车载综合监控及车地无线通信技术方案研究

查道林 杨军华

（上海电科智能系统股份有限公司，上海 202107）

0 引言

随着城市轨道交通无人驾驶技术日渐成熟，轨道交通增加了对行车安全和乘客安全的关注，对无人驾驶线路的保障提出了更高的要求。在列车实现无人值守的目标后，要求调度人员更加精准化地管理全线列车和乘客，对正常运营下的列车进行管控巡视，在应急情况下可以进行防灾救援，要求信号系统、车辆系统、综合监控系统以及通信系统协同完成列车全场景自动运行。随着无线技术的成熟、更新和发展，对动态运行下的列车管控提供了更加可靠的业务基础。

1 车载综合监控系统需求

车载综合监控作为轨道交通综合监控系统的重要组成部分，它承担着行车安全监控、列车设备运行监控、乘客安全监控和乘客服务的职责。行车安全监控要求车载综合监控系统实时监控列车行驶功能，配合信号系统监测列车在不同运行模式下的行车指标，为行车调度提供有效监控数据。列车设备运行监控要求综合监控系统具备监控列车各子系统设备的功能，从而保证列车子系统的健康运行。乘客安全监控要求具备实时监控列车车厢乘客、在突发情况下的安全管理功能，以保障乘客的乘车安全。乘客服务职责要求综合监控实现乘车导乘和信息发布的功能，从而为乘客提供相关服务。

基于现行UTO无人驾驶要求，控制中心调度人员须全线管控所有列车，通过信号系统、综合监控系统、通信系统以及屏蔽门等系统的场景配合实现全自动系统的运行。通过集成系统的分析和联动来降低列车管控的复杂性，并提升调度人员的管控效率和管控质量。同时，还要求车载综合监控具备列车TCMS系统、车载PIS系统的集成功能。

2 车载综合监控实现方式

基于全自动无人驾驶系统的运行和建设要求，车载综合监控基于信号系统、TCMS系统和车载PIS系统实现。集成信号系统和TCMS系统实现监视列车运行、列车设备的功能，集成车载PIS系统实现保障乘客安全以及提供乘客服务的功能。TCMS系统及车载PIS系统业务数据为列车实时数据，TCMS系统承载列车运行数据和列车设备实时状态数据，车载PIS系统承载列车实时视频监控和乘车导向，TCMS系统及车载PIS系统通过列车无线系统将数据上传至控制中心，信号系统通过以太网有线将行车数据传至综合监控系统，实现车载与信号数据的融合。车载综合监控接口如图1所示。

图1 车载综合监控接口图

3 车地无线通信技术

3.1 LTE技术

长期演进LTE（Long Term Evolution）是由3GPP组织制定的UMTS技术标准的长期演进，按照制式分为频分双工LTE系统（FDD-LTE）和时分双工LTE系统（TDD-LTE）。

FDD是在分离的对称频率的信道上接收和发送数据，用保护频段分离接收和发送信道。因此FDD制式必须采用成对的频率，根据频率区分上、下行链路。对称业务能充分利用上、下行频谱，非对称业务使用该链路就会大大降低频谱利用率。

TDD是以时间分离接收和发送信道，接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道承载，单方向的资源在时间上是不连续的，时间资源在2个方向上进行分配。基站和移动台之间在某个时间段必须协同一致才能顺利工作。上、下行数据在同一时间段内不需要一起传输，可以根据上、下行的数据大小进行动态分配，可以提高信道的利用率。

中国城市轨道交通发布采用TDD-LTE标准的LTE-M规范正式定义了地铁行业应用的LTE无线标准。并采用专用的1.8 GHz作为专用频段进行车地无线通信，与运营商4G、5G频段间隔较远，受干扰风险小。最大带宽20 M，除去频率隔离带可用带宽为15 M 或 10 M， LTE-M采用正交频分多址调制能够较好地应对多径干扰。

LTE-M无线通信系统由EPC、eNodeB和TAU组成。EPC网络实现业务的分离和网络交换功能，通过各业务的IP划分实现独立。eNodeB由室内基带处理单元（BBU）和射频拉远模块（RRU）组成，RRU实现无线信号的覆盖。TAU位于列车上，实现车地无线通信。某城市15号线使用LTE-M标准的具体架构如图2所示。

图2 LTE-M系统架构图

某城市轨道交通15号线LTE-M系统综合承载业务占用10 Mbit/s。用于承载CCTV、PIS以及CBTC业务数据。

3.2 WLAN技术

WLAN技术遵循由IEEE（电子和电气工程师协会）定义的802.11协议簇无线网络通信标准的无线局域网络，IEEE先后发布了802.11b、802.11a、802.11g、802.11n和802.11ac等标准。按照其常用频段可分为2.4 GHz和5.1 GHz，带宽分为20 MHz 和 40 MHz，峰值速率达到150 Mbit/s。

IEEE 802.11b标准采用补偿编码键控（CCK）调制方式，规定工作频段为2.4000 GHz~2.4835 GHz，传输速率达到11Mbit/s，传输距离为15.24 m~45.72 m。IEEE 802.11a标准是IEEE 802.11b的后续标准，采用正交频分（OFDM）的扩频技术，采用QFSK调制方式，规定工作频段为5.1500 GHz~5.8250 GHz，传输速率达到54 Mbit/s，传输距离范围为10 m~100 m。IEEE 802.11g采用OFDM和CCK调制方式，做到802.11a和802.11b兼容，工作频段为2.4000 GHz~2.4835 GHz，数据传输速率达到54 Mbit/s，传输距离为15.24 m~45.72 m。IEEE 802.11n采用OFDM、MIMO以及聚合帧等技术，采用2.4 GHz 和 5.0 GHz双频带，兼容802.11a/b/g，传输速率达到150 Mbit/s~600 Mbit/s。IEEE 802.11ac是802.11n的继任，沿用MIMO（多进多出）技术，工作频宽达到80 MHz （甚至 160 MHz），工作频段为5.8 GHz，传输速率有望达到1 Gbit/s，用于中短距离无线通信。

在城市轨道交通中，WLAN无线系统承担地铁系统的生产业务、管理业务和公众服务业务，其业务覆盖范围广。其主要由轨旁无线AP、车载AP、车站交换机以及AC漫游等设备构成。与车载AP通过AC漫游设备实现列车在行驶过程中接口网络不间断连接，轨旁AP与车站环网实现接口数据落地控制中心。以某城市15号线为例，WLAN系统的架构如图3所示。

图3 WLAN系统架构图

某城市轨道交通15号线WLAN系统由生产业务系统(MMIS-O)、公众业务系统（MMIS-P）以及管理业务系统组成。生产业务系统即MMIS-O系统为地铁车载系统运营提供无线网络支持，列车生产业务车载桥接AP分布于车头、车尾，分别与车载综合监控业务形成业务接口；生产业务车载桥接AP与车地桥接区正线轨旁AP无线连接，通过车站环网接入交换机落地COCC控制中心，实现生产调度功能。公众业务系统（MMIS-P系统）为乘客服务提供无线网络支持，每节车厢的服务AP通过与交换机链式连接，车头车尾公众业务车载桥接AP与正线轨旁AP连接通过车站接入交换机完成外网业务连接。管理业务系统网络为地铁系统的管理提供无线网络的支持，车站管理区AP及车辆段AP线路汇聚交换机汇聚构成线路管理网。

在轨道交通中，WLAN可承载的业务包括PIS业务、CBTC业务以及视频业务等，在各地轨道交通系统中均有不同的业务应用。

3.3 TETRA技术

TETRA数字集群系统是欧洲电信标准协会（ETSI）制定的数字集群移动无线通信标准，适用于组建数字集群专业网（PMR）和共用网（PAMR）。采用时分多址（TDMA）技术可支持多用户，大大增加了容量。使用/4-DQPSK调制技术达到36Kbit/s的调制速率，执行ACELP编码，运行速率可达4.8bit/s。采用4：1D的TDMA时分多址技术，单载频25 kHz带宽，1个载频带4个信道，频率利用率高。TETRA数字集群系统可工作于380MHz~400MHz、410 MHz~430 MHz、450 MHz~470 MHz、806 MHz~821 MHz （上行）/851 MHz~866 MHz（下行）以及870 MHz~876 MHz （上行）/915 MHz~921 MHz（下行）。

TETRA的设备可以组成最简单网，给定功能性和必要的接口，可以组成一个完整的单站系统。单交换中心多基站系统由交换机、多个基站、移动台以及调度台组成。TETERA系统内部接口具有基于电路交换、基于帧中继以及基于IP三种方式。其中，基于IP的TETRA系统配置灵活，可以从小网络逐步扩容为大网络，其相关网关、调度台可配置在网络中的任何位置。

TETRA技术在轨道交通系统中多用于语音业务和数据业务。支持单呼、组呼以及固定呼叫的语音业务。支持短数据传输业务，包括文本消息、遥测遥控以及出入库自检等多种业务，支持信息最多1 120 bit，控制信道下的操作时间为1s~2s。

4 车载无线通信架构

4.1 列车TCMS系统无线架构

TCMS系统全名为列车控制监测系统，其通过MVB总线将列车各子单元、子系统连接起来。各子单元通过MVB总线分配的端口及地址实现单元间的数据透传交互，达到列车系统间联动配合的目的，实现列车安全、高效运行的目标。

UTO模式下的列车运行将列车数据上传至控制中心，须通过无线技术将数据上传至控制中心，以实现调度统一管控。基于这一要求需要满足数据的高容量、高可靠、高实时以及高度稳定的要求，对数据传输的方式及无线技术提出了更高的要求。

某城市轨道15号线采用LTE系统无线网络实现TCMS数据上传至控制中心，结构如图4所示。

图4 TCMS系统业务架构图

无线A网承载CBTC业务、综合监控业务及集群业务，无线B网承载CBTC业务及集群业务。基于LTE-M无线通信技术特性，其承载的业务具备稳定、冗余特性。在列车车头、车尾各设置1套冗余车载综合监控服务器及交换机，通过MVB总线获取全线列车数据。车头、车尾设备采用冗余设计架构，在正常激活状态下，2套车载综合监控仅有1套处于主用状态，当主用设备发生故障时，备用侧升级为主用获取权限。TAU与RRU采用无线通信GRE VPN隧道技术保障无线数据可以安全、稳定地传输， 数据通过A网信号骨干环网回传至控制中心，通过三层路由实现业务数据的隔离。LTE-M无线通信系统分布在全隧道的漏缆保证了数据传输的实时性。在链路冗余上，由于综合监控业务通过A网无线传输至控制中心，因此无线通道只在单链路进行传输，不具备冗余无线通道功能。

4.2 列车CCTV系统无线架构

列车视频设备分布在列车车辆各处，通过以太网实现设备的网络交互，视频设备通过静态IP分布在列车PIS内网。综合监控设备通过物理以太网接口与车载PIS环网通信，实现对视频设备的数据交互。车载视频数据上传至控制中心，通过车载交换机网络隔离实现各列车PIS环网的独立运行。

列车视频监视采用LTE-M无线通道和WLAN无线通道实现应急视频监视和普通视频监视的功能。基于LTE-M无线通信和WLAN无线通信的传输带宽要求，WLAN可车载较大数据流量，相对LTE-M系统来说，其抗干扰性较差，采用该LTE-M作为紧急视频传输，采用混合方案可以有效地满足正常运营下的场景需求和应急场景下的需求，架构图如图5所示。

图5 无线视频传输架构图

4.3 列车PIS系统无线架构

列车PIS系统为乘客信息发布提供重要导向功能，包括PIS显示设备和语音播报设备。PIS设备控制由列车PIS服务器实现控制和信息发布功能。综合监控与列车PIS系统的信息发布主要实现乘客紧急信息发布和列车广告信息直播的功能。乘客紧急信息发布为应急场景下的导向作用（由LTE-M无线网络来实现）。采用高带宽WALN无线网络来直播列车广告信息。

乘客紧急信息发布实现架构如图6所示。

图6 车载PIS紧急文本架构图

列车PIS服务器通过列车PIS环网与车载综合监控设备进行数据交互，车载综合监控交换机通过LTE-M通道与控制中心进行数据交互，通过车载综合监控交换机使LTE-M外网与列车PIS环网实现网络隔离。

列车广告信息直播架构图如图7所示。

图7 车载PIS广告直播架构图

列车广告投放由控制中心PIS广告源与列车PIS完成数据交互，采用通道为综合监控车载网络通道和WLAN网络通道。列车PIS服务器通过WLAN通道与控制中心PIS广告进行数据交互，从而实现广告业务发布。

5 结语

3种无线通信系统的不同技术参数使用不同场景来满足城市轨道交通的业务需求，在城市轨道交通的不同业务场景需求的要求下对3种无线通信技术进行最优匹配，从而实现无人驾驶列车的运行监控和乘客服务，采用较为稳定的LTE-M技术实现监视全自动无人驾驶列车运行和应急场景的功能。采用LTE-M技术和WLAN技术混合无线网络方案最优化实现列车视频监视功能，满足正常运行下的视频监视和应急场景监视的需求。3种车载业务的无线方案最大性能满足了无人驾驶场景下的业务需求。