基于TD-LTE制式的北京市轨道交通车地宽带无线通信系统工程建设规范化研究

陈伟 周竹青 卫瑞东

(1.中铁通信信号勘测设计院有限公司,北京 100000;2.北京轨道交通路网管理有限公司,北京 100000)

0 引言

近年来北京市轨道交通建设得到迅速发展，截至2017年12月31日，北京市轨道交通路网共有运营线路22条，运营车站370座，运营总里程达到608公里[1]。

随着城市轨道交通的不断发展，其安全性、舒适性和高效性得到社会的普遍关注，现代化的轨道交通需要与之相适应的现代化通信系统来保证正常的运营服务。尤其是近几年，多个城市对市域轨道交通进行了规划。这类线路具有超高速（时速均在120km/h以上，部分线路规划时速在160km/h以上）、线路长而且站间距大等显著特点。

同时，由于传统城市轨道交通车地无线通信系统所采用的基于IEEE 802.11系列标准的WLAN制式由于自身的技术限制，无法满足这些超高速市域轨道交通的运营需求。因此，既能承载低时延的控制信息又能承载大带宽的多媒体信息，既适应运输效率、保证行车安全、提高现代化管理水平和传递语音、数据、图像等各种信息的需要，又做到系统可靠、功能合理、设备成熟、技术先进、经济实用，是当前车地无线通信系统技术升级的新载体。

1 北京市轨道交通车地无线通信系统现状分析

1.1 车地无线通信技术制式现状

目前北京市轨道交通的1号线、2号线、13号线以及八通线等四条线路车地通信采用了DVB-T技术，而其他线路车地通信采用了基于IEEE 802.11系列协议族的WLAN技术。下列图表描述了既有运营各线路车地通信组网制式以及相应的网络带宽，如表1所示。

1.2 车地无线通信业务承载现状

图1 北京市轨道交通车地无线业务承载现状图[2]

目前大部分北京市已运营线路车地无线通信所承载车载视频上传、PIS信息下发等功能尚不完善、未达到系统建设初衷，如图1所示。

表1 北京市轨道交通车地无线通信组网制式表[2]

2 北京市轨道交通车地宽带无线通信系统研究

2.1 业务承载及带宽需求（表2）

表2 北京市轨道交通车地宽带无线通信业务承载及带宽需求表

2.2 组网规划

北京市轨道交通车地宽带无线通信系统依据承载业务需求及使用的频段规划如下：

A网：工作于1.8G授权频段（1785MHz-1805MHz）。A网可承载列车控制、视频监视、列车乘客信息、列车运行状态信息以及无线调度电话、列车中心广播、列车乘客紧急对讲等业务。

B网：工作于1.8G授权频段（1785MHz-1790MHz）。B网可承载列车控制信息，同时B网的接入层可作为无线调度电话、列车中心广播等关键业务的备份接入。

C网：工作于5.8G非授权频段网络（5725MHz-5850MHz）。C网仅承载视频监视、列车乘客信息等非关键生产业务。

D网：工作于5.1G非授权频段网络（5150MHz-5350MHz）或2.4G非授权频段网络（2400MHz-2483MHz）。D网可承载轨道交通信息化类及服务类等非关键业务，其中2.4G非授权频段须为线路未使用的该频段或信号业务清退后的该频段。

A、B、C及D网络频率应完全独立，互不影响，如图2所示。

图2 北京市轨道交通车地宽带无线通信系统频段规划图

2.3 总体架构

北京市轨道交通车地宽带无线通信系统总体网络架构由中心层、接入层、终端层三层组成。

中心层主要完成列车控制、列车视频监视、列车乘客信息、列车运行状态以及无线调度电话、列车中心广播、列车乘客紧急对讲等业务的处理，实现网络管理及存储等功能。

接入层主要完成网络无线接入侧的信号收发处理，支持通过射频系统（天线/漏缆/波导管）进行无线覆盖。

终端层主要实现无线数据收发处理及各车载设备业务数据的交互。

3 基于LTE制式车地宽带无线通信系统工程建设规范化研究

LTE技术是3GPP（第三代合作伙伴计划）组织制定的通用移动通信系统技术标准的长期演进，具有高带宽、低时延、抗干扰等特点。在20M带宽组网的情况下，下行峰值速率为100Mbit/s，上行为50Mbit/s。频谱分配灵活，可支持多种带宽分配（支持5MHz/10MHz/15MHz/20MHz多种频宽）。

LTE技术与WLAN技术关键性能分析如表3所示。

表3 LTE技术与WLAN技术关键性能对比表

LTE技术与现有的WLAN技术相比具有明显优势。目前，在我国地铁建设中，开始逐步引入LTE技术实现车地无线通信。2013年底郑州1号线、2017年底北京燕房线顺利开通，都是我国在车地无线车地通信中应用LTE技术的成功尝试。

3.1 频率规划原则

LTE网络根据线路建设情况和场景可设置为单网或双网（A网、B网）。

（1）单网络（A网）规划（表4）。

表4 单网频率规划表（A网）

表5 双网频率规划表（A网/B网）

（2）双网络（A网/B网）规划（表5）。

3.2 系统建设原则

中心层设备主要包括归属签约用户服务器、核心网设备、IEEE 1588V2时钟同步服务器、中心汇聚交换机、网间互联路由器、信号接入路由器、列控业务数据存储服务器、调度信息服务器以及网管设备等。

表6 车载TAU配置和承载业务表

接入层设备主要包括基站BBU设备、基站RRU设备、天馈系统（含合路器、漏泄同轴电缆和天线）、防雷器等组成。

TD-LTE系统支持具有严格服务质量（QoS）保证的数据、语音、图像、视频等多媒体业务，支持端到端QoS保证。

终端层设备主要包括手持终端和车载TAU，其中车载TAU配置和承载业务如表6所示。

4 总结及展望

车地无线通信系统是对城市轨道交通的指挥调度、行车组织过程进行记录的主要手段，是城市轨道交通正常运行中不可或缺的关键系统，在突发时间下对监督、调度、指挥、通讯等提供了重要的工作依据。因此，城市轨道交通车地无线通信系统要求具有较高的稳定性和可靠性。

随着国内城市轨道交通的规划和发展，车地无线通信系统未来将会向着高带宽、多功能、智能化的方向发展。因此，充分利用LTE技术高带宽、低时延、抗干扰的特点，将LTE技术引入城市轨道交通车地无线通信系统，进行数据类和语音类业务综合承载，提高城市轨道交通运输的服务质量，提升乘客服务体验将是车地无线通信系统发展的大势所趋。目前，在我国新建地铁项目中，开始逐步引入LTE技术实现车地无线通信。2013年底郑州1号线、2017年底北京燕房线顺利开通，都是我国在车地无线车地通信中应用LTE技术的成功尝试。