返回首页

移动通信应用丨推动城市轨道交通无线通信系统持续升级

应用天地董建│文

无线通信是城市轨道交通安全运营的神经中枢。传统无线系统中,无线调度系统、信号系统、PIS系统的车地无线承载,各自独立成网,建设成本高。传统WLAN技术采用公网频段,布点密度高,维护困难。TD-LTE技术的成熟,解决了现有无线通信系统的问题,同时随着5G技术的到来,将对未来轨道交通无线通信系统带来更多的价值。

随着城市化进程的逐步加速,中国的城市轨道交通建设有望迎来黄金发展期。在国家宏观政策引导和扶持下,中国在“十三五”期间,全国城市轨道交通将会有3000公里左右新建成并投入运营,中国城市轨道交通进入另一个蓬勃发展时期。

国内主要城市轨道交通无线通信系统现状

无线通信是城市轨道交通安全运营的神经中枢。城市轨道交通采用无线通信技术的系统有很多,包括专用无线调度、乘客信息系统、信号系统、公安无线系统、消防无线系统、民用无线系统、车辆信息及检测信息上传系统和车载视频监控系统等。此外,还可能包括无线政务网和为了满足乘客上网需求的 WiFi 接入系统。

按照业务需求划分,上述系统需求可以分为专用业务需求和非专用业务需求。专用业务需求主要是指轨道交通内部各无线通信系统的业务需求,如信号、专用无线调度等系统。这些业务是轨道交通正常运行的保障。非专用业务需求主要包括公安、消防、政务和民用通信等。由于它的服务主体各有差异,同时需实现与各自业务系统的对接,因此在现有技术条件下,不建议进行无线通信网络整合。若条件允许,可考虑无线覆盖介质共享。

本文主要讨论专用无线通信系统,包括专用无线调度系统、信号系统和 PIS 系统(含车载 CCTV、车辆状态信息的上传和流媒体的分发)。从专用无线通信系统承载的数据类型划分,主要分为车地语音通信业务(如专用无线调度系统)和车地宽带数据通信业务(如 PIS、信号系统 CBTC等)。

目前,从已开通的线路来看,国内地铁大多采用 TETRA 承载车地语音通信,采用 WLAN 技术承载信号 CBTC 列控信息,采用工作在开放频段的 WLAN系统承载 PIS 业务,但也有个别城市采用双向 DVB-T(地面数字电视广播,数字视频的地面传输标准)承载车载 PIS 业务,如武汉、长沙、南昌和重庆等。

已开通线路的无线通信系统使用中遇到的问题

无线调度系统、信号系统和PIS系统各自独立成网,建设成本高。

承载信号系统、PIS系统采用的WLAN技术使用公共频段。该频段同时承载诸如个人热点、蓝牙、Zigbee技术、RFID技术、医疗设备、点对点微波等系统。已对城市轨道交通运营安全构成威胁,极有可能造成重大事故。

WLAN技术基站补点密度大,设备多管理不便,给维护工作带来了极大的挑战。同时,WLAN技术小区覆盖距离短,切换频繁,高速运行切换成功率低,不能满足高度运行列车对通信质量的要求。

TD-LTE技术成熟推动车-地通信系统升级

随着1.8GHz频率资源的开放和 TD-LTE 技术的成熟,很好的解决了原有无线通信系统中遇到的问题。

2015年,工信部及国家无线电管理局从紧缺的无线频段资源中明确1.8G作为城市轨道交通等行业专用频段。由于1.8G频段受法律保护,在频段使用上避免了出现影响行车安全的不可控因素,保障列车安全运行。

TD-LTE作为我国主导的具有自主知识产权的第四代移动通信技术,全球用户超过10亿,产业链完善,技术成熟,在技术特性上完美的解决了原有线路的无线通信系统遇到的问题。其技术特点如下:

  • TD-LTE系统支持9级QoS,支持多业务并发,具有一套系统同时承载无线调度业务、信号业务、PIS业务的能力。提高系统稳定性的同时,降低了建设成本。

  • TD-LTE系统基站布点密度小,平均1.2-1.5公里一台设备,且系统具备丰富的网络管理功能,拥有完善的网络管理和维护体系。

  • TD-LTE系统支持350Km/h运行速度的稳定切换,保证了列车在高速运行下的网络通信质量。

2016年,中国城市轨道交通协会组织业内专家,基于1.8G专用频段和TD-LTE技术标准,制定了城市轨道交通无线通信技术规范(LTE-M)。该技术规范的制定遵循3GPP、B-Trunc等国际国内标准,能够满足城市轨道交通项目采用LTE制式和基于无线通信的列车控制系统(CBTC)传输的需要,并且具有很好的延展性。

近两年,新建地铁线路开始广泛采用TD-LTE做为车地无线通信系统的首选技术标准承载业务。

大唐移动LTE-M系统解决方案

大唐移动依托在移动通信领域的经验优势,可提供LTE-M车地无线通信系统端到端整体解决方案,包括该系统方案设计、产品的研发和生产,及专业的技术服务。

通常,轨道交通专用无线通信系统,包括专用无线调度系统、信号系统和 PIS 系统。具体业务包括:信号系统(CBTC)业务、PIS视频业务、CCTV视频监控业务、列车紧急文本下发业务、集群调度业务等。大唐移动LTE-M车地无线通信系统支持9级QoS,支持多业务并发,具有一套系统同时承载专用无线调度业务、信号业务、PIS业务的能力,性能满足LTE-M标准、B-trunC标准。

为保证列车的安全运行,大唐移动LTE-M系统建设独立运行的A网和B网,两张网络完全独立,并行工作,互不影响。

A网为综合承载网,传输信号业务、PIS业务、CCTV业务、列车紧急文本业务、集群调度业务等。B网单独承载信号业务,与A网承载信号业务并行工作,确保列车安全运行。方案在逻辑上可以分为:控制中心子系统,车站、正线、停车场子系统,车载子系统。具体部署关系如下:

截至当前统计,大唐移动已参与全国,包含:北京、武汉、长沙、芜湖、乌鲁木齐等多个城市19个轨道交通LTE专网项目建设或测试。拥有多个成功案例,积累了丰富的轨道交通项目交付经验。

长沙某项目隧道内设备安装

北京某线路进行现场测试

TD-LTE系统在目前应用中存在的问题

虽然TD-LTE系统很好的解决了原有无线通信系统在应用中存在的问题,但伴随城市轨道交通自动驾驶技术、虚拟连挂等新技术的提出和应用,TD-LTE系统也在使用中遇到了新的瓶颈。

  • 自动驾驶技术对车地通信系统传输带宽要求的瓶颈

    目前自动驾驶技术除了信号的传输,还要求对列车在行驶过程中回传多路高清视频,TD-LTE系统在仅有20M(1785-1805MHZ)载波带宽的情况下,资源非常紧张。

  • 虚拟连挂技术对车地通信系统传输时延的要求

    列车为适应乘客流量的变化采用混合编组的形式调度列车的运行。未来伴随城市轨道交通规模的扩大,对列车编组要求会逐步提高,调度单位可能会是单车厢级别粒度,这样就促使列车运行采用虚拟连挂形式。虚拟连挂技术对列控信息传输系统时延要求非常高,目前TD-LTE系统的性能,不能满足该技术的时延要求。

5G技术在未来城市轨道交通无线通信系统中的应用

我国5G通信技术的发展和演进领先世界,正在以超出预期的速度进入我们的生活。5G系统优势主要体现在大规模机器通信、增强型移动宽带应用、高可靠低时延通信三个方面。同时,未来SA组网的5G核心网,支持网络切片技术,可以把一张网络隔离成若干独立的网络。

区别于TD-LTE系统的1.8G专网频段,5G并没有分配给行业用户专网频段,未来频谱的选择有两种可能。一种是沿用之前原则,利用现有专网频谱资源或分频新的专网频谱资源;一种是利用SA组网中5G核心网的切片功能,利用公网频率,构建属于城市轨道交通行业的5G无线通信专网。

5G系统的优势,可以满足城市轨道交通自动驾驶、虚拟连挂等新技术对未来通信网络的要求。同时5G标准也是3GPP组织在TD-LTE标准之后的一次无线通信系统技术标准的演进。因此,5G标准也将成为未来轨道交通车地无线通信系统的首选标准。