城市轨道交通无线通信网络的融合及其方案应用

燕 强

(中铁二院工程集团有限责任公司，610031，成都 ∥ 高级工程师)

城市轨道交通无线通信系统，从模拟技术发展到数字技术，从窄带通信发展到宽带通信，从承载集群语音通信起步发展到如今承载CBTC(基于通信的列车控制)、无线集群调度、PIS(乘客信息系统)、CCTV(视频监视)及车辆状态信息等多种系统的业务，真正实现了跨越式的发展。无线通信系统作为基础网络设施，随着我国城市轨道交通的发展而发展，跟着世界无线通信技术的演进而演进，在城市轨道交通快速发展中发挥着不可或缺的作用。

在智慧轨道交通的新形势下，云计算、大数据、物联网、人工智能、5G(第5代通信技术)等新兴信息与通信技术的发展，对无线通信系统提出了更高的要求。与此同时，无线通信系统建设也面临着系统制式陈旧、互联互通困难、网络架构封闭、数据带宽不足等诸多挑战，不适应交通强国战略实施、新基建建设、智慧轨道推进、城市轨道交通行业高质量发展和乘客高品质服务的需求。

1 发展现状

LTE(长期演进)技术已经在城市轨道交通行业推广多年，在城市轨道交通授权频段安全业务承载、宽窄带融合数据通信方面，取得了成功，也暴露出一些问题。本文对全国已开通运营或在建的、采用LTE网络的109条城市轨道交通线路无线通信网络建设情况进行分析，以对目前国内专用无线通信技术发展现状进行判断。

1.1 网络建设情况

1) 已运营线路。目前，在郑州、深圳、厦门及石家庄等十多座城市，27条已开通运营的地铁或轻轨无线通信系统陆续采用了LTE-M(LTE-Machine-to-Machine )承载业务(见表1)。其承载业务有承载CBTC业务、承载PIS&CCTV业务、承载CBTC+PIS&CCTV业务及承载集群调度业务等4类。

2) 新建线路。目前，国内82条在建线路的无线通信系统通过LTE-M系统来承载各类业务(见表2)。其承载业务有承载CBTC业务、承载PIS&CCTV业务、承载CBTC+集群调度业务、承载CBTC+PIS&CCTV业务、承载CBTC+PIS&CCTV+集群调度业务及承载集群调度+PIS&CCTV业务等6类。

表1 国内已开通线路的LTE网络承载业务统计表

表2 国内在建线路的LTE网络承载业务统计表

1.2 存在的问题

通过统计分析发现，在宽带移动通信技术快速发展的今天，城市轨道交通无线通信网络建设仍趋于保守，其网络承载业务单一，可扩展性弱，未考虑新技术、新业务的承载需求。主要体现在以下几个方面：

1) 窄带通信与宽带通信并存。经统计，在研究的109条地铁轻轨线路中，仅有21条线路采用了LTE宽带集群调度通信，其他线路仍采用TETRA( 陆上集群无线电)窄带数字集群。

2) LTE宽带无线通信频率利用率低，承载业务较少。经统计，在研究的109条地铁轻轨线路中， 54条线路仅承载CBTC业务，16条线路仅承载PIS业务，仅39条线路实现了综合承载。70%以上的线路申请频率为10 MHz及以下。除了综合承载之外，其他业务承载的主要覆盖范围为区间及站台，其频率资源未得到充分利用。

3) 网络带宽受限，采用多张网络满足车地无线通信需求。 经统计，在研究的109条地铁轻轨线路中，仅11条线路实现了CBTC、PIS&CCTV及集群调度的综合承载，其他线路大多在非授权频段另建了1张WLAN(无线局域网)及LTE-U(LTE-Unlicensed)来承载PIS&CCTV业务。如加上承载集群调度业务的TETRA系统，则有超过60%的线路建设了3张专用无线通信网络。

2 业务需求

城市轨道交通无线通信业务需求如图1所示。智慧轨道交通的大带宽、低延时等车地通信需求对无线通信提出了更高的要求。无线通信网不再业务单一，而是面向多业务综合承载的方向发展。无线通信系统主要传送行车安全相关信息和非行车安全的车地无线通信信息。行车安全相关信息包括无线集群调度信息、信号系统信息、车辆信息及车车通信信息等。非行车安全车地无线通信信息包括视频信息、物联网信息、人工智能信息及智慧车辆信息等。

3 无线通信网络的融合

3.1 宽窄带融合

语音集群调度通信不再采用单独建设的传统窄带制式，而采用宽带数字集群通信来承载。对于既有的窄带制式专网及站务窄带语音通信业务，如暂时无法过渡到宽带集群的现状，则采用宽窄带网络互连互通的方式，以实现宽窄带融合通信。

3.2 专用频段与非专用频段融合

利用专用频段与非专用频段分别建立2张无线通信网。专用频段无线通信网承载行车安全类业务，非专用频段无线通信网承载行车安全类业务的备份及非安全类业务的大带宽数据业务。

3.3 5G网络融合

与运营商合作，共建共享5G网络。尽量采用专用频率搭建的5G网络来承载行车安全类业务，利用共建共享及网络切片在公共通信网来承载非安全类业务。

4 融合方案的应用

4.1 宽窄带异系统网关设备互联互通融合方案

窄带集群调度网络可通过集群网关实现与其他窄带集群网络互通，以及通过集群网关实现与其他宽带集群系统的互联互通。组网时，集群网关设备和异系统之间按照异系统原有的信令格式和语音报文格式进行处理。网关设备负责实现网络的互联和数据的转换。通过该方案，能实现TETRA、PDT(警用数字集群)及DMR(数字移动无线电)等窄带通信系统同LTE-M宽带集群之间的互联互通。

图1 城市轨道交通无线通信业务需求

4.2 LTE-M与开放频段双网融合方案

采用1 785～1 805 MHz地铁专用授权频段频率组建A网，主要承载CBTC及集群调度等与安全相关的高可靠性业务；采用开放频段组建B网，承载车辆视频监视、PIS的旅客信息服务等大带宽业务，以及CBTC备份业务。其中，A网采用成熟的LTE-M制式，B网采用EUHT(超高速无线通信)、WIFI6(第6代无线局域网技术)及毫米波等新技术。该方案能有效解决LTE-M网络频宽较窄、带宽较低的不足，既满足了信号系统高可靠性的要求，又满足了大带宽、新业务的传输需要。该融合方案已在北京地铁首都机场线应用。

4.3 5G融合组网方案

根据业务及各地政策条件的不同，城市轨道交通无线通信系统采用多种方式来共建共享5G网络。5G核心网、5G基站及 MEC (移动边缘计算节点)等网元可根据具体情况自建或共享，形成多种网络部署方案。

4.3.1 方案一

方案一为城市轨道交通完全独占所有5G网络资源方案。由城市轨道交通建设方委托公网运营商部署全套5G网络(包括5GC(5G核心网)、GNB(5G基站)及MEC)，专供城市轨道交通使用，或由城市轨道交通建设方自建所有5G网络，并由公网运营商授权其专用的5G频率。方案一的网络部署见图2。

方案优势：专网专用，能提供完整的数据安全性，使数据资源完全隔离，可确保城市轨道交通内部数据不外泄；频谱资源独享，为完全定制化服务；通信设备的使用和管理可自主控制。

方案劣势：投资最大。若采用通信运营商代建方式，则支付给通信运营商的租金会非常高。若由城市轨道交通运营方投资及运营维护，则不仅先期建设成本很高，而且当后期运营维护轨道交通运营团队没有构建和运营5G网络的专业知识时，还需要额外投入专网建设运营的行业技能和人员配置；通信运营商的5G频段资源也是有限的，不大可能由城市轨道交通长期完全占用；随着通信运营商业务量的增加，城市轨道交通占用的资源可能会对通信运营商的业务配置造成影响，进而致使运营商收回频谱资源。

图2 方案一网络部署示意图

4.3.2 方案二

由城市轨道交通运营方委托通信运营商部署或自建核心网(包括5GC及MEC)，并由城市轨道交通独占5GC 及MEC，共享运营商GNB基站。方案二的网络部署见图3。

图3 方案二网络部署示意图

方案优势：核心网侧的专网与公网物理隔离，其数据资源隔离性较高，可建设独立的业务网络，进而深度定制化服务；便于运营，可节省城市轨道交通沿线所有5G接入无线网络的投资。

方案劣势：投资较高。如后期运营维护轨道交通运营团队没有构建和运营5G网络的专业知识，则还需要额外投入专网建设运营的行业技能储备和人员配置。

4.3.3 方案三

城市轨道交通运营方与通信运营商完全共享网络(包括5GC 、MEC及GNB)，并采用网络切片方式承载专网业务。方案三的网络部署见图4。

方案优势：无需任何建设成本，只需向运营商订购网络切片服务即可实现专网能力。

方案劣势：与公共网络混用，在网络安全、容量及定制化服务等方面的用户体验较差；信息存储在运营商的核心网上，运营维护不便。

图4 方案三网络部署示意图

5 结语

在新型基础设施建设、智慧轨道交通的新形势下，会进一步加快对无线系统承载业务及建设方式的重新定义，从而影响轨道交通无线通信系统对技术的选择。随着智慧城轨的逐步落地及新技术的日趋成熟，城市轨道交通建设需要在符合中国需求和面向未来的概念下不断完善和融合轨道交通无线通信系统。本文探讨了轨道交通无线通信系统网络融合方案。网络融合方案各有优缺点，应从线路自身的具体情况、轨道交通制式、业务需求及投资等各方面进行综合考虑，决定未来无线通信技术在轨道交通中的地位和使用方式，选择适合的网络融合应用方案。