杭州地铁4号线T D-L T E网络建设

邵唐红， 谢锡荣

(杭州市地铁集团有限责任公司， 杭州 300017)

杭州地铁4号线T D-L T E网络建设

邵唐红， 谢锡荣

(杭州市地铁集团有限责任公司， 杭州 300017)

2014年杭州地铁4号线率先在业内通过轨道交通乘客信息系统(PIS)招标，使用车-地无线通信(TD-LTE)技术建设车地无线专网，用以承载PIS视频直播和车载视频监控业务。本文简述该项目的建设情况以及实际测试结果，在网络建设时，正线采用1785～1805 MHz的20 MHz频率进行组网，上下行子帧配比设置为2 ∶2，并与800 M TETRA数字集群通信系统共用漏缆。经过测试，各项指标符合设计要求，完全可以满足PIS业务承载需求。2015年7月，杭州地铁首次在全国范围内完成了基于已开通运营线路的轨道交通车辆综合通信系统(LTE-M)综合业务承载测试。通过测试验证3、5、10 MHz以及15 MHz等多个不同频宽下的业务承载能力，为杭州地铁后续线路列车自动控制(CBTC)系统业务的承载提供参考依据。

杭州地铁； 轨道交通乘客信息系统(PIS)； 车-地无线通信(TD-LTE)； 带宽； 视频直播； 视频监控

1 地铁PIS系统车地通信业务需求

乘客信息系统 (PIS) 分为控制中心、车站、车载、网络、广告管理等子系统[1]。地铁设计规范规定，乘客信息系统的“无线网络视频监控图像应通过无线的方式实时远程传输到地面以满足列车高速运行时的无缝切换”。杭州地铁各线的PIS系统无线网络部分至少需要承担以下业务。

导师简介: 谢锡荣，男，高级工程师，城市轨道交通装备技术规范专家审核组成员，机电部副部长。

1.1 IMS视频监控业务

IMS(轨道交通综合监控系统)视频监控是指将列车驾驶室和客室车厢内的控制中心或地面监控站，进行集中监控。

1.2 PIS视频直播业务

PIS视频业务是指实时地由地面将视频或图像服务及广告等信息，通过广播或者组播传输到列车客室车厢内播放。

1.3 列车紧急文本下发业务

列车紧急文本是指控制中心(OCC)通过地面PIS服务器传送给车载PIS终端，提示乘客的信息。

2 地铁CBTC系统车地通信业务需求

基于通信的列车控制(CBTC)是目前应用于城市轨道交通信号控制领域最先进的技术，2004年以来，国内轨道交通的新线建设和旧线改造基本采用CBTC系统[2]。

地铁CBTC系统地面设备对列车传输的信息包括：移动授权、限速信息、列车识别号、运营调整指令等信息。在CBTC系统中，通信的一方是高速移动中的车载无线设备，无线传输受多径衰落、传播损耗、阴影衰落和多普勒频移的影响，使通信性能下降，同时列车高速运行对数据传输的实时性、可靠性提出了更高的要求[3]。

列车对信号系统地面设备传输的信息包括：列车车组号、站台门开/关命令、本列车的定位信息、本列车的速度信息等。无线通信系统需为信号列控CBTC提供实时、双向、双网双通道冗余、A/B网冗余保护的车地无线信息传输通道。

2.1 列车运行控制业务

列车运行控制业务根据列车在轨道线路上运行的客观条件和实际情况，对列车运行速度及制动方式等状态进行监督、控制和调整。

2.2 列车运行状态监测业务

列车运行状态监测业务是指列车运行状态实时监测系统，它主要是将传感器采集到的列车车辆、牵引制动等关键设备及运行参数实时传送到地面监测中心[4]。

3 现状分析

3.1 车地通信建设情况

目前，中国城市轨道交通大多采用(无线局域网)WALN技术，作为地铁两大系统CBTC和PIS的车地无线传输，WLAN使用的是公共频段，易被干扰。随着智能手机的高度普及，Wi-Fi热点、蓝牙都成为智能手机的标配功能，从而对使用WLAN建设的车地无线专网带来诸多隐患。此前，国内南方某城市地铁就出现过乘客手机使用WLAN上网时，干扰了CBTC的车地无线系统，导致正在运行的列车非正常停车。

3.2 杭州地铁车地通信使用情况

杭州自2007开始建设地铁1号线以来，目前共有3条线建成运营，CBTC数据传输、CCTV(视频监控信号系统)上传业务都在地铁运营中正常使用。PIS视频源从华数电视台传到地铁线网控制中心，并最终在各条线列车上实时播放。目前，从业务需求的角度来看，CBTC信号系统带宽需求为100 kbit/s，PIS系统中的下行流带宽需求为10 Mbit/s[5]。该业务一直为广告运营商所关注，自开通以来，直播效果良好，为地铁资源开发取得了良好的经济效益。地铁4号线采用LTE(无线通信)技术后，车载CCTV视频监控已实现同一列车同时上传9路图像的效果。表1是杭州地铁3条运营线路的车地无线使用情况。

表1 杭州地铁车地无线系统应用情况

4 LTE技术

LTE系统引入了OFDM(正交频分复用)和MIMO(多输入多输出)等关键传输技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率(20 MHz带宽下行峰值速率为100 Mbit/s，上行为50 Mbit/s)，并支持多种带宽分配(1.4、3、5、10、15、20 MHz等)。LTE系统网络架构更趋扁平化、简单化，减少了网络节点和系统复杂度，从而减小了系统时延，也降低了网络部署和维护成本。

LTE系统具有高带宽、高移动性、长区间覆盖、高扩展性等特点，运行于电信运营商级的架构及设备，可解决既有无线系统存在的不稳定、移动性差等问题，提供了一套满足地铁运营需求的高带宽、无缝漫游的车地无线网络系统[6]。

自从国内有城市发生乘客使用WLAN设备，导致正在运行的列车非正常停车事件后，杭州市地铁集团和浙江省、杭州市委一起研究了关于CBTC信号的车地无线是否可以使用专用频段的问题。

2014年杭州地铁集团决定先利用LTE技术在PIS系统中使用，验证后再考虑在CBTC上使用。在设计院和主要设备厂家的大力配合下，在业内率先启动利用LTE技术的PIS系统招标，与800 M专用无线集群合用漏缆，并从浙江省委申请到专用1.8 GHz频段。该系统于2014年11月建成投入试运营，使用至今一直相当稳定、效果良好。

2015年7月，全国首个完成在线运营线路LTE-M(轨道交通车地通信系统)的综合承载测试。在刚刚开通的杭州地铁4号线PIS系统LTE承载CBTC(单网A网)暨多业务承载(PIS+CCTV+TIMS)测试，测试达到预期目标。

图1 控制中心子系统构成Fig.1 Sub-system structure of control center

2015年，工业与信息化部发布[2015]65号文件“关于重新发布1 785～1 805 MHz频段无线接入系统频率使用事宜的通知”，明确1 785～1 805 MHz频段使用事宜是为“满足交通(城市轨道交通等)、电力、石油等行业专用通信网和公众通信网的应用需求”。

5 建设方案

LTE车-地无线通信系统由图1所示的控制中心子系统中的核心网、车站子系统中的基站(采用分布式基站，由BBU+RRU组成)以及车载子系统中的TAU和车载天线等组成。

TD-LTE技术是TDD(时分复用)版本的LTE技术，也是中国拥有自主知识产权的4G国际通信标准技术[7]。TD-LTE应用网络架构图，除了传输、电源接地基础系统外，整个应用系统分为3个子系统，依场所设置以下子系统。

5.1 控制中心子系统

控制中心子系统放置各专用系统的中心设备，包括车地无信通信TD-LTE核心网EPC、CCTV控制中心、PIS系统。核心网采用小型化配置，标准19英寸设备。其中，TD-LTE核心网EPC向上与各类业务控制平台CCTV中心、PIS系统等连接。

5.2 车站子系统

车站子系统主要放置TD-LTE基站设备，包括BBU、RRU、天线等。基站设备可以实现本车站的站内覆盖，也可以通过泄露电缆对区间线路进行覆盖，并可通过RRU实现拉远覆盖。

5.3 车载子系统

TD-LTE车载终端TAU部署在列车编组的前后司机室内，TAU天线安装在司机车厢顶部外侧，并尽量与泄漏保持视距，TAU通过以太网接口与车内交换机连接，实现TAU与车内数据业务的信息交互；车内采用以太网组网，各车厢间通过车载交换机互联。

车厢内的视频监控信号、列车状态信息通过TAU经LTE上行回传到控制中心，PIS的实时流媒体信息则通过TAU经LTE下行传送到客室内的LCD播放控制器上[8]。

5.4 工程实施

1) 考虑地铁区间空间有限，结合漏缆指标计算，决定与800 M无线集群系统共用漏缆。同时结合两个系统射频参数，根据隔离需求定制合路器。

2) 停车场属于公共开放空间，民用通信运营商事先已经有宏蜂窝基站存在，由于1 805 MHz与移动DCS邻频，考虑频率隔离，采用1 785～1 800 MHz的15 MHz频率进行组网。

3) 正线区间属于地铁自有封闭空间，民用通信覆盖应服从地铁建设，由于1 805 MHz与移动DCS邻频，考虑频率隔离，建议民用通信DCS1 800 MHz网络只覆盖4号线的站厅层，不再覆盖站台层和隧道区间，故LTE采用1 785～1 805 MHz的20 MHz频率进行组网。

4) 地铁视频列车上直播业务，要求标清或准高清即可，传输速率一般在2～8 Mbit/s，此为下行传输，列车上的视频监控图像上传到控制中心或地面监控站，一般要求至少2路，最好能达到4路，每路传输速率一般在1～2 Mbit/s，此为上行传输。考虑到上下线业务基本均衡，故上下行子帧配比为2 ∶2。

6 PIS系统车地无线测试结果

6.1 测试工具

笔记本电脑1台，车载TAU及其附件1套,文件传输协议FTP、Iperf、DU Meter软件各1套。

6.2 测试方法

1) 笔记本电脑安装FTP客户端，用网线连接车载交换机； 2) 设置IP地址，并能ping通地面模拟的PIS服务器； 3) 服务器上开启FTP服务端程序及Iperf软件； 4) 在笔记本上用开启FTP客户端，开启10个线程上传文件，服务器侧用Iperf软件对笔记本地址进行3线程的灌包，笔记本上用DU Meter软件记录实时的上下行带宽。

6.3 测试数据(1 785～1 805 MHz频段20 MHz)

1) FTP上传测试数据(上行区间)，见表2。

表2 FTP上行区间速率

2)FTP上传测试数据(下行区间)，见表3。

表3 FTP下行区间速率

3) IPERF灌包下载测试数据(上行区间)，见表4。

4) IPERF灌包下载测试数据(下行区间)，见表5。

6.4 业务承载需求[9]

1) PIS视频直播：为标清或准高清，传输速率一般在2～8 Mbit/s。

表4 IPERF上行区间速率

表5 IPEPF下行区间速率

2) 车载CCTV：每路传输速率为1Mbit/s，一般要求同时长传2路，最好能达到4路。

6.5 测试结果分析

通过分析5.3节FTP上传测试数据可知，上行可以承载的最小带宽基本都在7 Mbit/s以上，平均上传带宽基本都在10 Mbit/s以上，满足4路车载CCTV上传的需求。

通过分析5.3节IPERF灌包下载测试可知，下行可以承载的最小带宽基本都在10 Mbit/s以上，平均下行传输带宽都在25 Mbit/s以上，完全能够满足下行PIS视频流传输的需要，并且还有很大的带宽冗余。

7 综合承载试验

2015年7月在杭州地铁4号线PIS系统LTE上进行了多业务承载(PIS+CCTV+CBTC)试验，这是全国首个完成在线运营线路LTE-M的综合承载测试。总体结论如下：

1) 在3 MHz频率下，LTE具备承载单一CBTC业务能力；

2) 在5 MHz频率下，LTE不具备综合承载CBTC及目前状态情况下的PIS及CCTV能力；

3) 在10 MHz频率下，LTE具备综合承载CBTC、PIS及4路CCTV能力(PIS为3 Mbit/s码流，CCTV为1 Mbit/s)；

4) 在15 MHz频率下，LTE具备综合承载CBTC、高清PIS及6路CCTV能力(PIS为6 Mbit/s码流，CCTV为1 Mbit/s)。

8 结语

综上所述，LTE技术在城市轨道交通中是可以正常使用的，且能良好满足系统业务需求。设计时需要考虑合路器定制，以及在时隙配比上需要根据业务的需求做出合理规划。杭州市规划的后续轨道交通线路信号系统的CBTC系统都将采用1.8 GHz的LTE专用频段，但在LTE上的频率申请、规划业务、地铁频率资源分配和设备技术选择是一项新课题和新技术，尤其在频率申请上要求详细计算和规划，做到频段与其他行业频率复用；在综合承载业务上一定要与运营管理及资源开放模式相结合，不建议盲目整合。

[1] 地铁设计规范：GB 50157―2013[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

Code for design of metro： GB 50157―2013[S].Beijing： China Architecture & Building Press， 2014.

[2] 郜春海.自主创新CBTC系统的核心技术研究[J].现代城市轨道交通，2014 (1)：7-10.

GAO Chunhai.Study on core technologies for independent innovation CBTC[J].Modern urban transit， 2014(1)： 7-10.[3] 吴海峰，赵红礼.地铁CBTC系统的无线测试[J].都市快轨交通，2010，23(2)：97-98.

WU Haifeng， ZHAO Hongli.Radio test of CBTC system on Beijing subway[J].Urban rapid rail transit， 2010， 23(2)： 97-98.

[4] 城市轨道交通装备技术规范：CZJS/T 0061—2016[S].北京，2016.

Technical specification for urban rail transit equipment： CZJS/T 0061—2016[S].Beijing, 2016.

[5] 陈鹏，李文明，严波.地铁车-地无线通信引入LTE后的干扰分析[J].都市快轨交通,2016，29(2):48-52.

CHEN Peng， LI Wenming， YAN Bo.Interference analysis of subway train-ground wireless system after introducing LTE[J].Urban rapid rail transit， 2016， 29(2)： 48-52.

[6] TD-LTE技术在城轨信号系统车-地通信中的应用分析[J].现代城市轨道交通，2015(6)：9-12.

Application analysis of TD-LTE technology in train-ground wireless communication for transit signaling system[J].Modern urban transit， 2015(6)： 9-12.

[7] 戴克平，张艳兵，朱力.基于LTE的城市轨道交通车地通信综合承载系统[J].都市快轨交通，2016，29(1)：69-74.

DAI Keping， ZHANG Yanbing， ZHU Li.An integrated LTE based urban rail train ground communication system[J].Urban rapid rail transit， 2016， 29(1)： 69-74.

[8] 杭州市地铁集团有限责任公司.杭州地铁4号线一期工程专用通信设计文件[A].杭州，2014 .

[9] 杭州市地铁集团有限责任公司.杭州地铁4号线一期工程专用通信测试文件[A].杭州，2015.

(编辑：郝京红)

Constructing TD-LTE Network for Hangzhou Metro Line 4

SHAO Tanghong, XIE Xirong

(Hangzhou Metro Group Co., Ltd., Hangzhou 300017)

The TD-LTE technology was employed in the wireless private network of Line 4 of Hangzhou Metro to provide PIS and CCTV services in 2014. The construction process and the application effects of the LTE system are elaborated. The upper and lower sub-frame ratio of the network was set to 2:2, which shared the leaky cable with the 800M TETRA digital trunking communication system. Tests indicated that the indicators conform to the design requirements and could fully meet the needs of PIS services. In July, 2015, Hangzhou Metro completed the LTE-M integrated service load test based on the routes in operation for the first time across the country. The test verified the service bearing capacity under different frequency widths (3, 5, 10 MHz and 15 MHz) and provided the references in terms of the LTE technology bearing CBTC for Hangzhou Metro. Keywords: Hangzhou Metro; PIS; TD-LTE; bandwidth; video broadcast; video monitoring

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.03.020

2017-04-05

2017-04-28

邵唐红，男，本科，工程硕士，高级工程师，从事通信系统建设管理工作，shaotanghong@hzmetro.com

U231

A

1672-6073(2017)03-0102-05