公吉鵬

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510010）

基于無(wú)線通信技術(shù)的車地通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)有軌電車控制與運(yùn)行的重要技術(shù)之一。有軌電車工程中的車地雙向通信主要采用工作在開(kāi)放頻段的無(wú)線局域網(wǎng)（wireless local area network，WLAN）通信技術(shù)，WLAN在軌道交通中應(yīng)用非常成熟。雖然WLAN能滿足現(xiàn)階段有軌電車的運(yùn)營(yíng)需求，但隨著有軌電車業(yè)務(wù)需求的不斷增加以及線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的集成化需求，WLAN將面臨著諸多挑戰(zhàn)，而LTE系統(tǒng)具有高帶寬、高移動(dòng)性、長(zhǎng)區(qū)間覆蓋、高擴(kuò)展性等特點(diǎn)，運(yùn)行于電信運(yùn)營(yíng)商級(jí)的架構(gòu)及設(shè)備，可解決既有無(wú)線系統(tǒng)存在的不穩(wěn)定、移動(dòng)性差等問(wèn)題[1]，能夠滿足有軌電車的傳輸通信要求。因此筆者分析WLAN技術(shù)和LTE技術(shù)的特點(diǎn)，提出采用長(zhǎng)期演進(jìn)（long term evolution，LTE）技術(shù)的系統(tǒng)方案。

1 TD-LTE技術(shù)應(yīng)用前景

由于WLAN的工作頻段為開(kāi)放頻段，隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展推廣及應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，車地通信受到民用WiFi設(shè)備等同頻干擾的風(fēng)險(xiǎn)日益增加，在部分城市軌道交通線路中發(fā)生過(guò)車地通信受民用 WiFi設(shè)備干擾導(dǎo)致車地通信中斷、影響列車正常運(yùn)營(yíng)的事件。2012年8—11月，深圳地鐵2號(hào)線和5號(hào)線多次發(fā)生由于無(wú)線干擾影響列車運(yùn)營(yíng)的事故[2]。

為解決WLAN受干擾的情況，中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)已經(jīng)進(jìn)行軌道交通專用頻率的規(guī)劃工作，采用新技術(shù)建立抗干擾的、封閉的、穩(wěn)定的、適合高速移動(dòng)的車地?zé)o線通信系統(tǒng)。伴隨第四代移動(dòng)通信LTE技術(shù)的成熟應(yīng)用，基于LTE技術(shù)的車地?zé)o線通信系統(tǒng)受到了關(guān)注，并逐漸完善。目前LTE技術(shù)依靠其設(shè)備量少、便于維護(hù)、抗干擾能力強(qiáng)、故障率低、頻譜利用率高等特點(diǎn)，已經(jīng)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)、乘客信息服務(wù)系統(tǒng)/閉路電視系統(tǒng)（passenger information system/closed-circuit television，PIS/CCTV）、列車運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)、專用通信系統(tǒng)等各業(yè)務(wù)系統(tǒng)中得到應(yīng)用。當(dāng)前在有軌電車工程項(xiàng)目中，車地通信系統(tǒng)仍然采用IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行無(wú)線傳輸，工作于2.4 GHz或者5.8 GHz公共頻段。但隨著通信業(yè)務(wù)的不斷增加以及集成需求的提高，WLAN將面臨著很多瓶頸，而LTE則具有高速率、高頻譜利用率、移動(dòng)性好、抗干擾等特點(diǎn)，能夠成為適用于有軌電車運(yùn)行的通信系統(tǒng)。

2 LTE與WIFI的技術(shù)特點(diǎn)比較

城市軌道交通系統(tǒng)之前較多采用 WIFI技術(shù)進(jìn)行車地雙向數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載，近年來(lái)，隨著工信部1.8GHz專用頻段的批復(fù)使用、LTE-M 標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，LTE技術(shù)已在城市軌道交通行業(yè)推廣使用。

LTE采用正交頻分復(fù)用技術(shù)（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）和多入多出技術(shù)（multipleinput multiple-output，MIMO）顯著提高了頻譜效率，軌道交通系統(tǒng)采用時(shí)分雙工方式，有效解決頻率資源分配與組網(wǎng)問(wèn)題。采用時(shí)分雙工（time division duplexing，TDD）模式的LTE系統(tǒng)稱為TD-LTE系統(tǒng)。TD-LTE采用全I(xiàn)nternet協(xié)議（Internet protocol，IP）化的扁平架構(gòu)，降低控制面和用戶平面時(shí)延，提供優(yōu)先級(jí)調(diào)度和高速移動(dòng)性支持，并通過(guò)抗干擾技術(shù)（如干擾抑制組合（interference rejection combining，IRC）技術(shù)等）和安全機(jī)制（如用于空口加密的國(guó)產(chǎn)祖沖之算法等）保證無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的安全可靠傳輸[3]。

目前國(guó)內(nèi)進(jìn)行TD-LTE產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)的廠家主要有華為、中興、烽火、普天和信威等，各廠家的LTE產(chǎn)品已經(jīng)商用化多年，并在民用通信、政務(wù)網(wǎng)等通信業(yè)務(wù)領(lǐng)域提供了優(yōu)質(zhì)的通信服務(wù)，其產(chǎn)品平臺(tái)已成熟化。TD-LTE傳輸技術(shù)相比于WLAN無(wú)線傳輸技術(shù)有著完善的服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）傳輸管理策略設(shè)計(jì)，同時(shí)在數(shù)據(jù)鏈路層也采用了區(qū)別于WLAN自由競(jìng)爭(zhēng)的接入策略，專門設(shè)計(jì)了控制平面和信令來(lái)規(guī)避多用戶接入中出現(xiàn)的接入競(jìng)爭(zhēng)沖突等問(wèn)題，因此業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定性較WLAN技術(shù)有較大的提升。相對(duì)于WLAN技術(shù)，LTE具有以下優(yōu)點(diǎn)[4]。

1）業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)調(diào)整。LTE技術(shù)實(shí)現(xiàn)9個(gè)調(diào)度優(yōu)先級(jí)，前6個(gè)分別是語(yǔ)音會(huì)話、視頻會(huì)話、實(shí)時(shí)游戲、非會(huì)話視頻、IMS指令和語(yǔ)音視頻流，后3個(gè)承載對(duì)時(shí)延要求寬松的業(yè)務(wù)，比如TCP業(yè)務(wù)等，并且按照預(yù)定義的可能業(yè)務(wù)類型，對(duì)應(yīng)不同的服務(wù)質(zhì)量（延時(shí)、丟包率、誤碼率等）要求，定義了9個(gè)服務(wù)質(zhì)量類別標(biāo)識(shí)（QoS class identifier，QCI），系統(tǒng)根據(jù)QCI對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行資源分配和調(diào)度。該技術(shù)可以將列車信號(hào)系統(tǒng)輔助駕駛劃分為A類，即優(yōu)先保證類業(yè)務(wù)。

2）覆蓋范圍廣。一方面 LTE采用先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)和硬件平臺(tái)，設(shè)備的接收機(jī)靈敏度優(yōu)于WLAN設(shè)備；另一方面，LTE技術(shù)一般使用專用頻段，設(shè)備可以采用更高的發(fā)射功率，使得覆蓋范圍增大，每個(gè)基站射頻單元覆蓋范圍能達(dá)到1 km以上。

以WLAN平均每200 m就要設(shè)置一個(gè)AP設(shè)備來(lái)說(shuō)，1 km的覆蓋范圍大幅度減少了軌旁設(shè)備的布設(shè)，設(shè)備量的大大減少便于后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)，也有利于有軌電車的城市美化需求。

3）抗干擾能力強(qiáng)。相比WLAN網(wǎng)絡(luò)，LTE技術(shù)工作于專用頻段，且有著完善的抗干擾機(jī)制。其采用OFDM技術(shù)，基于完善的編碼、重傳和干擾抑制合并（interference rejection combining，IRC）機(jī)制，擁有毫秒級(jí)的調(diào)度機(jī)制，采用小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)（inter-cell interference coordination，ICIC）進(jìn)行小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)。

綜合以上分析，LTE技術(shù)與WIFI技術(shù)對(duì)比如表1 所示。

表1 LTE與WIFI的技術(shù)對(duì)比Tab. 1 Technical comparison between LTE and WIFI

在廣州海珠區(qū)現(xiàn)代新型有軌電車系統(tǒng)中，既有的車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)包括運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)的2.4 GHz WLAN網(wǎng)絡(luò)，綜合承載了運(yùn)營(yíng)調(diào)度的信息、PIS/CCTV、卡機(jī)票務(wù)信息；短程通信系統(tǒng)，承載車載控制區(qū)與道岔控制器、路口/道口控制器的交互數(shù)據(jù)[5]；集群調(diào)度系統(tǒng)。若采用LTE技術(shù)，以上所有業(yè)務(wù)都可承載于LTE網(wǎng)絡(luò)，且軌旁設(shè)備顯著減少，具體數(shù)據(jù)如表2所示。建立基于LTE技術(shù)的綜合數(shù)據(jù)承載網(wǎng)絡(luò)可避免各專業(yè)獨(dú)立建網(wǎng)的現(xiàn)象，有效降低建設(shè)成本，提高運(yùn)營(yíng)維護(hù)效率。

表2 WIFI與LTE的應(yīng)用對(duì)比Tab. 2 Application comparison between LTE and WIFI

3 有軌電車綜合業(yè)務(wù)需求

現(xiàn)代有軌電車需要車地通道傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)主要有如下幾類[6]：

1）列車運(yùn)營(yíng)調(diào)度數(shù)據(jù)，主要包括列車實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)、道岔控制/狀態(tài)數(shù)據(jù)、道口/路口信號(hào)優(yōu)先數(shù)據(jù)等；

2）車載卡機(jī)實(shí)時(shí)票務(wù)數(shù)據(jù)；

3）PIS緊急文本信息；

4）PIS視頻數(shù)據(jù)流；

5）CCTV車載視頻監(jiān)視回傳數(shù)據(jù)；

6）列車實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)視信息及自動(dòng)充電控制數(shù)據(jù)；

7）集群調(diào)度業(yè)務(wù)。

以上各業(yè)務(wù)性能需求如表3所示。以上業(yè)務(wù)需求分析已綜合考慮了目前有軌電車系統(tǒng)中所有與運(yùn)營(yíng)相關(guān)的車地業(yè)務(wù)需求，采用一套車地?zé)o線傳輸網(wǎng)絡(luò)綜合承載各業(yè)務(wù)需求，且考慮較極端的情況下，4列車同時(shí)在一個(gè)小區(qū)內(nèi)，該綜合承載網(wǎng)需要提供的最低承載能力為上行6 Mbit/s、下行5.5 Mbit/s?？紤]30%的設(shè)計(jì)余量及未來(lái)業(yè)務(wù)需求的增長(zhǎng)，可按照上行 8 Mbit/s、下行7.2 Mbit/s設(shè)計(jì)。若僅考慮小區(qū)內(nèi)只有兩列車的情況，則所需的最低承載能力為上行 3 Mbit/s、下行4.7 Mbit/s，可按照上行4 Mbit/s、下行6.2 Mbit/s設(shè)計(jì)。

4 基于 LTE技術(shù)的車地?zé)o線傳輸通信的應(yīng)用

從LTE的技術(shù)特點(diǎn)可以看出，隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，LTE具有更高的安全性、可靠性及可用性，應(yīng)用于城市軌道交通的實(shí)踐趨于成熟，于2017年9月開(kāi)通試運(yùn)行的武漢有軌電車車都T1線，就采用了該技術(shù)。

表3 車地間各業(yè)務(wù)的寬帶需求和性能需求[7]Tab. 3 Requirements of train-ground business on brandwidth and performance

4.1 工程概述

武漢有軌電車車都T1線采用的LTE系統(tǒng)，由北京信威通信股份有限公司提供 McLTE寬帶無(wú)線集群通信系統(tǒng)。武漢有軌電車車都 T1線是湖北省第一條現(xiàn)代有軌電車線路，全長(zhǎng)16.86 km，設(shè)車站23座，2017年 9月試運(yùn)行，工程采用100%低地板鋼輪鋼軌現(xiàn)代有軌電車，全線采用信威通信 McLTE寬帶無(wú)線集群通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)線信號(hào)覆蓋，為控制中心、車輛段與正線提供專用的語(yǔ)音及數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)車輛與控制中心的無(wú)線語(yǔ)音通信及數(shù)據(jù)傳輸，并能夠在控制中心實(shí)現(xiàn)錄音功能。

4.2 LTE基本構(gòu)成

1）控制中心設(shè)備

由LTE核心網(wǎng)子系統(tǒng)EPC、網(wǎng)管子系統(tǒng)、路由接口設(shè)備組成。

2）車站設(shè)備

系統(tǒng)基站的BBU設(shè)備放置在正線變電所。

3）區(qū)間設(shè)備

區(qū)間設(shè)備由無(wú)線子系統(tǒng)RRU、定向天線以及光電纜組成。RRU的布站間距由鏈路預(yù)算確定，根據(jù)有軌電車通常的線路情況，只需在站臺(tái)區(qū)域安裝RRU及天線。

4）車輛段/停車場(chǎng)覆蓋設(shè)備

車輛段/停車場(chǎng)覆蓋設(shè)備由無(wú)線子系統(tǒng)BBU、RRU和天線組成。覆蓋出入段線/出入場(chǎng)線、咽喉區(qū)、停車列檢庫(kù)等區(qū)域。

5）車載設(shè)備

車載設(shè)備由終端設(shè)備車載接入單元TAU、天饋系統(tǒng)和接入設(shè)備以太網(wǎng)交換機(jī)組成。在列車的車頭和車尾分別設(shè)置TAU，頭尾TAU僅有一個(gè)出于工作狀態(tài)，另一臺(tái)TAU為熱備狀態(tài)。TAU通過(guò)車載交換機(jī)與信號(hào)/通信系統(tǒng)車載設(shè)備相連，傳輸信號(hào)系統(tǒng)的控制信息、列車狀態(tài)信息等。

信號(hào)系統(tǒng)與LTE系統(tǒng)在地面通過(guò)路由設(shè)備進(jìn)行連接，在列車車頭/車尾通過(guò)接入設(shè)備以太網(wǎng)交換機(jī)與LTE網(wǎng)絡(luò)車載接入單元TAU連接。車地通信傳輸構(gòu)成如圖1所示。

圖1 車地通信傳輸構(gòu)成Fig. 1 Composition of train-ground transmission

4.3 示范效應(yīng)

T1線的LTE系統(tǒng)，為各專業(yè)、各子系統(tǒng)提供統(tǒng)一可靠、冗余、靈活的數(shù)據(jù)通道，充分將有軌電車優(yōu)先、合理調(diào)度、安全舒適和優(yōu)質(zhì)服務(wù)等特點(diǎn)發(fā)揮出來(lái)；現(xiàn)代有軌電車控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)車輛、車站和道路信息的采集、傳輸和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)營(yíng)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和優(yōu)化調(diào)度功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理各種事故，為乘客提供全面、準(zhǔn)確和及時(shí)的信息服務(wù)，有效提高公共交通的服務(wù)水平，促進(jìn)現(xiàn)代有軌電車的智能化運(yùn)營(yíng)、調(diào)度和管理。系統(tǒng)具備高帶寬、高可靠的抗干擾能力、高效的多業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)保障機(jī)制、高速移動(dòng)下的穩(wěn)定傳輸?shù)榷囗?xiàng)優(yōu)點(diǎn)，為 T1線控制中心、車輛段與正線提供專用的語(yǔ)音及數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)車輛與控制中心的無(wú)線語(yǔ)音通信和數(shù)據(jù)傳輸，為控制中心列車調(diào)度、車輛基地調(diào)度與列車駕駛員、防災(zāi)和維修等人員之間的語(yǔ)音通信提供安全技術(shù)保障。

在車載和地面測(cè)試主機(jī)上利用專用測(cè)試軟件模擬業(yè)務(wù)測(cè)試系統(tǒng)帶寬和丟包率。測(cè)試模擬上下行各512 kbit/s的傳輸業(yè)務(wù)，傳輸400 Byte的UDP包，同時(shí)模擬一路上行1 Mbit/s和一路下行4 Mbit/s PIS業(yè)務(wù)。測(cè)試結(jié)果顯示信號(hào)業(yè)務(wù)帶寬為512 kbit/s，丟包率為0。傳輸性能測(cè)試和小區(qū)切換測(cè)試界面如圖2，圖3所示。

圖2 傳輸性能測(cè)試Fig. 2 Transmission performance test

圖3 小區(qū)切換測(cè)試Fig. 3 Intracell handover test

自試運(yùn)行以來(lái)，車地?zé)o線通信系統(tǒng)在穩(wěn)定性、安全性、抗干擾性等方面表現(xiàn)突出，且系統(tǒng)自安裝調(diào)試以來(lái)，運(yùn)行效果良好。

5 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)有軌電車的建設(shè)正處于一個(gè)高速發(fā)展時(shí)期，每個(gè)建設(shè)城市都進(jìn)行了有軌電車線網(wǎng)的規(guī)劃，2020年前國(guó)內(nèi)要建設(shè)的線路超過(guò)2 500 km。LTE具有大容量的服務(wù)器，可以對(duì)后續(xù)線路建設(shè)預(yù)留接口，多條線路可以共用一套核心網(wǎng)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，可以有效降低系統(tǒng)的建設(shè)成本。同時(shí)，LTE技術(shù)采用的是3 GPP的通用標(biāo)準(zhǔn)，各條線路即使由不同的LTE廠家建設(shè)也可以進(jìn)行互聯(lián)互通，統(tǒng)一管理[8]。

這些技術(shù)優(yōu)勢(shì)打破軌道交通建設(shè)的瓶頸，為有軌電車的發(fā)展提供更廣闊的思路和空間，繼而進(jìn)一步推動(dòng)整個(gè)城市路網(wǎng)的發(fā)展。綜上分析，無(wú)論是抗干擾能力、可維護(hù)性還是服務(wù)質(zhì)量，LTE都較WLAN有很大的優(yōu)勢(shì)。采用LTE傳輸系統(tǒng)，可以提高無(wú)線系統(tǒng)的抗干擾能力、穩(wěn)定性和可靠性。