常峰，劉雪萍

（1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 地下鐵道設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610000；2.成都地鐵運(yùn)營有限公司 客運(yùn)分部，四川 成都 610000）

0 引言

信號(hào)系統(tǒng)在城軌交通自動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)揮著非常重要的作用，控制列車安全、平穩(wěn)、高速、準(zhǔn)時(shí)、有序運(yùn)行。信號(hào)系統(tǒng)的核心是列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（ATC），主要包括以下子系統(tǒng)：列車自動(dòng)防護(hù)子系統(tǒng)（ATP）、列車自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)（ATO）和列車自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)（ATS）。各子系統(tǒng)之間相互配合、聯(lián)動(dòng)，中央級(jí)和車站級(jí)控制、軌旁和車載控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行、行車指揮和運(yùn)行調(diào)整自動(dòng)化等功能［1-3］。在城軌交通中，信號(hào)系統(tǒng)作為安全運(yùn)營的保障，無論是使用無線局域網(wǎng)（WLAN）還是長期演進(jìn)（LTE）技術(shù)，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽堪踩陵P(guān)重要［4-5］。

寧波市軌道交通3號(hào)線1期工程是浙江省首條應(yīng)用LTE技術(shù)綜合承載信號(hào)和無線集群系統(tǒng)方案的地鐵線路，實(shí)現(xiàn)了在有限頻譜資源（10 MHz）情況下綜合承載業(yè)務(wù)內(nèi)容以及冗余性設(shè)計(jì)的創(chuàng)新。經(jīng)過運(yùn)營多年的工程實(shí)際檢驗(yàn)，驗(yàn)證了該創(chuàng)新方案的合理性。

1 WLAN技術(shù)的不足

1.1 網(wǎng)絡(luò)覆蓋和漫游問題

基于WLAN技術(shù)的無線傳輸媒介是自然空氣，傳播過程中衰耗較多。在地下隧道內(nèi)傳播會(huì)受到隧道壁的反射，彎道和坡度也對無線傳輸造成干擾。應(yīng)用于高架及地面線路時(shí)，對周圍的環(huán)境要求較高，周圍有較多高大建筑物時(shí)，在傳輸過程中會(huì)產(chǎn)生反射，造成通信傳輸質(zhì)量和速率下降。

為了保證在單個(gè)無線接入點(diǎn)設(shè)備（AP）故障時(shí)通信不中斷，需要在同一地點(diǎn)設(shè)置雙網(wǎng)冗余覆蓋，相應(yīng)的光、電纜使用量較多。列車在各AP之間頻繁切換漫游，視頻流易中斷。

基于WLAN技術(shù)的車地?zé)o線通信系統(tǒng)在傳輸過程中易發(fā)生數(shù)據(jù)丟包、傳輸時(shí)間延遲，對于高速行駛的列車來說，信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性較差，降低了系統(tǒng)整體的可靠性［6］。

1.2 網(wǎng)絡(luò)安全和管理問題

基于WLAN技術(shù)的信號(hào)系統(tǒng)采用基于IEEE802.11協(xié)議的2.4 GHz標(biāo)準(zhǔn)開放頻段，在這一頻段范圍內(nèi)存在很多民用無線設(shè)備（如Wi-Fi）。在列車運(yùn)行過程中使用這些設(shè)備，就有可能干擾車地?zé)o線通信系統(tǒng)，影響運(yùn)營安全［7］。

從運(yùn)營角度而言，AP設(shè)備多，則造成管理難度大、維護(hù)難度大、故障概率增加。

2 LTE技術(shù)的優(yōu)勢

LTE無線通信系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、頻譜利用率高、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延小、移動(dòng)性能優(yōu)異、可靠性及安全性高等技術(shù)優(yōu)勢［8］?；贚TE技術(shù)的車地?zé)o線通信采用稀缺的專用頻段資源，能夠很好地解決傳統(tǒng)WLAN技術(shù)易受外圍無線設(shè)備干擾、高速移動(dòng)性差等問題，極大提升了信號(hào)系統(tǒng)的可用性及可靠性。同時(shí)，移動(dòng)閉塞信號(hào)系統(tǒng)車地?zé)o線子系統(tǒng)的變化，不會(huì)造成信號(hào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、配置和功能的改變［9-10］。

LTE技術(shù)綜合承載相較于系統(tǒng)單獨(dú)組網(wǎng)，在實(shí)現(xiàn)必需業(yè)務(wù)需求的情況下，更合理優(yōu)化，更能充分發(fā)揮寬帶網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，頻譜資源也能得到更好利用。

3 LTE綜合承載業(yè)務(wù)分析

3.1 公安通信

公安通信無線系統(tǒng)是專門為地鐵安全運(yùn)營服務(wù)的，因其特殊性方面的考慮，采用特有頻段，無法納入綜合承載平臺(tái)。

3.2 民用通信

因?yàn)橛扇筮\(yùn)營商自行建設(shè)民用通信無線系統(tǒng)，制式不統(tǒng)一，對于其他城軌交通業(yè)務(wù)，納入綜合承載平臺(tái)難度較大。

3.3 乘客信息系統(tǒng)（PIS）和視頻監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）

綜合承載PIS及CCTV需占用較大頻譜資源，由于頻譜資源有限，目前情況是批復(fù)給寧波市軌道交通3號(hào)線1期工程10 MHz，不能滿足大帶寬的需求。

3.4 無線集群調(diào)度

無線集群調(diào)度系統(tǒng)基于地面集群無線電（TETRA）開放標(biāo)準(zhǔn)組網(wǎng)，為調(diào)度員、值班員和司機(jī)等提供無線通信手段，一般情況下無冗余架構(gòu)。寧波市無線電管理委員會(huì)批復(fù)給寧波市軌道交通3號(hào)線1期工程的專用頻譜只有10 MHz。若考慮將無線集群納入綜合承載平臺(tái)，5 MHz帶寬能夠滿足綜合承載單網(wǎng)通信的需要，并在單網(wǎng)故障情況下，實(shí)現(xiàn)基于通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（CBTC）和無線集群系統(tǒng)其中之一能夠正常工作，可增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。

采用10 MHz（1 790～1 800 MHz）構(gòu)成LTE綜合承載系統(tǒng)，按照A、B雙網(wǎng)冗余設(shè)計(jì)，2張網(wǎng)分別采用5 MHz帶寬組網(wǎng)，其中A網(wǎng)主要用于承載CBTC和集群調(diào)度，B網(wǎng)僅承載CBTC。為進(jìn)一步確保集群調(diào)度的可靠性，實(shí)現(xiàn)在A網(wǎng)基站故障時(shí)，仍可通過B網(wǎng)基站接入集群終端，最終與A網(wǎng)核心網(wǎng)通信。A、B雙網(wǎng)冗余組網(wǎng)方案實(shí)現(xiàn)在單網(wǎng)故障情況下CBTC系統(tǒng)不中斷，不影響正常行車運(yùn)營。

根據(jù)寧波市軌道交通3號(hào)線1期工程批復(fù)的頻譜資源，以及信號(hào)系統(tǒng)雙網(wǎng)冗余要求，創(chuàng)新性提出LTE技術(shù)綜合承載CBTC和無線集群調(diào)度方案。

4 寧波市軌道交通3號(hào)線1期工程LTE綜合承載網(wǎng)絡(luò)

4.1 LTE有線網(wǎng)絡(luò)

信號(hào)系統(tǒng)的有線傳輸骨干網(wǎng)絡(luò)采用單獨(dú)組網(wǎng)方式，獨(dú)立設(shè)置光纖網(wǎng)絡(luò)，骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)（或網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)）在控制中心、正線設(shè)備集中站、車輛段/停車場設(shè)置?；贚TE技術(shù)的有線承載網(wǎng)采用A、B雙網(wǎng)冗余架構(gòu)，擁有2個(gè)完全獨(dú)立的物理傳輸通道，在其中任一網(wǎng)絡(luò)設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下，切換至另一網(wǎng)絡(luò)。

物理傳輸通道的隔離，單網(wǎng)故障情況下的無縫切換，骨干網(wǎng)交換機(jī)、核心網(wǎng)交換機(jī)、基帶處理單元（BBU）等關(guān)鍵設(shè)備雙電源配置，提高了綜合承載網(wǎng)絡(luò)的可靠性與可用性。

4.2 LTE車地通信無線網(wǎng)絡(luò)

車地通信無線系統(tǒng)軌旁和車載設(shè)備均采用A、B雙網(wǎng)冗余設(shè)計(jì)，2張網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立，且雙網(wǎng)采用獨(dú)立的頻率資源，實(shí)現(xiàn)雙頻冗余覆蓋（A、B網(wǎng)獨(dú)立部署所有無線網(wǎng)絡(luò)單元及鏈路）。車地通信無線系統(tǒng)除網(wǎng)絡(luò)級(jí)冗余外，還對關(guān)鍵單元的設(shè)備或單板進(jìn)行備份以提升系統(tǒng)可靠性。例如，對核心網(wǎng)、車載無線接入單元進(jìn)行設(shè)備級(jí)備份，對核心網(wǎng)、BBU單板1+1備份，當(dāng)主用單板失效，備用單板能夠?qū)崟r(shí)倒換為主用單板。A網(wǎng)作為綜合承載網(wǎng)絡(luò)，部署2套核心網(wǎng)進(jìn)行設(shè)備級(jí)備份，分為主用核心網(wǎng)和備用核心網(wǎng)，需同時(shí)承載CBTC及無線集群調(diào)度系統(tǒng)。

4.2.1 軌旁無線冗余覆蓋

軌旁設(shè)備包括LTE無線網(wǎng)絡(luò)的BBU、射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）、功分器、耦合單元、天線、漏纜等。考慮80 m的重疊覆蓋距離，如果采用1.8 GHz頻段，漏纜傳輸媒介，RRU原則上可按照1.2 km的間距進(jìn)行設(shè)置，相鄰小區(qū)覆蓋有充分的重疊區(qū)域，充分保障了無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。軌旁無線冗余覆蓋方案見圖1。

圖1 軌旁無線冗余覆蓋方案

寧波市軌道交通3號(hào)線1期工程區(qū)間通過專用漏纜將射頻信號(hào)輻射和傳輸，在控制中心大樓、車站附屬出入口、站廳層采用天線覆蓋，站廳層無線覆蓋的RRU位于本站信號(hào)設(shè)備室。站臺(tái)區(qū)域采用區(qū)間兩側(cè)漏纜輻射信號(hào)覆蓋。整個(gè)車輛段/停車場區(qū)域提供無線信號(hào)覆蓋，根據(jù)車輛段/停車場站場形式，分區(qū)域部署RRU用于滿足無線信號(hào)覆蓋。

地下部分采用隧道區(qū)間上、下行分別敷設(shè)單漏纜方案，A、B網(wǎng)RRU采用1.8 GHz頻段的4進(jìn)4出，使用其中2個(gè)合路器分別接左右2個(gè)方向，這2個(gè)合路器屬于1個(gè)小區(qū)。

在設(shè)計(jì)過程中經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)X站有實(shí)體墻的單渡線處無線覆蓋信號(hào)較弱，無法滿足連續(xù)式車地通信的需要。為實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)倪B續(xù)性，在有墻體的單渡線處增設(shè)漏纜。地下隧道區(qū)間RRU與漏纜連接方案見圖2。

圖2 地下隧道區(qū)間RRU與漏纜連接方案

在高架區(qū)段，因上下行軌道間距較小且沒有實(shí)體建筑隔離，若將上、下行區(qū)間分別單獨(dú)采用RRU進(jìn)行覆蓋，則會(huì)產(chǎn)生小區(qū)間干擾現(xiàn)象。為避免干擾發(fā)生，設(shè)計(jì)過程中針對上、下行區(qū)間單網(wǎng)采用同一個(gè)RRU進(jìn)行覆蓋。

在高架區(qū)段Y站有1處存車線，原LTE覆蓋設(shè)計(jì)方案為：在存車線外側(cè)以及存車線與正線之間均單獨(dú)敷設(shè)1段漏纜進(jìn)行無線覆蓋，以滿足列車正常運(yùn)營。后期設(shè)計(jì)過程中考慮到該存車線與正線之間間距非常小，實(shí)際可利用的安裝空間寬度不到1 m，即使按照限界要求漏纜安裝完畢，今后運(yùn)營維護(hù)也極不方便。而且，當(dāng)存車線停放列車時(shí)，存車線外側(cè)LTE漏纜信號(hào)被停放列車遮擋，正線運(yùn)營列車無法接收LTE漏纜信號(hào)。綜上所述，在高架段限界較小的存車線處，取消存車線與正線之間的漏纜敷設(shè)，改為天線覆蓋方式。高架區(qū)段RRU與漏纜連接方案見圖3。

圖3 高架區(qū)段RRU與漏纜連接方案

4.2.2 車載設(shè)備

車載設(shè)備由車載無線單元、路由器、無線裝置（收發(fā)器）及天饋系統(tǒng)等組成。車輛的前后兩端車載設(shè)備通過車上的有線局域網(wǎng)連接，在A、B網(wǎng)同步工作的同時(shí)，也具有熱備功能。

每列車的車頭、車尾各部署1個(gè)車載接入單元（TAU），2個(gè)TAU分別注冊到A網(wǎng)和B網(wǎng)。車載信號(hào)設(shè)備通過車載TAU與軌旁設(shè)備（ATP/ATO等）建立通信。車載設(shè)備將發(fā)送2份相同的數(shù)據(jù)，經(jīng)由列車兩端的TAU分別同時(shí)向軌旁A網(wǎng)和B網(wǎng)發(fā)送信息。同理，軌旁設(shè)備也發(fā)送2份數(shù)據(jù)，并同時(shí)經(jīng)由列車兩端的TAU向車載設(shè)備發(fā)送信息，實(shí)現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜哂?，?dāng)車頭或車尾TAU單個(gè)故障時(shí)不影響車地?zé)o線通信的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)車地?zé)o線通信鏈路冗余。

4.3 車站LTE綜合供電方案

LTE同時(shí)承載了CBTC以及無線集群調(diào)度系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中考慮了綜合供電的冗余方案，車站LTE綜合供電方案見圖4。

圖4 車站LTE綜合供電方案

A、B網(wǎng)設(shè)備的綜合供電方案具體如下：

（1）A網(wǎng)交換機(jī)、BBU及RRU設(shè)備由本站通信電源供電；

（2）B網(wǎng)交換機(jī)、BBU及RRU設(shè)備由本站信號(hào)電源供電；

（3）A網(wǎng)室分RRU、固定臺(tái)、調(diào)度臺(tái)及語音網(wǎng)關(guān)由本站通信電源供電。

按照綜合供電方案分析電源故障對系統(tǒng)的影響如下：

（1）若存在信號(hào)輸入單級(jí)電源故障，LTE-B網(wǎng)失電導(dǎo)致無法正常工作，無線集群調(diào)度系統(tǒng)可以利用LTE-A網(wǎng)進(jìn)行通信，此時(shí)不會(huì)影響無線集群調(diào)度功能；

（2）若存在通信輸入單級(jí)電源故障，LTE-A網(wǎng)失電導(dǎo)致無法正常工作，其承載的無線集群調(diào)度故障，CBTC可以利用LTE-B網(wǎng)進(jìn)行通信，不會(huì)影響CBTC信號(hào)系統(tǒng)。

為滿足地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于不間斷電源設(shè)備對LTE部分供電時(shí)間不少于2 h、信號(hào)系統(tǒng)供電時(shí)間不少于0.5 h的要求，采用分時(shí)下電的方式實(shí)現(xiàn)該要求。當(dāng)2路市電出現(xiàn)異常時(shí)，蓄電池開始供電，下電計(jì)時(shí)監(jiān)控單元開始工作，若在計(jì)時(shí)過程中市電恢復(fù)正常，下電計(jì)時(shí)取消。若在計(jì)時(shí)過程中市電仍然處于故障狀態(tài)，下電計(jì)時(shí)時(shí)間到0.5 h，輸出下電驅(qū)動(dòng)指令，斷開斷路器，完成所有0.5 h負(fù)載設(shè)備下電。

綜上所述，采用綜合供電方案保證了LTE設(shè)備的供電冗余性，在單級(jí)電源故障情況下，實(shí)現(xiàn)任一CBTC和無線集群調(diào)度系統(tǒng)的正常工作，該方案進(jìn)一步提升了綜合承載網(wǎng)絡(luò)的冗余性。

5 結(jié)束語

隨著通信、計(jì)算機(jī)、控制（3C）技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)基于WLAN技術(shù)的車地?zé)o線通信已經(jīng)不能滿足城軌交通信號(hào)系統(tǒng)對大帶寬和安全性等各方面的需要，LTE技術(shù)在城軌信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用日益增多，將成為城軌車地?zé)o線通信的發(fā)展趨勢。對具體綜合承載方案進(jìn)行論證，提出基于LTE技術(shù)的城軌交通綜合承載網(wǎng)絡(luò)方案，實(shí)現(xiàn)在有限頻譜資源（10 MHz）情況下綜合承載業(yè)務(wù)內(nèi)容以及冗余性設(shè)計(jì)的創(chuàng)新。雙網(wǎng)獨(dú)立組網(wǎng)的架構(gòu)，從板卡級(jí)冗余到系統(tǒng)級(jí)的多級(jí)冗余，地下隧道到高架區(qū)段的適應(yīng)性無線覆蓋方案，相互交叉的綜合供電冗余方案設(shè)計(jì)，以及浙江省首條LTE綜合承載CBTC和無線集群方案的寧波市軌道交通3號(hào)線1期工程的成功應(yīng)用，都體現(xiàn)出該綜合承載網(wǎng)絡(luò)方案的合理性、可行性和可靠性。