肖宾杰

(隧道股份城建设计集团， 200125， 上海//高级工程师)

通信系统承担着现代有轨电车的信息采集、上传、下发等数据通信功能，为混合路权条件下司机瞭望驾驶模式的安全运营提供了可靠的信息保障。专用无线通信系统是通信系统的重要部分，完成现代有轨电车运营方的固定用户和移动用户之间的语音和数据信息交换，为现代有轨电车运营及紧急状态的调度、防灾、事故处理等提供语音及数据服务，其重要性突出。

无线通信技术发展迅速，有多种实现方案可供现代有轨电车选用。而现代有轨电车在运营环境及信息传输需求上与传统轨道交通有较大差异。为保证现代有轨电车安全、高密度、高效运营，现代有轨电车选用的无线通信系统应具有基本的通话及调度、数据通信、信息安全、录音取证、网络管理等功能。本文借鉴已建现代有轨电车无线通信系统的经验，对比分析不同无线通信系统方案的优缺点，结合成都市现代有轨电车工程具体要求，提出具有技术先进性的基于TD-LTE(时分双工-长期演进)的现代有轨电车专用无线通信系统方案，为该技术在其他现代有轨电车工程的应用提供参考。

1 现代有轨电车专用无线通信系统要求

通信系统承载现代有轨电车的运营安全和乘客信息服务等数据传输，是现代有轨电车运营的信息交互通信网络[1-2]。其中，专用无线通信为现代有轨电车调度人员、列车司机、运营管理和维保人员、场段范围内综合管廊内部空间提供语音和数据信息交换技术手段，完成无线调度通话、数据通信，以及传输车辆位置和运营信息、服务信息等任务。当有事故或通信异常时，可为防灾救灾、事故应急提供无线通信服务。现代有轨电车专用无线通信系统既需要语音和数据信息交换功能完善可靠，也需要使用和维护方便[3-4]，实现通话、调度、数据传输、通话录音、网络管理和信息安全等基本功能。

成都市新建现代有轨电车项目需传输的车地无线信息包括语音调度、数据、视频(车载视频监控、车载PIS(乘客信息系统))三大类。其带宽需求如表1所示(上行带宽共计2.55 Mbit/s；下行带宽共计4.50 Mbit/s)。

表1 成都市新建现代有轨电车项目各类车地无线业务的带宽需求

国家无线电管理委员会[2015]65号文件中明确划定1.8 GHz频段可应用于城市轨道交通，满足城市轨道交通的应用需求。本工程拟采用1 790～1 795 MHz频段，已申请5 Mbit/s带宽建设无线宽带网络，满足上行及下行数据传输的要求。

2 主流无线通信方案及分析

2.1 主流无线通信方案

在轨道交通领域，专用无线通信系统主要由窄带数字集群系统(TETRA)和无线局域网实现。TETRA负责语音调度业务，但不支持宽带数据传输；无线局域网实现其他视频、PIS等数据业务。近期城市轨道交通开始采用具备调度呼叫功能的宽带LTE系统。

在建或已运营的现代有轨电车专用无线通信系统多数采用自建通信网的方式，其无线通信技术包括TETRA、Mcwill®、WLAN(无线局域网)，或者相关组合方式；部分城市(如武汉大汉阳、上海松江)的现代有轨电车采用租用通信网络方式(可为移动通信网络、政务网、第三方自建等)。McWiLL®是北京信威公司自有的无线多媒体集群通信系统，通过码扩正交频分多址(CS-OFDMA)实现可靠的无线数据和语音。采用租用公共移动通信网络或政务专网，利用覆盖范围广的公网系统，可使基建成本降低，无须考虑建设用地、建基站及布设天线，无需申请专用频点；但不保证通信可靠性，且会产生租赁费用。WLAN是由IEEE 802.11规定的无线通信系统。LTE采用OFDM(正交频分复用)和MIMO(多输入多输出)，最大可提供下行100 Mbit/s和上行50 Mbit/s的峰值速率，并提供QoS(服务质量)保证实时业务的质量。

2.2 无线通信系统制式比较与分析

对LTE与McWiLL®、TETRA的技术参数及性能进行比选，如表2所示。

由表2可知，McWiLL®具有自主知识产权，可满足现代有轨电车通信需求，但供货商单一；TETRA技术成熟，满足语音通话功能，需有数据通信网络作为补充；TD-LTE是我国拥有核心自主知识产权的第四代移动通信技术，在速率、时延和频谱利用率等方面具有技术优势，上下行宽带可灵活配置，并能够保证在高速移动时的通信效果。目前，我国轨道交通协会推荐LTE系统，该系统经扩展后，可同时承载语音集群调度和PIS视频车地无线传输；可针对不同业务指定不同的业务等级，保证高优先级业务的资源和性能，实现与信号共用网络。现代有轨电车自建TD-LTE专用无线通信是一种兼具先进性和实用性的方案。

3 基于TD-LTE的现代有轨电车无线通信系统方案

TD-LTE在我国已开通超过50万个基站，覆盖大多数城市。郑州地铁LTE系统承载PIS和车载CCTV(闭路电视)视频流实时传输，10 MHz频宽下可支持上行6 Mbit/s、下行8 Mbit/s的并发业务。乌鲁木齐市轨道交通(在建)采用1.8 GHz频段20 M带宽承载CBTC(基于通信的列车控制)、PIS等无线通信业务。

表2 LTE、McWiL®与TETRA技术参数及性能比较

现代有轨电车对安全运营生产业务的需求不断增多，对车地通信功能和性能要求不断提升，基于TD-LTE的技术优势、应用业绩及新的规范要求，本工程设计基于LTE系统实现车地之间的实时信息交换，为现代有轨电车调度和相关业务提供无线通信、数据传输及语音集群调度等服务。

3.1 系统方案

3.1.1 总体方案设计

成都市现代有轨电车工程线路呈Y型布局，线路全长约39.0 km，设车站46座(其中高架站1座)。全线设定修段1处，停车场2处。该工程基于TD-LTE设计的无线通信系统，承载集群、CBTC、PIS(含车载CCTV)等业务。无线集群调度覆盖范围为：正线全线(含车站、变电所等)、车辆段(场)内室外部分和各库内区域，以及场段内的综合管廊内部空间。无线通信车地系统通过BBU(基带处理单元)+RRU(射频单元)的组网方式，采用定向天线，实现对线路区间、车辆段、库内区域和场段内综合管廊内部空间等区域的全覆盖。

3.1.2 系统组成

本工程TD-LTE车地无线宽带系统平台的系统架构，由核心网络层、无线汇聚层和接入层组成，如图1所示。

在控制中心机房布置核心网设备，其与中心服务器、视频服务器通过以太网交换机接口，接收视频信息，将相关信息通过TD-LTE无线网络传输到列车上。核心网设备包括LTE核心网、LTE网管、调度服务器、调度台、录音服务器、CCTV地面服务器、PIS地面服务器等。

无线汇聚层负责沿线LTE网络覆盖，包含BBU和RRU，覆盖站台周边区域。BBU设在变电所；RRU采用2通道射频单元，针对轨道交通线路进行无缝网络覆盖。沿线轨道交通区间和停车场部署TD-LTE分布式基站的RRU。RRU通过光纤链路远程与BBU连接。停车场因区域面积大、纵列车线多，采用板状定向天线方案覆盖。

接入层包含车载子系统和集群手持终端。车载子系统由车载终端、车载天线、车载交换机和合路器等主设备组成。在每列车的车头、车尾各设置 1 套车载终端(车载台或接收终端)，分别用于列车的调度和数据通信。车载合路器与车载终端共用车载天线，实现语音集群功能。其中，车载终端通过车载交换机与车载控制器和LCD(液晶显示)控制器相连，接收由控制中心提供的实时视频信息，并向控制中心发送实时的车厢监控信息。车头车尾两台车载终端构成主备关系，主备终端之间通过心跳协商工作，向车内PIS设备的网关提供连接服务。车载系统结构如图2所示。

图2 车载系统结构图

3.2 系统功能要求

本工程的TD-LTE系统可实现车地之间的实时信息交换功能，提供无线通信、数据传输及语音集群调度等服务，并实现系统自检、校时、数据通信、语音集群调度、特殊位置提示、车辆行驶监视、紧急报警处理、音视频传输、报警联动、数据安全、断电保护等功能。

3.2.1 通话功能

系统的无线集群调度利用灵活的编组功能，把整个专用无线通信系统划分成行车调度无线通信子系统、车辆段无线通信子系统、维修调度无线通信子系统、防灾调度无线通信子系统、停车场无线通信子系统。行车调度员与列车司机之间的通话具有最高优先级，通信时刻保持连续，不会有任何中断，系统保证其具有高可靠性，并且具有强插和强拆功能。

3.2.2 数据业务承载

系统具备完善的数据业务承载功能，安全可靠性高，可实现移动终端之间、移动终端和固定用户之间的状态信息、短信、调度信息、PIS信息、图像监控信息等数据业务的传输。其中，数据传输功能包括终端和终端之间、终端和调度台之间的双向中文短数据收发，要求接收方收到数据后立即回复确认消息；状态消息功能应使集群系统中终端和终端、终端与调度员之间能简单且可靠地传输数字编码格式的信息。此外，本系统可通过调度服务器利用信号系统接口接收和处理列车位置信息。

3.2.3 PIS

PIS业务主要提供乘车须知、列车服务时间、列车到站时间、管理者公告等运营信息，以及媒体新闻、赛事直播、广告信息等。PIS业务传输的图像分为标清或高清的视频，传输速率为下行2～8 Mbit/s，采用组播技术极大节省空口带宽资源。PIS服务器通过交换机、路由器与LTE的核心网对接，车载PIS 控制主机通过车载交换机与车载终端对接，实现地面视频或图像信息通过广播或者组播传输到车厢内进行播放。

3.2.4 视频监控信息

控制中心CCTV服务器通过交换机、路由器与LTE的核心网对接，车载PIS 控制主机通过车载交换机与车载终端对接，实现列车驾驶室、列车车厢的视频监控图像通过无线方式实时传输到控制中心或地面监控站。每路监控视频传输速率至少2 Mbit/s ，保证上传1路监控视频，以进行集中监控。

3.2.5 系统安全和质量保证措施

系统实现上述无线通信、数据传输及语音集群调度等主要功能，同时实现PIS和1路车载视频传输业务；利用专用无线通信完成包括系统自检、校时、数据通信、语音集群调度、特殊位置提示、车辆行驶监视等功能。系统采取端到端加密和高度完整性保护实现不同应用间安全保证，提供高保密度无线宽带数据通信服务。系统的网络安全包依据3GPP LTE网络安全标准，包括网络接入安全、网络域安全、用户域安全等。其中入侵测试通过收集和分析网络行为、安全日志、审计数据、其它网络上可获得的信息以及计算机系统中若干关键点的信息，检查网络或系统中是否存在违反安全策略的行为和被攻击的迹象。在控制中心设置一套防病毒设备。

不同应用间的业务质量保证基于系统实现9个QoS分类级别(QCI)，根据QCI进行资源分配和调度，其中优先级越高者优先保障资源分配和调度。系统可以根据不同业务的QoS要求，进行不同的QoS参数配置，并映射到不同的QCI上，以保障不同业务的优先级别。最终，利用无线宽带系统实现车地之间的实时信息交换功能，为有轨电车调度和相关业务提供无线通信、数据传输及语音集群调度等服务，同时实现包括系统自检、校时、数据通信、语音集群调度、特殊位置提示、车辆行驶监视、紧急报警处理、音视频传输、报警联动、数据安全、断电保护等功能。

3.3 系统功能实现

行车调度、车辆状态监测、车载监控系统对数据实时性以及视频图像的播放质量要求高。LTE网络选择专用频段，同时利用专有抗干扰技术，来降低其他无线信号对车地通信网络的影响。系统采用冗余覆盖，每个RRU带2个天线，分别覆盖线路的两侧，整个线路区间全部由2个RRU信号进行覆盖，以保证网络的可靠性。现代有轨电车车站距离较近(1 km左右)，全线环境以地面居多、有少量高架段，采用天线覆盖的方式。冗余覆盖如图3所示。覆盖站点按照覆盖区域选点分布，如图4所示。

图3 TD-LTE网络冗余覆盖

△为车站，∘为RRU站点

4 结语

本文根据现代有轨电车运营需求和功能要求，结合现有无线通信技术，比较分析主流无线通信方式的优势及不足，并以成都市现代有轨电车工程为例，提出适合现代有轨电车运营需求的基于TD-LTE专用无线通信系统方案。该方案的专用无线通信业务承载了专业语音集群、视频数据传输、车载PIS等信息，可作为现代有轨电车专用无线通信的有效解决方案。该方案已在成都市现代有轨电车项目中实施，实现了调度语音、行车数据、故障信息传输，为现代有轨电车高效、安全运营提供了技术保障。本文提出的方案也可为类似现代有轨电车工程提供借鉴和参考。