山地轨道交通新型无线通信系统方案研究

陈昳，虞凯，熊洁，段永奇

随着我国旅游文化的不断推广、旅游产业的不断壮大，山地旅游以前所未有的速度快速增长。而交通是山地旅游发展面临的首要问题，山地旅游交通资源匮乏、公共交通方式单一的问题日益突出。传统的道路交通已经不能适应现代山地旅游产业的发展需要，在当今形势下发展低污染、低能耗、低排放、多种制式、经济适用的轨道交通刻不容缓。与常规山地道路交通相比较，山地轨道交通具有造价低、安全、环保、运营成本低、施工周期短、适应山地极大坡道、美观、舒适度高等优点，逐渐成为近年山地旅游交通项目的重要选择［1-3］。

无线通信系统是轨道交通中进行列车运行控制、运营调度指挥和生产作业管理的一个重要子系统，为列车与地面之间的语音、数据、图像等信息传输提供必要的通信手段。铁路、地铁等大运量轨道交通，由于其线网结构复杂、运营管理全面、客流量大等特点，采用的无线通信系统通常功能全面、结构庞杂，或者采用多个无线通信系统。例如，高速铁路采用功能和结构极其复杂的GSM-R系统；地铁则采用多个独立的无线通信系统分别解决调度语音、列控信息、乘客信息系统图像和视频等传输问题。随着第四代移动通信系统的发展，LTE技术开始普遍应用于新建的地铁项目中。目前在建的地铁项目中，普遍采用2套互为独立的LTE系统承载列控信息的传输［4］。

山地轨道交通在客流方面属于中低运量轨道交通；线网结构相对简单，通常只有1条或几条线路；对列车运营要求不如铁路和地铁那么高，运营模式简单；整体造价较低。综合以上因素，山地轨道交通的无线通信系统没必要像铁路和地铁等大运量轨道交通那样繁杂，对无线通信的需求没有那么严苛。因此，在无线通信系统的设计上，应考虑资源整合，降低造价等因素，在保证安全的前提下，更多地考虑其经济适用性。

本文针对山地轨道交通的特点，研究提出了“单网LTE+单网DMR”的新型无线通信系统方案，并通过业务负荷分担等技术，满足无线通信系统承载列控、调度通信等业务时对安全性和可靠性的要求，同时降低工程造价，节省工程投资。

1 山地轨道交通发展现状

山地旅游景区通常处于山脉相连、高低起伏、大坡道的崇山峻岭中，这对轨道交通的爬坡能力提出了特殊的要求。齿轨交通因其具有可适应480‰坡度的超大爬坡能力，成为山地轨道交通的首选。

齿轨交通是集传统钢轮钢轨粘着驱动方式和齿轮齿条的大坡道驱动方式于一体的交通工具。在常规坡道路段，仅利用传统钢轮钢轨间的粘着牵引列车前行；在超大坡道路段，轨道上铺设的齿条与车辆自带的齿轮机构啮合实现牵引，传统钢轮钢轨仅用于列车承载和导向，以实现列车的大坡道前行［5］。

齿轨交通并不是新兴轨道交通产业，诞生于100多年前的瑞士，截至目前，瑞士、奥地利、法国、德国、日本等国已建成齿轨线路约180条，总里程超过3 000 km［6］。国外齿轨交通示例见图1。

图1 国外齿轨交通示例

齿轨交通在我国还处于起步阶段，目前尚未有一条商业运营线。我国自2015年起启动齿轨交通相关研究，四川、浙江、陕西等正在规划建设以齿轨为主的山地轨道交通项目方案，并在四川四姑娘山、玉龙拉错、彭州、光雾山、浙江越龙山等地开展山地齿轨旅游交通线路规划研究和工程设计研究。

2 山地轨道交通运营特点

山地轨道交通有别于铁路、地铁等项目，定位为“旅游观光”线路，其特点如下。

1）山地轨道交通属于中低运量轨道交通，客流量低。

2）山地轨道交通主要解决旅游观光，与铁路和地铁主要解决旅客交通出行的功能定位不同，因此山地轨道交通的发车间隔时间长、密度小。

3）列车运行速度慢，齿轨路段车速不超过20 km/h，对于“齿轨+轮轨”结合的山地轨道交通，轮轨车速一般不超过120 km/h。

基于以上特点，山地轨道交通对运营的要求略低于铁路、地铁等大运量轨道交通，甚至可容忍列车的晚点和停车等突发状况。

3 山地轨道交通车地无线通信业务分析

3.1 车地无线通信业务

轨道交通采用无线通信实现列车与地面设备之间信息的无线传输。根据轨道交通业务的特点以及与行车安全的相关性，车地无线通信业务可分为安全数据、非安全数据、语音、图像/视频等四大类：①安全数据是指影响行车安全的信息，如基于无线通信的列控信息；②非安全数据是指除安全数据以外的文本类数据，例如调度命令和车次号、列车紧急文本和运行状态等信息；③语音信息，如调度、客运、维护、公安、抢修、救援等无线语音信息；④图像和视频等大带宽数据，包括多媒体调度、车载PIS和CCTV等。

3.2 业务需求分析

根据山地轨道交通运营特点和需求，车地无线通信业务可进行优化。

1）根据技术发展需求，信号系统普遍采用基于无线通信的列控系统，例如目前正在开展设计的四川四姑娘山、彭州等山地轨道交通项目都采用了基于无线通信的列控系统。

2）调度命令、车次号等与列车调度相关的文本类数据，以及调度、客运、维护、抢修、救援等语音通信是保证列车的行车安全和运营需求的重要通信内容，是山地轨道交通无线通信系统设计时必须考虑的承载业务。

3）列车紧急文本、列车运行状态、乘客文本信息、车载PIS和车载视频等业务，可以提高轨道交通的运营管理水平，但并不是必需的业务，在无线通信带宽资源充足的情况可考虑采用。

山地轨道交通具体业务内容、带宽需求及必要性见表1。

表1 山地轨道交通车地无线通信业务

4 山地轨道交通新型无线通信系统技术体制研究

4.1 无线通信技术比选

目前，轨道交通主要采用的无线通信技术包括GSM-R、TETRA、WLAN、LTE和DMR。

GSM-R是专门为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统。我国铁路GSM-R系统是一个功能完善、系统庞杂的移动通信网，实现铁路列车无线调度、站场调车通信、区间移动通信等语音功能，以及列控信息、车次号、调度命令等数据无线传输，拥有专属频段。由于GSM-R具有铁路专属性，其他轨道交通无法采用该技术。

TETRA是基于数字时分复用（TDMA）的无线通信技术。我国地铁、轻轨等城市轨道交通普遍采用该技术实现调度语音通信。

WLAN是一种被广泛应用和部署的无线宽带接入技术，工作在2.4 GHz或5 GHz公共频段，无需进行频率申请。目前我国城市轨道交通普遍采用WLAN承载CBTC、PIS和CCTV等系统业务，但存在安全性差、切换频繁、移动场景带宽低、干扰源多等问题。

LTE是第四代无线通信技术，采用正交频分复用、多输入多输出、自适应调制编码，以及混合自动重传等技术，可实现图像、视频等大带宽数据的无线传输。我国已明确1 785 M～1 805 MHz频段可用于交通、电力等行业的LTE专网。目前，轨道交通行业逐渐采用LTE技术满足车地无线通信传输需求。

DMR是欧洲电信标准协会（ESTI）为专业移动无线通信用户制定的数字无线通信技术，用以替代模拟无线对讲技术，近年来逐渐应用于各行各业的专网无线通信领域［7］。例如，公安PDT系统、铁路编组站平面调车系统、铁路客站无线通信系统等都采用DMR技术解决调度语音和短数据通信。因其具有适用于语音通信、造价低廉等优势，DMR逐渐用于构建经济适用型无线通信专网系统。

无线通信系统技术特点对比见表2。

表2 无线通信系统技术特点对比

4.2 新型无线通信系统技术体制

无线通信系统技术体制的选择应首先考虑保证列车的安全运营。列车控制和调度是首要因素，因此，列车控制、调度语音通信、调度命令和车次号传输是无线通信系统需优先保证的业务。基于现有的技术发展水平和行业政策，山地轨道交通无线通信系统推荐采用LTE宽带无线通信技术。

铁路和地铁等大运量轨道交通，对列车的准点率、故障率等要求非常高，不允许出现非正常停车等事故。为此，铁路和地铁等城市轨道交通无线通信系统通常采用同一无线通信网络冗余组网的方式，确保列控数据传输的可靠性。例如，高铁采用GSM-R交织组网的方式承载C3级列控信息［8］；地铁等城市轨道交通则采用2套独立的LTE无线通信网络承载CBTC信息［9］。无论是同站址双网还是交织组网，都是通过增加基站数量来达到冗余组网的目的，从而保证系统的可靠性，但也会带来无线通信系统的投资成倍增加等问题。

鉴于山地轨道交通对运营需求没有铁路、地铁那么严苛，考虑经济适用性，本文提出山地轨道交通新型无线通信系统，即“单网LTE+单网DMR”宽窄带融合的无线通信技术方案：采用LTE宽带无线通信系统实现山地轨道交通无线业务的综合承载；当LTE系统故障时，DMR窄带无线通信系统作为补充，可承载调度通信语音和调度命令、车次号等部分数据。

5 基于宽窄带融合的新型无线通信系统技术方案

5.1 业务承载方案

“LTE+DMR”宽窄带融合无线通信系统的业务承载方案如下。

1）LTE为主用网络，用于综合承载列控信息、调度语音通信、调度命令和车次号等信息，在带宽充足的情况下，还可承载车载PIS和视频等业务。

2）DMR为备用补充网络，通常用于承载除调度以外的客运、维护、公安、抢修、救援等其他语音通信业务。

3）DMR同时作为LTE备用系统。当LTE系统故障时，DMR承载调度语音通信和调度命令、车次号等非安全数据；同时由于无线通信系统无法承载列控信息，信号系统降级为站间闭塞模式，司机通过信号指示灯目视行车，并通过DMR系统保持与调度室的无线通信。

4）通过宽窄带融合技术实现LTE和DMR的融合通信，满足语音和短数据的互通。

LTE和DMR承载业务见表3。

表3 LTE和DMR承载业务

5.2 系统架构

山地轨道交通新型无线通信系统由单网LTE和单网DMR组成，并通过宽窄带融合服务器实现LTE与DMR的互联。以四姑娘山山地轨道交通项目为例，其系统架构见图2。

图2 山地轨道交通新型无线通信系统架构

山地轨道交通新型无线通信系统由中心设备、LTE无线通信网络、DMR无线通信网络和终端组成。

1）中心设备设置于线路控制中心或调度大楼，由LTE核心网、DMR中心服务器、宽窄带融合服务器、调度服务器、存储设备、接口服务器、网管等设备组成：①LTE核心网由移动管理实体（MME）、归属签约用户服务器（HSS）、服务网关（S-GW）、分组数据网网关（P-GW）等网元组成；②DMR中心服务器负责管理DMR无线通信网络；③宽窄带融合服务器负责实现LTE和DMR无线通信系统的互联，实现语音和短数据的互通；④调度服务器实现全线无线调度通信功能；⑤接口服务器实现与列控系统、PIS系统等外部系统的互联。

2）线路沿线、车辆基地及站房布设无线通信网络，包括LTE无线接入网和DMR基站设备。①LTE无线接入网由LTE基站（eNodeB）组成，eNodeB采用分布式基带处理单元（BBU）+射频拉远单元（RRU）的方式，BBU与RRU通过光缆连接。RRU采用室外型设备，在开阔区间，将其安装于铁塔或电杆底部，按1～3 km间距设置，采用天线方式覆盖；在隧道区段，将其安装于隧道内，按1.5 km间距设置，采用漏缆方式覆盖；车辆基地及站房等通过时分系统实现室内全覆盖。采用1 785 M～1 805 MHz频段，根据小区容量规划和边缘容量规划，建议向无线电委员会申请10 MHz以上带宽。②DMR无线通信网络主要由DMR基站组成，沿线车站和车辆基地布设DMR基站，开阔区间采用光纤直放站结合天线进行覆盖，按5～8 km间距设置；隧道区段采用光纤直放站结合漏缆进行覆盖，按3 km间距设置。DMR站址考虑与LTE站址合设。根据容量测算及项目具体情况，可向无线电委员会申请403 M～423.5 MHz频率范围内6对以上频率，每个频率占用带宽12.5 kHz。

3）终端由调度台、车载终端、手持终端等组成：①调度台采用LTE和DMR融合调度台，实现对整个系统的统一调度；②车载终端采用LTE和DMR多模车载终端，可同时接入LTE和DMR无线通信网络；③手持终端包括LTE宽屏终端和DMR终端，也可采用LTE和DMR多模手持终端。

5.3 系统特点

采用基于宽窄带融合的新型无线通信系统，与传统双网LTE方案相比，其优势如下。

1）投资低。DMR的投资远低于LTE，采用“单网LTE+单网DMR”方案后，可大幅降低系统造价，以及功耗、维护等运营费用。

2）综合业务承载能力增强。由于LTE可申请的带宽资源有限，采用双网冗余组网后，其承载业务的能力变弱。以10 MHz带宽为例，如果采用双网模式，则每个网络可供使用的资源只有5 MHz，仅能承载列控、调度语音及部分短数据业务；如果采用单网LTE方案，则单个LTE网络可使用10 MHz带宽资源，可进一步承载PIS、视频等大带宽业务，承载业务能力得到较大提升［10］。

6 总结

本文结合山地轨道交通的运营特点及其对无线通信的需求，通过对现有无线通信技术体制的比选，提出了“单网LTE+单网DMR”的山地轨道交通新型无线通信系统方案，实现列控、调度语音、调度命令和车次号、车载PIS和车载视频等业务的综合无线承载，同时通过宽窄带双网方式满足山地轨道交通承载列控、调度通信等业务对安全性和可靠性的要求。相比于传统的双网LTE方案，该方案既可降低工程造价，又可提升LTE综合业务承载能力，适用于山地齿轨等中低运量轨道交通。下一步将结合具体工程项目的实施，研究宽窄带不同网络制式之间的融合通信技术。