覆盖方式具有无线场强可预算、场强覆盖均匀稳定等特点；无线覆盖方式具有安装灵活，适合于场站线路较复杂的地域。具体采用何种覆盖方式，应与工程现场实际需求情况确定。

3.2.5 LTE系统性能和特点

1）先进的基站平台、平滑演进

TDLTE与GSM/UMTS/CDMA/WiMAX共享第四代基站的硬件平台、硬件设备，技术能力共享，确保TD-LTE专网技术演进。

2）容量大、覆盖广、吞吐量高、切换快

TD-LTE系统容量大，可支持多个系统的无线通信业务的统一整合和综合承载，包括数据、语音和图像等各种信息，平均下行速率>40Mbps，平均上行速率>20Mbps。

TD-LTE系统覆盖广，通过多天线接收分集、上行ICIC等特性实现最大支持15km的小区覆盖。

系统采用特有的针对移动场景的算法，实现快速的跨区切换，漫游时间小于100ms，传输延迟小于50ms。

3）完善的IP传输机制

LTE提供9级QoS保障机制，通过多种QoS机制保证传输QoS目标，提供尽可能高的容量、实现差异化服务，保证优先级最高的业务在网络出现拥塞时能够优先传输到达目的地，不会出现传输中断或数据丢失现象。

4）简化工程、易部署

TD-LTE设备体积小，重量轻，便于搬运，支持分散安装实现全场景无缝覆盖，无需大规模建设工程。可实现各系统共建共享，保护投资。

3.3 TD-LTE综合承载通信性能测试结果

201 4年，由北京地铁、北京交通大学、通号设计院、华为公司、中兴公司等单位完成的TD-LTE系统通信性能测试结果见表3。

表3 TD-LTE综合承载通信性能测试结果

根据目前各系统车地无线通信需求，并考虑今后的技术发展，CBTC、CCTV和PIS系统综合承载时需要15MHz频宽，再结合表1中的各系统的数据统计，可以看出，TD-LTE的15MHz频宽的吞吐量（上行11Mbps，下行19Mbps）满足综合承载所需的传输速率（上行8.2Mbps，下行12.8Mbps）。因此，通过采用专用无线频段和LTE通信技术，可对各种车地通信业务进行统一整合，实现综合承载，此方案是可行的。

3.4 应用情况介绍

目前国内正在建设的许多城市轨道交通项目中，已开始应用LTE技术对车地无线通信系统进行整合，采用综合承载方案，如郑州地铁2号线和乌鲁木齐地铁1号线，采用CBTC+PIS综合承载；青岛地铁R5线采用CBTC+PIS+CCTV综合承载方案。

4 结论

随着城市轨道交通建设的快速发展，采用LTE移动通信技术整合统一车地无线通信业务，实现综合承载，符合未来轨道交通智能化、集成化、节省投资、方便维护的建设方向，在今后的城市轨道交通建设中，具有广阔的应用前景。

【1】尹福康.TD-LTE无线通信系统在铁路上的应用[J].铁路通信信号工程技术,2013,10(3):1-5.

【2】刘宝昌，胡恒杰，朱强.TD-LTE无线网络规划研究[J].电气工程技术与标准化，2010,23（1）：12-13.

【3】李新.TD-LTE无线网络覆盖特性浅析[J].电信科学，2009(1):43-47.

Application Development Direction of Train-station Wireless Communication Technology inUrban Rail Transit

HOULi-ju
（BeijingUrbanTransitTechnologyCo.Ltd.,Beijng100070,China）

Multi system,multi-standard, multi-network are coexisting in the current train-station wireless communication system of urban rail transit has multi-system, bringing operations and the useage a range of issues. Through analysising and researching, we can adopt the fourth generation mobile communication technology (4G), aswell as use the LTE (LongTermEvolution) as the transport platformto play its advantage,finally integrate the train-station wirelesscommunicationbusiness,toachieveatotalnettransfers,namelyintegratedbearingconcept.

train-stationwirelesscommunication;LTE;integratedbearing

U285.21

B

1007-9467（2016）07-0095-03

2016-6-7

侯礼举（1966～），男，山东泰安人，工程师，从事轨道交通通信信号工程技术研究，（电子信箱）hlj6609@sina.com。