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        基于TD-LTE的市域快速軌道交通無(wú)線綜合通信網(wǎng)方案研究

        2019-12-03 08:59:24劉曉慶
        鐵路技術(shù)創(chuàng)新 2019年5期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        劉曉慶

        (廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,廣東 廣州 510010)

        0 引言

        市域快速軌道交通(簡(jiǎn)稱市域快軌)是一種主要服務(wù)于城市郊區(qū)和周邊新城、城鎮(zhèn)與中心城區(qū)聯(lián)系,并具有通勤客運(yùn)服務(wù)功能的中、長(zhǎng)距離的大運(yùn)量城市軌道交通系統(tǒng)。目前,北京、廣州、成都、福州等城市均將160 km/h運(yùn)行速度的市域快軌線路加入到城市軌道交通線網(wǎng)建設(shè)中,傳統(tǒng)的無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)已無(wú)法滿足列車高速行駛時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量要求,因此對(duì)列車高速運(yùn)行下的軌道交通無(wú)線綜合通信網(wǎng)建設(shè)提出了更高的運(yùn)營(yíng)安全要求。如何將無(wú)線綜合通信網(wǎng)的新技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通的無(wú)線集群系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)(PIS)、信號(hào)系統(tǒng)、列車視頻和車輛狀態(tài)信息監(jiān)控系統(tǒng)等建設(shè)中,如何更加合理地利用有限的無(wú)線頻率資源,進(jìn)一步降低工程建設(shè)成本,營(yíng)造高效、舒適、便捷的城市軌道交通體系,以滿足人們不斷增長(zhǎng)的出行需求,已成為城市軌道交通領(lǐng)域中令人關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。

        1 需求分析

        市域快軌無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的主要承載業(yè)務(wù)包括無(wú)線集群系統(tǒng)、PIS、信號(hào)系統(tǒng)、列車視頻和車輛狀態(tài)信息監(jiān)控系統(tǒng)等。地下區(qū)間各系統(tǒng)的業(yè)務(wù)帶寬需求見(jiàn)表1,高架區(qū)間各系統(tǒng)的業(yè)務(wù)帶寬需求見(jiàn)表2。

        在各種業(yè)務(wù)承載要求中,盡管信號(hào)專業(yè)所需業(yè)務(wù)帶寬不大,但由于信號(hào)系統(tǒng)涉及到行車安全,為充分考慮網(wǎng)絡(luò)可靠性,明確要求采用雙網(wǎng)冗余架構(gòu)。

        無(wú)線視頻調(diào)度主要用于視頻采集、視頻回傳以及視頻分發(fā),為相關(guān)調(diào)度人員提供一線的視頻或圖像,業(yè)務(wù)需求為雙向。視頻業(yè)務(wù)一般采用組播方式,1 Mb/s能夠滿足最低需求,在視頻采集場(chǎng)景復(fù)雜時(shí)需要2 Mb/s。

        表1 地下區(qū)間各系統(tǒng)的業(yè)務(wù)帶寬需求

        表2 高架區(qū)間各系統(tǒng)的業(yè)務(wù)帶寬需求

        PIS地面至車上的業(yè)務(wù)基本需要包括1路MPEG-2的視頻以及有關(guān)信息發(fā)布的文本信息,8 Mb/s能夠滿足最低要求。

        以廣州地鐵運(yùn)營(yíng)管理需求為例,列車視頻要求具備實(shí)時(shí)上傳不少于2路720P高清圖像的能力,每路圖像的最少碼流不低于4M,即需要不小于8M碼流的承載能力,在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)承載能力不足時(shí),上傳圖像仍然采用標(biāo)清制式(高清轉(zhuǎn)標(biāo)清),即2M碼流為最低要求。

        在地下區(qū)間,按平均1列列車處于1個(gè)小區(qū)的情況考慮。列車基本業(yè)務(wù)需求為:基于通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)(CBTC)、列車在線監(jiān)測(cè)、司機(jī)1路視頻調(diào)度、語(yǔ)音集群、1路高清車載視頻(上傳控制中心)、1路視頻直播(控制中心下傳至列車)。

        在高架區(qū)間,按平均1列列車處于1個(gè)小區(qū)的情況考慮。此時(shí)單列車基本業(yè)務(wù)需求為:CBTC、列車在線監(jiān)測(cè)、司機(jī)1路視頻調(diào)度、語(yǔ)音集群、1路高清車載視頻(上傳控制中心)。

        2 制式選擇

        在目前我國(guó)城市軌道交通建設(shè)中,車地?zé)o線通信系統(tǒng)采用的主要技術(shù)為802.11系列WLAN技術(shù)[1]。而WLAN理論上只適用于低速環(huán)境(小于80~120 km/h),隨著列車運(yùn)行速度的提升,傳輸數(shù)據(jù)的切換失敗率也大幅提高[2],系統(tǒng)易丟包,造成視頻畫(huà)面停滯或馬賽克[3];WLAN僅能實(shí)現(xiàn)標(biāo)清信號(hào)的傳輸,暫不滿足高清的要求[4];WLAN工作頻段是2.4G,屬于開(kāi)放頻段,外界干擾源多,對(duì)運(yùn)營(yíng)安全要求較高的無(wú)線傳輸系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致傳輸中斷,進(jìn)而影響車輛的正常運(yùn)行[5]。如深圳地鐵2號(hào)線、5號(hào)線曾因外界無(wú)線信號(hào)干擾,導(dǎo)致列車多次出現(xiàn)緊急制動(dòng),造成列車晚點(diǎn),大量旅客滯留,產(chǎn)生了不良的社會(huì)影響[6]。

        TD-LTE是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的移動(dòng)通信技術(shù)[7],TD-LTE通信系統(tǒng)特點(diǎn)如下:

        (1)傳輸帶寬高,可滿足多路實(shí)時(shí)視頻流下發(fā)及視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)回傳需求,20 MHz頻段組網(wǎng),下行峰值可達(dá)50 Mb/s,終端處于小區(qū)邊緣時(shí)仍可實(shí)現(xiàn)30 Mb/s高帶寬能力。

        (2)T D-L T E具備強(qiáng)接入性,可保證高速移動(dòng)時(shí)的無(wú)線數(shù)據(jù)質(zhì)量,理論上支持500 km/h的移動(dòng)速度,可滿足列車高速行駛下的數(shù)據(jù)傳輸[8]。

        (3)在可靠性保障方面,具備系統(tǒng)級(jí)冗余、設(shè)備級(jí)冗余和單板級(jí)冗余,以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

        (4)抗干擾能力強(qiáng)。使用行業(yè)專用頻段,系統(tǒng)外干擾少。并采用小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)等抗干擾技術(shù),降低系統(tǒng)內(nèi)部干擾,最大限度降低因頻率干擾帶來(lái)的系統(tǒng)穩(wěn)定性、業(yè)務(wù)帶寬的損失。

        (5)業(yè)務(wù)可擴(kuò)展性好,TDLTE作為綜合性寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),可滿足PIS、車載視頻監(jiān)控等各種類型數(shù)據(jù)的傳輸,各種業(yè)務(wù)通過(guò)完善的服務(wù)質(zhì)量(QoS)機(jī)制實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)管理,打造良好的業(yè)務(wù)擴(kuò)展能力,完全支持集群調(diào)度通信。

        (6)針對(duì)車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的新需求,TD-LTE技術(shù)不但支持傳輸語(yǔ)音、低速數(shù)據(jù)等窄帶業(yè)務(wù),也支持無(wú)線視頻傳輸?shù)葘拵I(yè)務(wù)[9]。

        考慮到市域快軌的運(yùn)行速度為120~160 km/h,并參考鄭州地鐵1號(hào)線等采用TD-LTE技術(shù)組建車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際使用效果,該技術(shù)能滿足運(yùn)營(yíng)安全要求,同時(shí)可滿足乘客對(duì)獲得綜合、實(shí)時(shí)信息的需求,如運(yùn)營(yíng)服務(wù)信息、公共資訊信息、新聞娛樂(lè)信息,以及地鐵事故時(shí)應(yīng)急疏散的聲音、圖像引導(dǎo)等[10]。因此,為了提升市域快軌的安全性和舒適性,有必要利用1 785~1 805 MHz專用頻段組建高安全、高性能、抗干擾的TD-LTE市域快軌無(wú)線綜合通信網(wǎng)。

        3 系統(tǒng)方案

        3.1 系統(tǒng)組網(wǎng)方案

        基于對(duì)市域快軌車地?zé)o線傳輸業(yè)務(wù)的需求分析,以廣州地鐵18號(hào)線為研究背景,可實(shí)現(xiàn)TD-LTE無(wú)線信息傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組網(wǎng)方案有以下3種:

        (1)通信信號(hào)業(yè)務(wù)建設(shè)TD-LTE綜合承載網(wǎng)絡(luò)。建設(shè)1套硬件完全冗余的TD-LTE綜合承載網(wǎng)絡(luò),考慮到信號(hào)CBTC系統(tǒng)對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)的可靠性、安全性要求更高,必須采用雙網(wǎng)冗余的設(shè)置方式,建議由信號(hào)專業(yè)對(duì)綜合承載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建設(shè),為通信專業(yè)的相關(guān)業(yè)務(wù)需求配置無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸通道。TD-LTE雙網(wǎng)綜合承載傳輸網(wǎng)絡(luò)示意見(jiàn)圖1。

        優(yōu)點(diǎn):該方案可降低TD-LTE車地?zé)o線信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的整體造價(jià),實(shí)現(xiàn)資源的整合和充分利用,滿足信號(hào)系統(tǒng)對(duì)車地?zé)o線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩砸?,?jié)約頻帶資源的使用寬度。雙網(wǎng)之間可應(yīng)用MIMO技術(shù),進(jìn)一步提高信息傳輸效率。

        缺點(diǎn):信號(hào)系統(tǒng)與通信系統(tǒng)在無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)增加了接口,同時(shí)系統(tǒng)的涵蓋范圍遠(yuǎn)大于信號(hào)系統(tǒng)常規(guī)覆蓋的行車區(qū)域。

        (2)通信信號(hào)業(yè)務(wù)獨(dú)立建設(shè)單網(wǎng),由通信專業(yè)為信號(hào)專業(yè)提供冗余通道。通信信號(hào)專業(yè)各自建設(shè)1套TD-LTE硬件傳輸網(wǎng)絡(luò),通信專業(yè)單網(wǎng)承載無(wú)線調(diào)度業(yè)務(wù)和列車運(yùn)行緊急數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)??紤]到信號(hào)CBTC系統(tǒng)對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)的可靠性、安全性要求更高,必須采用雙網(wǎng)冗余的設(shè)置方式,則由通信專業(yè)為信號(hào)專業(yè)配置冗余無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸通道,以滿足信號(hào)系統(tǒng)冗余需求。TD-LTE雙網(wǎng)冗余傳輸網(wǎng)絡(luò)示意見(jiàn)圖2。

        優(yōu)點(diǎn):該方案同樣可降低TD-LTE車地?zé)o線信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的整體造價(jià),實(shí)現(xiàn)資源的整合和充分利用,技術(shù)上滿足信號(hào)系統(tǒng)對(duì)車地?zé)o線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?,?jié)約頻帶資源的使用寬度。

        缺點(diǎn):信號(hào)系統(tǒng)與通信系統(tǒng)在無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)增加了接口,同時(shí)信號(hào)系統(tǒng)冗余通道的可靠性和安全性需要由通信系統(tǒng)保障。

        圖1 TD-LTE雙網(wǎng)綜合承載傳輸網(wǎng)絡(luò)示意圖

        (3)通信專業(yè)獨(dú)立建設(shè)單網(wǎng),信號(hào)專業(yè)獨(dú)立建設(shè)冗余雙網(wǎng)。通信專業(yè)獨(dú)立建設(shè)1套TD-LTE硬件傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,承載無(wú)線調(diào)度業(yè)務(wù)和列車運(yùn)行緊急數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)??紤]到信號(hào)CBTC系統(tǒng)對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)的可靠性、安全性要求更高,必須采用雙網(wǎng)冗余的設(shè)置方式,信號(hào)專業(yè)獨(dú)立建設(shè)1套冗余無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。TD-LTE三網(wǎng)冗余承載傳輸網(wǎng)絡(luò)示意見(jiàn)圖3。

        優(yōu)點(diǎn):該方案中通信、信號(hào)2個(gè)系統(tǒng)在無(wú)線信息傳輸系統(tǒng)上完全獨(dú)立,工程安裝、調(diào)試以及后期的設(shè)備維護(hù)都相對(duì)獨(dú)立,降低了專業(yè)之間的依賴,在管理上更為便利。

        缺點(diǎn):增加了工程建設(shè)的成本,增加了無(wú)線頻帶資源的使用寬度。

        為了滿足以上3 種方案的建設(shè)和使用需求,同時(shí)因1 765~1 785 MHz為中國(guó)電信的FDD-LTE上行頻段,1 805~1 830 MHz為中國(guó)移動(dòng)的DCS下行頻段,考慮系統(tǒng)之間的影響應(yīng)降至最小,建議在市域快軌工程中,采用地下段按10 MHz+3 MHz、高架區(qū)間及地面區(qū)間按5 MHz+3 MHz的雙網(wǎng)方式組建無(wú)線綜合通信網(wǎng),承載各專業(yè)的無(wú)線語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)。

        3.2 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成方案

        基于TD-LTE技術(shù)的市域快軌無(wú)線綜合通信網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成包括:無(wú)線核心網(wǎng)服務(wù)器、基站(BBU)、軌旁無(wú)線設(shè)備(RRU)、無(wú)線車載終端(TAU)及漏纜、天線等(見(jiàn)圖4)。根據(jù)市域快軌的運(yùn)輸特點(diǎn),無(wú)線綜合通信網(wǎng)BBU按正線車站、車輛段、停車場(chǎng)等為單位進(jìn)行設(shè)置,其無(wú)線核心網(wǎng)設(shè)備放置在控制中心機(jī)房?jī)?nèi)。

        3.3 無(wú)線信號(hào)覆蓋方案

        市域快軌無(wú)線綜合通信網(wǎng)的無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋范圍包括全線各車站的站廳、出入口、設(shè)備區(qū)、站臺(tái)、地下隧道區(qū)間、高架區(qū)間,以及車輛段和停車場(chǎng)區(qū)域,可采用如下方式進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)覆蓋:

        圖2 TD-LTE雙網(wǎng)冗余傳輸網(wǎng)絡(luò)示意圖

        圖3 TD-LTE三網(wǎng)冗余承載傳輸網(wǎng)絡(luò)示意圖

        圖4 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成示意圖

        (1)區(qū)間線路采用RRU+漏纜輻射方式進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)覆蓋(見(jiàn)圖5),并可通過(guò)對(duì)無(wú)線參數(shù)優(yōu)化、增強(qiáng)TD-LTE信號(hào)強(qiáng)度、利用車輛的屏蔽作用等措施降低無(wú)線干擾[11]。

        (2)車站、車輛段、停車場(chǎng)采用RRU+室內(nèi)全向天線覆蓋(見(jiàn)圖6)。

        圖5 區(qū)間無(wú)線信號(hào)覆蓋方式

        圖6 車站、車輛段、停車場(chǎng)無(wú)線信號(hào)覆蓋方式

        4 結(jié)束語(yǔ)

        市域快軌對(duì)建設(shè)基于TD-LTE技術(shù)的無(wú)線綜合通信網(wǎng)的需求十分迫切。在此,重點(diǎn)對(duì)業(yè)務(wù)需求分析、系統(tǒng)組網(wǎng)方案比選、無(wú)線信號(hào)覆蓋方案等進(jìn)行研究,結(jié)合TD-LTE公網(wǎng)和行業(yè)專網(wǎng)的頻段分析,提出采用1 785~1 805 MHz頻段進(jìn)行建設(shè),可更加有效地解決專用頻率資源問(wèn)題,還可大大減少工程投資。

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