城市軌道交通無線通信論文

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1TD-LTE主要技術(shù)優(yōu)勢

目前，國內(nèi)已建成的軌道交通信號系統(tǒng)車地通信和PIS車地通信采用802．11標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)傳輸技術(shù)。專用無線調(diào)度廣泛應(yīng)用窄帶無線數(shù)字集群技術(shù)，TETRA就是典型的代表。TD-LTE技術(shù)相比WLAN+TETRA網(wǎng)絡(luò)具有眾多的優(yōu)勢，更適合軌道交通多業(yè)務(wù)寬帶無線通信承載。

1．1抗干擾能力強(qiáng)

從工作頻段的情況來看，國內(nèi)主流的WLAN采用的是2．4GMHz、共計(jì)80MHz的帶寬，每個(gè)信道的帶寬為22MHz，完全不重疊的信號僅有3個(gè)。這意味著在隧道區(qū)間內(nèi)AP有效的覆蓋距離僅有200m左右，故地鐵采用WLAN+TETRA技術(shù)實(shí)現(xiàn)CBTC、專用無線調(diào)度及PIS系統(tǒng)顯然會(huì)對安全運(yùn)營帶來不確定的因素。相比WLAN網(wǎng)絡(luò)，LTE有著完善的抗干擾技術(shù)，采用正交頻分復(fù)用技術(shù)即OFDM具有完善的編碼、重傳和IRC(干擾抑制合并)機(jī)制，擁有毫秒級的調(diào)度機(jī)制，可根據(jù)干擾情況動(dòng)態(tài)調(diào)度資源。

1．2傳輸速率較高

較高的傳輸速率，可滿足高速移動(dòng)及大容量網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊蟆?02．11b采用2．4GHz頻段，可支持11Mbit/s的共享接入速率;802．11a工作在5．8GHz頻段，其速率高達(dá)54Mbit/s。但是，在快速移動(dòng)下，系統(tǒng)需要很大的控制信息開銷來克服由于移動(dòng)帶來的頻移、衰落等，不能很好地滿足移動(dòng)的要求。TETRA滿足語音通信和28．8Kbit/s的無線數(shù)據(jù)傳輸需求，但是面對著越來越多的視頻信息等傳輸需求，窄帶無線集群技術(shù)已經(jīng)不能勝任。LTE在20MHz頻譜帶寬上能夠提供下行100Mbit/s、上行50Mbit/s的峰值速率，能夠?yàn)?50km/h高速移動(dòng)用戶提供接入服務(wù)，并同步支持語音、視頻、數(shù)據(jù)傳輸，完全可與PIS、信號車地?zé)o線共享網(wǎng)絡(luò)。

1．3網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單

LTE以分組域業(yè)務(wù)為主要目標(biāo)，取消了電路交換域，趨近于典型的IP寬帶網(wǎng)結(jié)構(gòu)，意味著網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與目前WLAN類似。LTE結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，系統(tǒng)時(shí)延較小。同時(shí)，無線融合技術(shù)方案取代了各系統(tǒng)分設(shè)的大量的區(qū)間設(shè)備，能夠凈化安裝空間。

1．4QoS保證

WLAN二元安全架構(gòu)對應(yīng)3個(gè)物理實(shí)體，AP無獨(dú)立身份，易受攻擊，無法保證安全。LTE擁有9級QoS算法，帶寬基于業(yè)務(wù)需求按需分配，在與PIS、無線列調(diào)等系統(tǒng)共用網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可以最大程度地保證CBTC帶寬需求。

1．5技術(shù)日漸成熟，商業(yè)化程度也較高

LTE網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在全球應(yīng)用，中國移動(dòng)率先在中國部署LTE網(wǎng)絡(luò)提供公眾服務(wù)，國內(nèi)主要LTE供貨商均可提供成熟可靠的產(chǎn)品。采用LTE技術(shù)，尤其是采用具有完全知識產(chǎn)權(quán)的TD-LTE無線寬帶集群技術(shù)，將是我國城市軌道交通車地?zé)o線系統(tǒng)融合的最重要選擇。

2軌道交通各系統(tǒng)的功能需求

2．1專用無線調(diào)度系統(tǒng)

采用專用無線調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了軌道交通固定用戶與移動(dòng)用戶之間的語音、數(shù)據(jù)信息、視頻信息及附屬網(wǎng)管信息的傳輸和交換。專用無線調(diào)度分為了行車調(diào)度、維修調(diào)度、環(huán)控調(diào)度及車輛段/停車場無線調(diào)度4個(gè)部分。按照一個(gè)TD-LTE小區(qū)并發(fā)10路無線通話考慮，包括選呼、組呼、全叫和緊急呼叫的任何一種呼叫形式，每路呼叫帶寬需要32Kbit/s，10路并發(fā)需要320Kbit/s，同時(shí)在一個(gè)小區(qū)內(nèi)要有1～2路的視頻通話，傳輸?shù)膸挵凑?84Kbit/s考慮。

2．2乘客信息系統(tǒng)

PIS車地無線通信主要指控制中心向運(yùn)營車輛下發(fā)一些視頻和各類文本信息等，為下行業(yè)務(wù)。在列車正常運(yùn)營情況下，每列車可接收1路高清晰數(shù)字視頻信息，視頻編碼采用MPEG-2、MPEG-4或H．264格式，每路占用帶寬一般為4～6Mbit/s。

2．3列車視頻監(jiān)視

列車視頻監(jiān)視業(yè)務(wù)主要指運(yùn)營車輛將列車內(nèi)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控圖像傳輸至控制中心，為上行業(yè)務(wù)。在列車正常運(yùn)營情況下，軌道交通內(nèi)的運(yùn)營人員以及地鐵公安分局人員，利用視頻監(jiān)視等設(shè)備接收、觀看列車內(nèi)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控圖像，圖像的壓縮格式宜采用MPEG-4或H．264等。一般情況下，每節(jié)車廂內(nèi)設(shè)置2臺攝像機(jī)，首尾司機(jī)室各設(shè)置1臺攝像機(jī)。6輛編組列車共14路視監(jiān)視頻信息，控制中心根據(jù)需要可實(shí)時(shí)隨意調(diào)看其中2～4路圖像，每列車通過無線系統(tǒng)將圖像信息上傳至車站，再經(jīng)主干網(wǎng)絡(luò)傳到控制中心。按每路視頻圖像占帶寬1．5Mbit/s考慮，視頻業(yè)務(wù)需要6Mbit/s以上帶寬。

2．4信號系統(tǒng)車地通信

信號系統(tǒng)的車地通信可以保證列車和乘客安全，是實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行高效、指揮管理有序的手段。信號系統(tǒng)具有安全性高、通過能力強(qiáng)、較好的抗干擾能力、可靠性高、自動(dòng)化程度高、限界條件苛刻等特點(diǎn)，其車地通信主要為CBTC業(yè)務(wù)，系統(tǒng)需要占用100Kbit/s的上下行帶寬。

2．5車輛檢測信息及列車FAS信息

能為傳送列車車輛內(nèi)部溫度、煙度、有害氣體濃度和列車軸溫、實(shí)時(shí)車速等環(huán)境信息提供通道，以便中心對列車進(jìn)行監(jiān)控;信息傳輸需要帶寬不超過200Kbit/s。提供列車FAS火災(zāi)告警信息的傳輸通道，滿足中心對列車火災(zāi)信息的監(jiān)控。信息傳輸需要帶寬不超過100Kbit/s。各業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性及帶寬需求。在列車高速運(yùn)行的情況下，車地?zé)o線系統(tǒng)要保證無線網(wǎng)絡(luò)的帶寬(下行大于8Mbit/s、上行帶寬大于7Mbit/s)，以滿足運(yùn)營指揮的需要。基于目前主流LTE設(shè)備技術(shù)情況，需申請10MHz以上專用頻段(含保護(hù)頻段)，才能滿足上述車地?zé)o線業(yè)務(wù)的需要。此外，通過LTE系統(tǒng)提供的寬帶無線環(huán)境，在帶寬允許的情況下，還可支持未來各類無線業(yè)務(wù)的擴(kuò)展。例如，實(shí)現(xiàn)各類專用移動(dòng)終端的無線通信業(yè)務(wù)，包括維修系統(tǒng)的無線維修終端、綜合監(jiān)控系統(tǒng)的無線監(jiān)控終端等，保證各類業(yè)務(wù)的終端靈活化，滿足現(xiàn)場維修、監(jiān)控、指揮等業(yè)務(wù)需求。

3TD-LTE解決方案

基于TD-LTE技術(shù)的城市軌道交通無線通信系統(tǒng)融合解決方案應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)依場所設(shè)置分為3個(gè)子系統(tǒng)，分別為控制中心子系統(tǒng)、車站/車輛段及停車場子系統(tǒng)、車載子系統(tǒng)。下面分別簡要論述3個(gè)子系統(tǒng)組成及功能。

3．1控制中心子系統(tǒng)

控制中心子系統(tǒng)是該融合解決方案專用系統(tǒng)的核心，主要包括LTE核心網(wǎng)設(shè)備、無線調(diào)度業(yè)務(wù)服務(wù)器DSS，信號系統(tǒng)ATS服務(wù)器、CCTV和PIS等業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)(含網(wǎng)管終端及打印機(jī)等)及TD-LTE基站設(shè)備等。TD-LTE基站設(shè)備用以實(shí)現(xiàn)控制中心的室內(nèi)覆蓋，TD-LTE核心網(wǎng)EPC向上和各類業(yè)務(wù)控制平臺CCTV中心、PIS系統(tǒng)、信號系統(tǒng)等連接，無線調(diào)度業(yè)務(wù)服務(wù)器DSS可提供專業(yè)的無線集群調(diào)度業(yè)務(wù)。同時(shí)，在控制中心調(diào)度大廳，設(shè)置行車調(diào)度、防災(zāi)調(diào)度、維修調(diào)度臺及錄音設(shè)備等。

3．2車站/車輛段及停車場子系統(tǒng)

車站內(nèi)主要安裝TD-LTE基站設(shè)備，包括BBU、RRU?；驹O(shè)備可以實(shí)現(xiàn)本車站的站內(nèi)覆蓋，也可以通過漏泄同軸電纜對線路區(qū)間進(jìn)行覆蓋，并可以通過RRU實(shí)現(xiàn)拉遠(yuǎn)覆蓋。在沿線各車站值班員處設(shè)置車站固定電臺，給移動(dòng)作業(yè)人員配備便攜臺。在車輛段及停車場通信機(jī)房內(nèi)設(shè)BBU，RRU設(shè)備和天線均安裝于機(jī)房樓頂?shù)奶炀€桿塔上，對于封閉空間等弱場區(qū)需增加RRU進(jìn)行覆蓋。在車輛段/停車場信號樓內(nèi)設(shè)置行車調(diào)度臺，在檢修庫內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)排班室內(nèi)設(shè)置運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)度臺。另外，給車輛段/停車場的移動(dòng)作業(yè)人員配備便攜臺。

3．3車載子系統(tǒng)

車載子系統(tǒng)布置在每列車前后的司機(jī)車室內(nèi)，為司機(jī)提供專業(yè)的無線集群調(diào)度通信。集群車載臺采用與TAU共用車載天線的方式。TD-LTE車載終端(TAU)部署在列車編組的前后司機(jī)車廂內(nèi)，其車載天線安裝在司機(jī)車廂外側(cè)，并盡量保證與泄漏保持視距，TAU通過以太網(wǎng)接口與車內(nèi)交換機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)TAU與車內(nèi)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的信息交互;車內(nèi)采用以太網(wǎng)環(huán)形組網(wǎng)，各車廂通過車載交換機(jī)互聯(lián)。車廂內(nèi)的閉路電視監(jiān)控信號通過TAU、經(jīng)LTE上行回傳到控制中心，PIS的流媒體信息則通過TAU、經(jīng)LTE下行傳送到車內(nèi)的PIS車載服務(wù)器上。單列編組前后司機(jī)車廂各部署一套TAU，兩套TAU以主備方式工作。

4結(jié)語

城市軌道交通無線通信系統(tǒng)承載著語音、視頻、數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù)，隨著線網(wǎng)和用戶需求的增多，專網(wǎng)通信從窄帶、獨(dú)立設(shè)置的無線通信向著各業(yè)務(wù)融合一體的寬帶無線通信網(wǎng)發(fā)展成為技術(shù)發(fā)展的趨勢;TD-LTE技術(shù)方案作為城市軌道交通車地?zé)o線綜合平臺是可行的，將成為發(fā)展的主流方案。同時(shí)，為了保證軌道交通無線通信的安全性和可靠性，擬采用TD-LTE無線通信承載網(wǎng)的軌道交通建設(shè)城市需盡早進(jìn)行專用無線頻段的申請，以便為今后業(yè)務(wù)的實(shí)施及拓展創(chuàng)造有利條件。

作者：楊利強(qiáng) 單位：徐州市城市軌道交通有限責(zé)任公司