陳昳，虞凱，熊潔，段永奇

隨著我國旅游文化的不斷推廣、旅游產(chǎn)業(yè)的不斷壯大，山地旅游以前所未有的速度快速增長。而交通是山地旅游發(fā)展面臨的首要問題，山地旅游交通資源匱乏、公共交通方式單一的問題日益突出。傳統(tǒng)的道路交通已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代山地旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要，在當(dāng)今形勢下發(fā)展低污染、低能耗、低排放、多種制式、經(jīng)濟(jì)適用的軌道交通刻不容緩。與常規(guī)山地道路交通相比較，山地軌道交通具有造價低、安全、環(huán)保、運營成本低、施工周期短、適應(yīng)山地極大坡道、美觀、舒適度高等優(yōu)點，逐漸成為近年山地旅游交通項目的重要選擇［1-3］。

無線通信系統(tǒng)是軌道交通中進(jìn)行列車運行控制、運營調(diào)度指揮和生產(chǎn)作業(yè)管理的一個重要子系統(tǒng)，為列車與地面之間的語音、數(shù)據(jù)、圖像等信息傳輸提供必要的通信手段。鐵路、地鐵等大運量軌道交通，由于其線網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運營管理全面、客流量大等特點，采用的無線通信系統(tǒng)通常功能全面、結(jié)構(gòu)龐雜，或者采用多個無線通信系統(tǒng)。例如，高速鐵路采用功能和結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的GSM-R系統(tǒng)；地鐵則采用多個獨立的無線通信系統(tǒng)分別解決調(diào)度語音、列控信息、乘客信息系統(tǒng)圖像和視頻等傳輸問題。隨著第四代移動通信系統(tǒng)的發(fā)展，LTE技術(shù)開始普遍應(yīng)用于新建的地鐵項目中。目前在建的地鐵項目中，普遍采用2套互為獨立的LTE系統(tǒng)承載列控信息的傳輸［4］。

山地軌道交通在客流方面屬于中低運量軌道交通；線網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對簡單，通常只有1條或幾條線路；對列車運營要求不如鐵路和地鐵那么高，運營模式簡單；整體造價較低。綜合以上因素，山地軌道交通的無線通信系統(tǒng)沒必要像鐵路和地鐵等大運量軌道交通那樣繁雜，對無線通信的需求沒有那么嚴(yán)苛。因此，在無線通信系統(tǒng)的設(shè)計上，應(yīng)考慮資源整合，降低造價等因素，在保證安全的前提下，更多地考慮其經(jīng)濟(jì)適用性。

本文針對山地軌道交通的特點，研究提出了“單網(wǎng)LTE+單網(wǎng)DMR”的新型無線通信系統(tǒng)方案，并通過業(yè)務(wù)負(fù)荷分擔(dān)等技術(shù)，滿足無線通信系統(tǒng)承載列控、調(diào)度通信等業(yè)務(wù)時對安全性和可靠性的要求，同時降低工程造價，節(jié)省工程投資。

1 山地軌道交通發(fā)展現(xiàn)狀

山地旅游景區(qū)通常處于山脈相連、高低起伏、大坡道的崇山峻嶺中，這對軌道交通的爬坡能力提出了特殊的要求。齒軌交通因其具有可適應(yīng)480‰坡度的超大爬坡能力，成為山地軌道交通的首選。

齒軌交通是集傳統(tǒng)鋼輪鋼軌粘著驅(qū)動方式和齒輪齒條的大坡道驅(qū)動方式于一體的交通工具。在常規(guī)坡道路段，僅利用傳統(tǒng)鋼輪鋼軌間的粘著牽引列車前行；在超大坡道路段，軌道上鋪設(shè)的齒條與車輛自帶的齒輪機(jī)構(gòu)嚙合實現(xiàn)牽引，傳統(tǒng)鋼輪鋼軌僅用于列車承載和導(dǎo)向，以實現(xiàn)列車的大坡道前行［5］。

齒軌交通并不是新興軌道交通產(chǎn)業(yè)，誕生于100多年前的瑞士，截至目前，瑞士、奧地利、法國、德國、日本等國已建成齒軌線路約180條，總里程超過3 000 km［6］。國外齒軌交通示例見圖1。

圖1 國外齒軌交通示例

齒軌交通在我國還處于起步階段，目前尚未有一條商業(yè)運營線。我國自2015年起啟動齒軌交通相關(guān)研究，四川、浙江、陜西等正在規(guī)劃建設(shè)以齒軌為主的山地軌道交通項目方案，并在四川四姑娘山、玉龍拉錯、彭州、光霧山、浙江越龍山等地開展山地齒軌旅游交通線路規(guī)劃研究和工程設(shè)計研究。

2 山地軌道交通運營特點

山地軌道交通有別于鐵路、地鐵等項目，定位為“旅游觀光”線路，其特點如下。

1）山地軌道交通屬于中低運量軌道交通，客流量低。

2）山地軌道交通主要解決旅游觀光，與鐵路和地鐵主要解決旅客交通出行的功能定位不同，因此山地軌道交通的發(fā)車間隔時間長、密度小。

3）列車運行速度慢，齒軌路段車速不超過20 km/h，對于“齒軌+輪軌”結(jié)合的山地軌道交通，輪軌車速一般不超過120 km/h。

基于以上特點，山地軌道交通對運營的要求略低于鐵路、地鐵等大運量軌道交通，甚至可容忍列車的晚點和停車等突發(fā)狀況。

3 山地軌道交通車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)分析

3.1 車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)

軌道交通采用無線通信實現(xiàn)列車與地面設(shè)備之間信息的無線傳輸。根據(jù)軌道交通業(yè)務(wù)的特點以及與行車安全的相關(guān)性，車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)可分為安全數(shù)據(jù)、非安全數(shù)據(jù)、語音、圖像/視頻等四大類：①安全數(shù)據(jù)是指影響行車安全的信息，如基于無線通信的列控信息；②非安全數(shù)據(jù)是指除安全數(shù)據(jù)以外的文本類數(shù)據(jù)，例如調(diào)度命令和車次號、列車緊急文本和運行狀態(tài)等信息；③語音信息，如調(diào)度、客運、維護(hù)、公安、搶修、救援等無線語音信息；④圖像和視頻等大帶寬數(shù)據(jù)，包括多媒體調(diào)度、車載PIS和CCTV等。

3.2 業(yè)務(wù)需求分析

根據(jù)山地軌道交通運營特點和需求，車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)可進(jìn)行優(yōu)化。

1）根據(jù)技術(shù)發(fā)展需求，信號系統(tǒng)普遍采用基于無線通信的列控系統(tǒng)，例如目前正在開展設(shè)計的四川四姑娘山、彭州等山地軌道交通項目都采用了基于無線通信的列控系統(tǒng)。

2）調(diào)度命令、車次號等與列車調(diào)度相關(guān)的文本類數(shù)據(jù)，以及調(diào)度、客運、維護(hù)、搶修、救援等語音通信是保證列車的行車安全和運營需求的重要通信內(nèi)容，是山地軌道交通無線通信系統(tǒng)設(shè)計時必須考慮的承載業(yè)務(wù)。

3）列車緊急文本、列車運行狀態(tài)、乘客文本信息、車載PIS和車載視頻等業(yè)務(wù)，可以提高軌道交通的運營管理水平，但并不是必需的業(yè)務(wù)，在無線通信帶寬資源充足的情況可考慮采用。

山地軌道交通具體業(yè)務(wù)內(nèi)容、帶寬需求及必要性見表1。

表1 山地軌道交通車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)

4 山地軌道交通新型無線通信系統(tǒng)技術(shù)體制研究

4.1 無線通信技術(shù)比選

目前，軌道交通主要采用的無線通信技術(shù)包括GSM-R、TETRA、WLAN、LTE和DMR。

GSM-R是專門為鐵路通信設(shè)計的綜合專用數(shù)字移動通信系統(tǒng)。我國鐵路GSM-R系統(tǒng)是一個功能完善、系統(tǒng)龐雜的移動通信網(wǎng)，實現(xiàn)鐵路列車無線調(diào)度、站場調(diào)車通信、區(qū)間移動通信等語音功能，以及列控信息、車次號、調(diào)度命令等數(shù)據(jù)無線傳輸，擁有專屬頻段。由于GSM-R具有鐵路專屬性，其他軌道交通無法采用該技術(shù)。

TETRA是基于數(shù)字時分復(fù)用（TDMA）的無線通信技術(shù)。我國地鐵、輕軌等城市軌道交通普遍采用該技術(shù)實現(xiàn)調(diào)度語音通信。

WLAN是一種被廣泛應(yīng)用和部署的無線寬帶接入技術(shù)，工作在2.4 GHz或5 GHz公共頻段，無需進(jìn)行頻率申請。目前我國城市軌道交通普遍采用WLAN承載CBTC、PIS和CCTV等系統(tǒng)業(yè)務(wù)，但存在安全性差、切換頻繁、移動場景帶寬低、干擾源多等問題。

LTE是第四代無線通信技術(shù)，采用正交頻分復(fù)用、多輸入多輸出、自適應(yīng)調(diào)制編碼，以及混合自動重傳等技術(shù)，可實現(xiàn)圖像、視頻等大帶寬數(shù)據(jù)的無線傳輸。我國已明確1 785 M～1 805 MHz頻段可用于交通、電力等行業(yè)的LTE專網(wǎng)。目前，軌道交通行業(yè)逐漸采用LTE技術(shù)滿足車地?zé)o線通信傳輸需求。

DMR是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ESTI）為專業(yè)移動無線通信用戶制定的數(shù)字無線通信技術(shù)，用以替代模擬無線對講技術(shù)，近年來逐漸應(yīng)用于各行各業(yè)的專網(wǎng)無線通信領(lǐng)域［7］。例如，公安PDT系統(tǒng)、鐵路編組站平面調(diào)車系統(tǒng)、鐵路客站無線通信系統(tǒng)等都采用DMR技術(shù)解決調(diào)度語音和短數(shù)據(jù)通信。因其具有適用于語音通信、造價低廉等優(yōu)勢，DMR逐漸用于構(gòu)建經(jīng)濟(jì)適用型無線通信專網(wǎng)系統(tǒng)。

無線通信系統(tǒng)技術(shù)特點對比見表2。

表2 無線通信系統(tǒng)技術(shù)特點對比

4.2 新型無線通信系統(tǒng)技術(shù)體制

無線通信系統(tǒng)技術(shù)體制的選擇應(yīng)首先考慮保證列車的安全運營。列車控制和調(diào)度是首要因素，因此，列車控制、調(diào)度語音通信、調(diào)度命令和車次號傳輸是無線通信系統(tǒng)需優(yōu)先保證的業(yè)務(wù)?；诂F(xiàn)有的技術(shù)發(fā)展水平和行業(yè)政策，山地軌道交通無線通信系統(tǒng)推薦采用LTE寬帶無線通信技術(shù)。

鐵路和地鐵等大運量軌道交通，對列車的準(zhǔn)點率、故障率等要求非常高，不允許出現(xiàn)非正常停車等事故。為此，鐵路和地鐵等城市軌道交通無線通信系統(tǒng)通常采用同一無線通信網(wǎng)絡(luò)冗余組網(wǎng)的方式，確保列控數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴＠?，高鐵采用GSM-R交織組網(wǎng)的方式承載C3級列控信息［8］；地鐵等城市軌道交通則采用2套獨立的LTE無線通信網(wǎng)絡(luò)承載CBTC信息［9］。無論是同站址雙網(wǎng)還是交織組網(wǎng)，都是通過增加基站數(shù)量來達(dá)到冗余組網(wǎng)的目的，從而保證系統(tǒng)的可靠性，但也會帶來無線通信系統(tǒng)的投資成倍增加等問題。

鑒于山地軌道交通對運營需求沒有鐵路、地鐵那么嚴(yán)苛，考慮經(jīng)濟(jì)適用性，本文提出山地軌道交通新型無線通信系統(tǒng)，即“單網(wǎng)LTE+單網(wǎng)DMR”寬窄帶融合的無線通信技術(shù)方案：采用LTE寬帶無線通信系統(tǒng)實現(xiàn)山地軌道交通無線業(yè)務(wù)的綜合承載；當(dāng)LTE系統(tǒng)故障時，DMR窄帶無線通信系統(tǒng)作為補(bǔ)充，可承載調(diào)度通信語音和調(diào)度命令、車次號等部分?jǐn)?shù)據(jù)。

5 基于寬窄帶融合的新型無線通信系統(tǒng)技術(shù)方案

5.1 業(yè)務(wù)承載方案

“LTE+DMR”寬窄帶融合無線通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)承載方案如下。

1）LTE為主用網(wǎng)絡(luò)，用于綜合承載列控信息、調(diào)度語音通信、調(diào)度命令和車次號等信息，在帶寬充足的情況下，還可承載車載PIS和視頻等業(yè)務(wù)。

2）DMR為備用補(bǔ)充網(wǎng)絡(luò)，通常用于承載除調(diào)度以外的客運、維護(hù)、公安、搶修、救援等其他語音通信業(yè)務(wù)。

3）DMR同時作為LTE備用系統(tǒng)。當(dāng)LTE系統(tǒng)故障時，DMR承載調(diào)度語音通信和調(diào)度命令、車次號等非安全數(shù)據(jù)；同時由于無線通信系統(tǒng)無法承載列控信息，信號系統(tǒng)降級為站間閉塞模式，司機(jī)通過信號指示燈目視行車，并通過DMR系統(tǒng)保持與調(diào)度室的無線通信。

4）通過寬窄帶融合技術(shù)實現(xiàn)LTE和DMR的融合通信，滿足語音和短數(shù)據(jù)的互通。

LTE和DMR承載業(yè)務(wù)見表3。

表3 LTE和DMR承載業(yè)務(wù)

5.2 系統(tǒng)架構(gòu)

山地軌道交通新型無線通信系統(tǒng)由單網(wǎng)LTE和單網(wǎng)DMR組成，并通過寬窄帶融合服務(wù)器實現(xiàn)LTE與DMR的互聯(lián)。以四姑娘山山地軌道交通項目為例，其系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。

圖2 山地軌道交通新型無線通信系統(tǒng)架構(gòu)

山地軌道交通新型無線通信系統(tǒng)由中心設(shè)備、LTE無線通信網(wǎng)絡(luò)、DMR無線通信網(wǎng)絡(luò)和終端組成。

1）中心設(shè)備設(shè)置于線路控制中心或調(diào)度大樓，由LTE核心網(wǎng)、DMR中心服務(wù)器、寬窄帶融合服務(wù)器、調(diào)度服務(wù)器、存儲設(shè)備、接口服務(wù)器、網(wǎng)管等設(shè)備組成：①LTE核心網(wǎng)由移動管理實體（MME）、歸屬簽約用戶服務(wù)器（HSS）、服務(wù)網(wǎng)關(guān)（S-GW）、分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)（P-GW）等網(wǎng)元組成；②DMR中心服務(wù)器負(fù)責(zé)管理DMR無線通信網(wǎng)絡(luò)；③寬窄帶融合服務(wù)器負(fù)責(zé)實現(xiàn)LTE和DMR無線通信系統(tǒng)的互聯(lián)，實現(xiàn)語音和短數(shù)據(jù)的互通；④調(diào)度服務(wù)器實現(xiàn)全線無線調(diào)度通信功能；⑤接口服務(wù)器實現(xiàn)與列控系統(tǒng)、PIS系統(tǒng)等外部系統(tǒng)的互聯(lián)。

2）線路沿線、車輛基地及站房布設(shè)無線通信網(wǎng)絡(luò)，包括LTE無線接入網(wǎng)和DMR基站設(shè)備。①LTE無線接入網(wǎng)由LTE基站（eNodeB）組成，eNodeB采用分布式基帶處理單元（BBU）+射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）的方式，BBU與RRU通過光纜連接。RRU采用室外型設(shè)備，在開闊區(qū)間，將其安裝于鐵塔或電桿底部，按1～3 km間距設(shè)置，采用天線方式覆蓋；在隧道區(qū)段，將其安裝于隧道內(nèi)，按1.5 km間距設(shè)置，采用漏纜方式覆蓋；車輛基地及站房等通過時分系統(tǒng)實現(xiàn)室內(nèi)全覆蓋。采用1 785 M～1 805 MHz頻段，根據(jù)小區(qū)容量規(guī)劃和邊緣容量規(guī)劃，建議向無線電委員會申請10 MHz以上帶寬。②DMR無線通信網(wǎng)絡(luò)主要由DMR基站組成，沿線車站和車輛基地布設(shè)DMR基站，開闊區(qū)間采用光纖直放站結(jié)合天線進(jìn)行覆蓋，按5～8 km間距設(shè)置；隧道區(qū)段采用光纖直放站結(jié)合漏纜進(jìn)行覆蓋，按3 km間距設(shè)置。DMR站址考慮與LTE站址合設(shè)。根據(jù)容量測算及項目具體情況，可向無線電委員會申請403 M～423.5 MHz頻率范圍內(nèi)6對以上頻率，每個頻率占用帶寬12.5 kHz。

3）終端由調(diào)度臺、車載終端、手持終端等組成：①調(diào)度臺采用LTE和DMR融合調(diào)度臺，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度；②車載終端采用LTE和DMR多模車載終端，可同時接入LTE和DMR無線通信網(wǎng)絡(luò)；③手持終端包括LTE寬屏終端和DMR終端，也可采用LTE和DMR多模手持終端。

5.3 系統(tǒng)特點

采用基于寬窄帶融合的新型無線通信系統(tǒng)，與傳統(tǒng)雙網(wǎng)LTE方案相比，其優(yōu)勢如下。

1）投資低。DMR的投資遠(yuǎn)低于LTE，采用“單網(wǎng)LTE+單網(wǎng)DMR”方案后，可大幅降低系統(tǒng)造價，以及功耗、維護(hù)等運營費用。

2）綜合業(yè)務(wù)承載能力增強(qiáng)。由于LTE可申請的帶寬資源有限，采用雙網(wǎng)冗余組網(wǎng)后，其承載業(yè)務(wù)的能力變?nèi)酢Ｒ?0 MHz帶寬為例，如果采用雙網(wǎng)模式，則每個網(wǎng)絡(luò)可供使用的資源只有5 MHz，僅能承載列控、調(diào)度語音及部分短數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；如果采用單網(wǎng)LTE方案，則單個LTE網(wǎng)絡(luò)可使用10 MHz帶寬資源，可進(jìn)一步承載PIS、視頻等大帶寬業(yè)務(wù)，承載業(yè)務(wù)能力得到較大提升［10］。

6 總結(jié)

本文結(jié)合山地軌道交通的運營特點及其對無線通信的需求，通過對現(xiàn)有無線通信技術(shù)體制的比選，提出了“單網(wǎng)LTE+單網(wǎng)DMR”的山地軌道交通新型無線通信系統(tǒng)方案，實現(xiàn)列控、調(diào)度語音、調(diào)度命令和車次號、車載PIS和車載視頻等業(yè)務(wù)的綜合無線承載，同時通過寬窄帶雙網(wǎng)方式滿足山地軌道交通承載列控、調(diào)度通信等業(yè)務(wù)對安全性和可靠性的要求。相比于傳統(tǒng)的雙網(wǎng)LTE方案，該方案既可降低工程造價，又可提升LTE綜合業(yè)務(wù)承載能力，適用于山地齒軌等中低運量軌道交通。下一步將結(jié)合具體工程項目的實施，研究寬窄帶不同網(wǎng)絡(luò)制式之間的融合通信技術(shù)。