基于TD-LTE的市域快速轨道交通无线综合通信网方案研究

刘晓庆

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510010）

0 引言

市域快速轨道交通（简称市域快轨）是一种主要服务于城市郊区和周边新城、城镇与中心城区联系，并具有通勤客运服务功能的中、长距离的大运量城市轨道交通系统。目前，北京、广州、成都、福州等城市均将160 km/h运行速度的市域快轨线路加入到城市轨道交通线网建设中，传统的无线局域网（WLAN）技术已无法满足列车高速行驶时的数据传输质量要求，因此对列车高速运行下的轨道交通无线综合通信网建设提出了更高的运营安全要求。如何将无线综合通信网的新技术应用于城市轨道交通的无线集群系统、乘客信息系统（PIS）、信号系统、列车视频和车辆状态信息监控系统等建设中，如何更加合理地利用有限的无线频率资源，进一步降低工程建设成本，营造高效、舒适、便捷的城市轨道交通体系，以满足人们不断增长的出行需求，已成为城市轨道交通领域中令人关注的重点问题。

1 需求分析

市域快轨无线通信网络的主要承载业务包括无线集群系统、PIS、信号系统、列车视频和车辆状态信息监控系统等。地下区间各系统的业务带宽需求见表1，高架区间各系统的业务带宽需求见表2。

在各种业务承载要求中，尽管信号专业所需业务带宽不大，但由于信号系统涉及到行车安全，为充分考虑网络可靠性，明确要求采用双网冗余架构。

无线视频调度主要用于视频采集、视频回传以及视频分发，为相关调度人员提供一线的视频或图像，业务需求为双向。视频业务一般采用组播方式，1 Mb/s能够满足最低需求，在视频采集场景复杂时需要2 Mb/s。

表1 地下区间各系统的业务带宽需求

表2 高架区间各系统的业务带宽需求

PIS地面至车上的业务基本需要包括1路MPEG-2的视频以及有关信息发布的文本信息，8 Mb/s能够满足最低要求。

以广州地铁运营管理需求为例，列车视频要求具备实时上传不少于2路720P高清图像的能力，每路图像的最少码流不低于4M，即需要不小于8M码流的承载能力，在实际网络承载能力不足时，上传图像仍然采用标清制式（高清转标清），即2M码流为最低要求。

在地下区间，按平均1列列车处于1个小区的情况考虑。列车基本业务需求为：基于通信的列车自动控制系统（CBTC）、列车在线监测、司机1路视频调度、语音集群、1路高清车载视频（上传控制中心）、1路视频直播（控制中心下传至列车）。

在高架区间，按平均1列列车处于1个小区的情况考虑。此时单列车基本业务需求为：CBTC、列车在线监测、司机1路视频调度、语音集群、1路高清车载视频（上传控制中心）。

2 制式选择

在目前我国城市轨道交通建设中，车地无线通信系统采用的主要技术为802.11系列WLAN技术[1]。而WLAN理论上只适用于低速环境（小于80～120 km/h），随着列车运行速度的提升，传输数据的切换失败率也大幅提高[2]，系统易丢包，造成视频画面停滞或马赛克[3]；WLAN仅能实现标清信号的传输，暂不满足高清的要求[4]；WLAN工作频段是2.4G，属于开放频段，外界干扰源多，对运营安全要求较高的无线传输系统会导致传输中断，进而影响车辆的正常运行[5]。如深圳地铁2号线、5号线曾因外界无线信号干扰，导致列车多次出现紧急制动，造成列车晚点，大量旅客滞留，产生了不良的社会影响[6]。

TD-LTE是国际标准化的移动通信技术[7]，TD-LTE通信系统特点如下：

（1）传输带宽高，可满足多路实时视频流下发及视频监控数据回传需求，20 MHz频段组网，下行峰值可达50 Mb/s，终端处于小区边缘时仍可实现30 Mb/s高带宽能力。

（2）T D-L T E具备强接入性，可保证高速移动时的无线数据质量，理论上支持500 km/h的移动速度，可满足列车高速行驶下的数据传输[8]。

（3）在可靠性保障方面，具备系统级冗余、设备级冗余和单板级冗余，以提高网络的可靠性。

（4）抗干扰能力强。使用行业专用频段，系统外干扰少。并采用小区间干扰协调等抗干扰技术，降低系统内部干扰，最大限度降低因频率干扰带来的系统稳定性、业务带宽的损失。

（5）业务可扩展性好，TDLTE作为综合性宽带无线网络平台，可满足PIS、车载视频监控等各种类型数据的传输，各种业务通过完善的服务质量（QoS）机制实现精细化的业务优先级管理，打造良好的业务扩展能力，完全支持集群调度通信。

（6）针对车地无线通信网络应用的新需求，TD-LTE技术不但支持传输语音、低速数据等窄带业务，也支持无线视频传输等宽带业务[9]。

考虑到市域快轨的运行速度为120～160 km/h，并参考郑州地铁1号线等采用TD-LTE技术组建车地无线通信网络的实际使用效果，该技术能满足运营安全要求，同时可满足乘客对获得综合、实时信息的需求，如运营服务信息、公共资讯信息、新闻娱乐信息，以及地铁事故时应急疏散的声音、图像引导等[10]。因此，为了提升市域快轨的安全性和舒适性，有必要利用1 785～1 805 MHz专用频段组建高安全、高性能、抗干扰的TD-LTE市域快轨无线综合通信网。

3 系统方案

3.1 系统组网方案

基于对市域快轨车地无线传输业务的需求分析，以广州地铁18号线为研究背景，可实现TD-LTE无线信息传输网络系统的组网方案有以下3种：

（1）通信信号业务建设TD-LTE综合承载网络。建设1套硬件完全冗余的TD-LTE综合承载网络，考虑到信号CBTC系统对无线数据的可靠性、安全性要求更高，必须采用双网冗余的设置方式，建议由信号专业对综合承载网络进行建设，为通信专业的相关业务需求配置无线数据传输通道。TD-LTE双网综合承载传输网络示意见图1。

优点：该方案可降低TD-LTE车地无线信息传输网络的整体造价，实现资源的整合和充分利用，满足信号系统对车地无线数据传输的可靠性和安全性要求，节约频带资源的使用宽度。双网之间可应用MIMO技术，进一步提高信息传输效率。

缺点：信号系统与通信系统在无线数据传输系统增加了接口，同时系统的涵盖范围远大于信号系统常规覆盖的行车区域。

（2）通信信号业务独立建设单网，由通信专业为信号专业提供冗余通道。通信信号专业各自建设1套TD-LTE硬件传输网络，通信专业单网承载无线调度业务和列车运行紧急数据业务。考虑到信号CBTC系统对无线数据的可靠性、安全性要求更高，必须采用双网冗余的设置方式，则由通信专业为信号专业配置冗余无线数据传输通道，以满足信号系统冗余需求。TD-LTE双网冗余传输网络示意见图2。

优点：该方案同样可降低TD-LTE车地无线信息传输网络的整体造价，实现资源的整合和充分利用，技术上满足信号系统对车地无线数据传输的要求，节约频带资源的使用宽度。

缺点：信号系统与通信系统在无线数据传输系统增加了接口，同时信号系统冗余通道的可靠性和安全性需要由通信系统保障。

图1 TD-LTE双网综合承载传输网络示意图

（3）通信专业独立建设单网，信号专业独立建设冗余双网。通信专业独立建设1套TD-LTE硬件传输网络设备，承载无线调度业务和列车运行紧急数据业务。考虑到信号CBTC系统对无线数据的可靠性、安全性要求更高，必须采用双网冗余的设置方式，信号专业独立建设1套冗余无线数据传输网络设备。TD-LTE三网冗余承载传输网络示意见图3。

优点：该方案中通信、信号2个系统在无线信息传输系统上完全独立，工程安装、调试以及后期的设备维护都相对独立，降低了专业之间的依赖，在管理上更为便利。

缺点：增加了工程建设的成本，增加了无线频带资源的使用宽度。

为了满足以上3 种方案的建设和使用需求，同时因1 765～1 785 MHz为中国电信的FDD-LTE上行频段，1 805～1 830 MHz为中国移动的DCS下行频段，考虑系统之间的影响应降至最小，建议在市域快轨工程中，采用地下段按10 MHz+3 MHz、高架区间及地面区间按5 MHz+3 MHz的双网方式组建无线综合通信网，承载各专业的无线语音、数据和视频业务。

3.2 网络构成方案

基于TD-LTE技术的市域快轨无线综合通信网系统的网络构成包括：无线核心网服务器、基站（BBU）、轨旁无线设备（RRU）、无线车载终端（TAU）及漏缆、天线等（见图4）。根据市域快轨的运输特点，无线综合通信网BBU按正线车站、车辆段、停车场等为单位进行设置，其无线核心网设备放置在控制中心机房内。

3.3 无线信号覆盖方案

市域快轨无线综合通信网的无线场强覆盖范围包括全线各车站的站厅、出入口、设备区、站台、地下隧道区间、高架区间，以及车辆段和停车场区域，可采用如下方式进行场强覆盖：

图2 TD-LTE双网冗余传输网络示意图

图3 TD-LTE三网冗余承载传输网络示意图

图4 网络构成示意图

（1）区间线路采用RRU+漏缆辐射方式进行场强覆盖（见图5），并可通过对无线参数优化、增强TD-LTE信号强度、利用车辆的屏蔽作用等措施降低无线干扰[11]。

（2）车站、车辆段、停车场采用RRU+室内全向天线覆盖（见图6）。

图5 区间无线信号覆盖方式

图6 车站、车辆段、停车场无线信号覆盖方式

4 结束语

市域快轨对建设基于TD-LTE技术的无线综合通信网的需求十分迫切。在此，重点对业务需求分析、系统组网方案比选、无线信号覆盖方案等进行研究，结合TD-LTE公网和行业专网的频段分析，提出采用1 785～1 805 MHz频段进行建设，可更加有效地解决专用频率资源问题，还可大大减少工程投资。