杭州地鐵4號線T D-L T E網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

邵唐紅， 謝錫榮

(杭州市地鐵集團有限責任公司， 杭州 300017)

杭州地鐵4號線T D-L T E網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

邵唐紅， 謝錫榮

(杭州市地鐵集團有限責任公司， 杭州 300017)

2014年杭州地鐵4號線率先在業(yè)內(nèi)通過軌道交通乘客信息系統(tǒng)(PIS)招標，使用車-地無線通信(TD-LTE)技術(shù)建設(shè)車地無線專網(wǎng)，用以承載PIS視頻直播和車載視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)。本文簡述該項目的建設(shè)情況以及實際測試結(jié)果，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時，正線采用1785～1805 MHz的20 MHz頻率進行組網(wǎng)，上下行子幀配比設(shè)置為2 ∶2，并與800 M TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)共用漏纜。經(jīng)過測試，各項指標符合設(shè)計要求，完全可以滿足PIS業(yè)務(wù)承載需求。2015年7月，杭州地鐵首次在全國范圍內(nèi)完成了基于已開通運營線路的軌道交通車輛綜合通信系統(tǒng)(LTE-M)綜合業(yè)務(wù)承載測試。通過測試驗證3、5、10 MHz以及15 MHz等多個不同頻寬下的業(yè)務(wù)承載能力，為杭州地鐵后續(xù)線路列車自動控制(CBTC)系統(tǒng)業(yè)務(wù)的承載提供參考依據(jù)。

杭州地鐵； 軌道交通乘客信息系統(tǒng)(PIS)； 車-地無線通信(TD-LTE)； 帶寬； 視頻直播； 視頻監(jiān)控

1 地鐵PIS系統(tǒng)車地通信業(yè)務(wù)需求

乘客信息系統(tǒng) (PIS) 分為控制中心、車站、車載、網(wǎng)絡(luò)、廣告管理等子系統(tǒng)[1]。地鐵設(shè)計規(guī)范規(guī)定，乘客信息系統(tǒng)的“無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控圖像應(yīng)通過無線的方式實時遠程傳輸?shù)降孛嬉詽M足列車高速運行時的無縫切換”。杭州地鐵各線的PIS系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)部分至少需要承擔以下業(yè)務(wù)。

導師簡介: 謝錫榮，男，高級工程師，城市軌道交通裝備技術(shù)規(guī)范專家審核組成員，機電部副部長。

1.1 IMS視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)

IMS(軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng))視頻監(jiān)控是指將列車駕駛室和客室車廂內(nèi)的控制中心或地面監(jiān)控站，進行集中監(jiān)控。

1.2 PIS視頻直播業(yè)務(wù)

PIS視頻業(yè)務(wù)是指實時地由地面將視頻或圖像服務(wù)及廣告等信息，通過廣播或者組播傳輸?shù)搅熊嚳褪臆噹麅?nèi)播放。

1.3 列車緊急文本下發(fā)業(yè)務(wù)

列車緊急文本是指控制中心(OCC)通過地面PIS服務(wù)器傳送給車載PIS終端，提示乘客的信息。

2 地鐵CBTC系統(tǒng)車地通信業(yè)務(wù)需求

基于通信的列車控制(CBTC)是目前應(yīng)用于城市軌道交通信號控制領(lǐng)域最先進的技術(shù)，2004年以來，國內(nèi)軌道交通的新線建設(shè)和舊線改造基本采用CBTC系統(tǒng)[2]。

地鐵CBTC系統(tǒng)地面設(shè)備對列車傳輸?shù)男畔ǎ阂苿邮跈?quán)、限速信息、列車識別號、運營調(diào)整指令等信息。在CBTC系統(tǒng)中，通信的一方是高速移動中的車載無線設(shè)備，無線傳輸受多徑衰落、傳播損耗、陰影衰落和多普勒頻移的影響，使通信性能下降，同時列車高速運行對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、可靠性提出了更高的要求[3]。

列車對信號系統(tǒng)地面設(shè)備傳輸?shù)男畔ǎ毫熊囓嚱M號、站臺門開/關(guān)命令、本列車的定位信息、本列車的速度信息等。無線通信系統(tǒng)需為信號列控CBTC提供實時、雙向、雙網(wǎng)雙通道冗余、A/B網(wǎng)冗余保護的車地無線信息傳輸通道。

2.1 列車運行控制業(yè)務(wù)

列車運行控制業(yè)務(wù)根據(jù)列車在軌道線路上運行的客觀條件和實際情況，對列車運行速度及制動方式等狀態(tài)進行監(jiān)督、控制和調(diào)整。

2.2 列車運行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)

列車運行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)是指列車運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，它主要是將傳感器采集到的列車車輛、牽引制動等關(guān)鍵設(shè)備及運行參數(shù)實時傳送到地面監(jiān)測中心[4]。

3 現(xiàn)狀分析

3.1 車地通信建設(shè)情況

目前，中國城市軌道交通大多采用(無線局域網(wǎng))WALN技術(shù)，作為地鐵兩大系統(tǒng)CBTC和PIS的車地無線傳輸，WLAN使用的是公共頻段，易被干擾。隨著智能手機的高度普及，Wi-Fi熱點、藍牙都成為智能手機的標配功能，從而對使用WLAN建設(shè)的車地無線專網(wǎng)帶來諸多隱患。此前，國內(nèi)南方某城市地鐵就出現(xiàn)過乘客手機使用WLAN上網(wǎng)時，干擾了CBTC的車地無線系統(tǒng)，導致正在運行的列車非正常停車。

3.2 杭州地鐵車地通信使用情況

杭州自2007開始建設(shè)地鐵1號線以來，目前共有3條線建成運營，CBTC數(shù)據(jù)傳輸、CCTV(視頻監(jiān)控信號系統(tǒng))上傳業(yè)務(wù)都在地鐵運營中正常使用。PIS視頻源從華數(shù)電視臺傳到地鐵線網(wǎng)控制中心，并最終在各條線列車上實時播放。目前，從業(yè)務(wù)需求的角度來看，CBTC信號系統(tǒng)帶寬需求為100 kbit/s，PIS系統(tǒng)中的下行流帶寬需求為10 Mbit/s[5]。該業(yè)務(wù)一直為廣告運營商所關(guān)注，自開通以來，直播效果良好，為地鐵資源開發(fā)取得了良好的經(jīng)濟效益。地鐵4號線采用LTE(無線通信)技術(shù)后，車載CCTV視頻監(jiān)控已實現(xiàn)同一列車同時上傳9路圖像的效果。表1是杭州地鐵3條運營線路的車地無線使用情況。

表1 杭州地鐵車地無線系統(tǒng)應(yīng)用情況

4 LTE技術(shù)

LTE系統(tǒng)引入了OFDM(正交頻分復用)和MIMO(多輸入多輸出)等關(guān)鍵傳輸技術(shù)，顯著增加了頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率(20 MHz帶寬下行峰值速率為100 Mbit/s，上行為50 Mbit/s)，并支持多種帶寬分配(1.4、3、5、10、15、20 MHz等)。LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更趨扁平化、簡單化，減少了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和系統(tǒng)復雜度，從而減小了系統(tǒng)時延，也降低了網(wǎng)絡(luò)部署和維護成本。

LTE系統(tǒng)具有高帶寬、高移動性、長區(qū)間覆蓋、高擴展性等特點，運行于電信運營商級的架構(gòu)及設(shè)備，可解決既有無線系統(tǒng)存在的不穩(wěn)定、移動性差等問題，提供了一套滿足地鐵運營需求的高帶寬、無縫漫游的車地無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[6]。

自從國內(nèi)有城市發(fā)生乘客使用WLAN設(shè)備，導致正在運行的列車非正常停車事件后，杭州市地鐵集團和浙江省、杭州市委一起研究了關(guān)于CBTC信號的車地無線是否可以使用專用頻段的問題。

2014年杭州地鐵集團決定先利用LTE技術(shù)在PIS系統(tǒng)中使用，驗證后再考慮在CBTC上使用。在設(shè)計院和主要設(shè)備廠家的大力配合下，在業(yè)內(nèi)率先啟動利用LTE技術(shù)的PIS系統(tǒng)招標，與800 M專用無線集群合用漏纜，并從浙江省委申請到專用1.8 GHz頻段。該系統(tǒng)于2014年11月建成投入試運營，使用至今一直相當穩(wěn)定、效果良好。

2015年7月，全國首個完成在線運營線路LTE-M(軌道交通車地通信系統(tǒng))的綜合承載測試。在剛剛開通的杭州地鐵4號線PIS系統(tǒng)LTE承載CBTC(單網(wǎng)A網(wǎng))暨多業(yè)務(wù)承載(PIS+CCTV+TIMS)測試，測試達到預期目標。

圖1 控制中心子系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Sub-system structure of control center

2015年，工業(yè)與信息化部發(fā)布[2015]65號文件“關(guān)于重新發(fā)布1 785～1 805 MHz頻段無線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知”，明確1 785～1 805 MHz頻段使用事宜是為“滿足交通(城市軌道交通等)、電力、石油等行業(yè)專用通信網(wǎng)和公眾通信網(wǎng)的應(yīng)用需求”。

5 建設(shè)方案

LTE車-地無線通信系統(tǒng)由圖1所示的控制中心子系統(tǒng)中的核心網(wǎng)、車站子系統(tǒng)中的基站(采用分布式基站，由BBU+RRU組成)以及車載子系統(tǒng)中的TAU和車載天線等組成。

TD-LTE技術(shù)是TDD(時分復用)版本的LTE技術(shù)，也是中國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的4G國際通信標準技術(shù)[7]。TD-LTE應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖，除了傳輸、電源接地基礎(chǔ)系統(tǒng)外，整個應(yīng)用系統(tǒng)分為3個子系統(tǒng)，依場所設(shè)置以下子系統(tǒng)。

5.1 控制中心子系統(tǒng)

控制中心子系統(tǒng)放置各專用系統(tǒng)的中心設(shè)備，包括車地無信通信TD-LTE核心網(wǎng)EPC、CCTV控制中心、PIS系統(tǒng)。核心網(wǎng)采用小型化配置，標準19英寸設(shè)備。其中，TD-LTE核心網(wǎng)EPC向上與各類業(yè)務(wù)控制平臺CCTV中心、PIS系統(tǒng)等連接。

5.2 車站子系統(tǒng)

車站子系統(tǒng)主要放置TD-LTE基站設(shè)備，包括BBU、RRU、天線等?；驹O(shè)備可以實現(xiàn)本車站的站內(nèi)覆蓋，也可以通過泄露電纜對區(qū)間線路進行覆蓋，并可通過RRU實現(xiàn)拉遠覆蓋。

5.3 車載子系統(tǒng)

TD-LTE車載終端TAU部署在列車編組的前后司機室內(nèi)，TAU天線安裝在司機車廂頂部外側(cè)，并盡量與泄漏保持視距，TAU通過以太網(wǎng)接口與車內(nèi)交換機連接，實現(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)組網(wǎng)，各車廂間通過車載交換機互聯(lián)。

車廂內(nèi)的視頻監(jiān)控信號、列車狀態(tài)信息通過TAU經(jīng)LTE上行回傳到控制中心，PIS的實時流媒體信息則通過TAU經(jīng)LTE下行傳送到客室內(nèi)的LCD播放控制器上[8]。

5.4 工程實施

1) 考慮地鐵區(qū)間空間有限，結(jié)合漏纜指標計算，決定與800 M無線集群系統(tǒng)共用漏纜。同時結(jié)合兩個系統(tǒng)射頻參數(shù)，根據(jù)隔離需求定制合路器。

2) 停車場屬于公共開放空間，民用通信運營商事先已經(jīng)有宏蜂窩基站存在，由于1 805 MHz與移動DCS鄰頻，考慮頻率隔離，采用1 785～1 800 MHz的15 MHz頻率進行組網(wǎng)。

3) 正線區(qū)間屬于地鐵自有封閉空間，民用通信覆蓋應(yīng)服從地鐵建設(shè)，由于1 805 MHz與移動DCS鄰頻，考慮頻率隔離，建議民用通信DCS1 800 MHz網(wǎng)絡(luò)只覆蓋4號線的站廳層，不再覆蓋站臺層和隧道區(qū)間，故LTE采用1 785～1 805 MHz的20 MHz頻率進行組網(wǎng)。

4) 地鐵視頻列車上直播業(yè)務(wù)，要求標清或準高清即可，傳輸速率一般在2～8 Mbit/s，此為下行傳輸，列車上的視頻監(jiān)控圖像上傳到控制中心或地面監(jiān)控站，一般要求至少2路，最好能達到4路，每路傳輸速率一般在1～2 Mbit/s，此為上行傳輸?？紤]到上下線業(yè)務(wù)基本均衡，故上下行子幀配比為2 ∶2。

6 PIS系統(tǒng)車地無線測試結(jié)果

6.1 測試工具

筆記本電腦1臺，車載TAU及其附件1套,文件傳輸協(xié)議FTP、Iperf、DU Meter軟件各1套。

6.2 測試方法

1) 筆記本電腦安裝FTP客戶端，用網(wǎng)線連接車載交換機； 2) 設(shè)置IP地址，并能ping通地面模擬的PIS服務(wù)器； 3) 服務(wù)器上開啟FTP服務(wù)端程序及Iperf軟件； 4) 在筆記本上用開啟FTP客戶端，開啟10個線程上傳文件，服務(wù)器側(cè)用Iperf軟件對筆記本地址進行3線程的灌包，筆記本上用DU Meter軟件記錄實時的上下行帶寬。

6.3 測試數(shù)據(jù)(1 785～1 805 MHz頻段20 MHz)

1) FTP上傳測試數(shù)據(jù)(上行區(qū)間)，見表2。

表2 FTP上行區(qū)間速率

2)FTP上傳測試數(shù)據(jù)(下行區(qū)間)，見表3。

表3 FTP下行區(qū)間速率

3) IPERF灌包下載測試數(shù)據(jù)(上行區(qū)間)，見表4。

4) IPERF灌包下載測試數(shù)據(jù)(下行區(qū)間)，見表5。

6.4 業(yè)務(wù)承載需求[9]

1) PIS視頻直播：為標清或準高清，傳輸速率一般在2～8 Mbit/s。

表4 IPERF上行區(qū)間速率

表5 IPEPF下行區(qū)間速率

2) 車載CCTV：每路傳輸速率為1Mbit/s，一般要求同時長傳2路，最好能達到4路。

6.5 測試結(jié)果分析

通過分析5.3節(jié)FTP上傳測試數(shù)據(jù)可知，上行可以承載的最小帶寬基本都在7 Mbit/s以上，平均上傳帶寬基本都在10 Mbit/s以上，滿足4路車載CCTV上傳的需求。

通過分析5.3節(jié)IPERF灌包下載測試可知，下行可以承載的最小帶寬基本都在10 Mbit/s以上，平均下行傳輸帶寬都在25 Mbit/s以上，完全能夠滿足下行PIS視頻流傳輸?shù)男枰?，并且還有很大的帶寬冗余。

7 綜合承載試驗

2015年7月在杭州地鐵4號線PIS系統(tǒng)LTE上進行了多業(yè)務(wù)承載(PIS+CCTV+CBTC)試驗，這是全國首個完成在線運營線路LTE-M的綜合承載測試?？傮w結(jié)論如下：

1) 在3 MHz頻率下，LTE具備承載單一CBTC業(yè)務(wù)能力；

2) 在5 MHz頻率下，LTE不具備綜合承載CBTC及目前狀態(tài)情況下的PIS及CCTV能力；

3) 在10 MHz頻率下，LTE具備綜合承載CBTC、PIS及4路CCTV能力(PIS為3 Mbit/s碼流，CCTV為1 Mbit/s)；

4) 在15 MHz頻率下，LTE具備綜合承載CBTC、高清PIS及6路CCTV能力(PIS為6 Mbit/s碼流，CCTV為1 Mbit/s)。

8 結(jié)語

綜上所述，LTE技術(shù)在城市軌道交通中是可以正常使用的，且能良好滿足系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求。設(shè)計時需要考慮合路器定制，以及在時隙配比上需要根據(jù)業(yè)務(wù)的需求做出合理規(guī)劃。杭州市規(guī)劃的后續(xù)軌道交通線路信號系統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)都將采用1.8 GHz的LTE專用頻段，但在LTE上的頻率申請、規(guī)劃業(yè)務(wù)、地鐵頻率資源分配和設(shè)備技術(shù)選擇是一項新課題和新技術(shù)，尤其在頻率申請上要求詳細計算和規(guī)劃，做到頻段與其他行業(yè)頻率復用；在綜合承載業(yè)務(wù)上一定要與運營管理及資源開放模式相結(jié)合，不建議盲目整合。

[1] 地鐵設(shè)計規(guī)范：GB 50157―2013[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

Code for design of metro： GB 50157―2013[S].Beijing： China Architecture & Building Press， 2014.

[2] 郜春海.自主創(chuàng)新CBTC系統(tǒng)的核心技術(shù)研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2014 (1)：7-10.

GAO Chunhai.Study on core technologies for independent innovation CBTC[J].Modern urban transit， 2014(1)： 7-10.[3] 吳海峰，趙紅禮.地鐵CBTC系統(tǒng)的無線測試[J].都市快軌交通，2010，23(2)：97-98.

WU Haifeng， ZHAO Hongli.Radio test of CBTC system on Beijing subway[J].Urban rapid rail transit， 2010， 23(2)： 97-98.

[4] 城市軌道交通裝備技術(shù)規(guī)范：CZJS/T 0061—2016[S].北京，2016.

Technical specification for urban rail transit equipment： CZJS/T 0061—2016[S].Beijing, 2016.

[5] 陳鵬，李文明，嚴波.地鐵車-地無線通信引入LTE后的干擾分析[J].都市快軌交通,2016，29(2):48-52.

CHEN Peng， LI Wenming， YAN Bo.Interference analysis of subway train-ground wireless system after introducing LTE[J].Urban rapid rail transit， 2016， 29(2)： 48-52.

[6] TD-LTE技術(shù)在城軌信號系統(tǒng)車-地通信中的應(yīng)用分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2015(6)：9-12.

Application analysis of TD-LTE technology in train-ground wireless communication for transit signaling system[J].Modern urban transit， 2015(6)： 9-12.

[7] 戴克平，張艷兵，朱力.基于LTE的城市軌道交通車地通信綜合承載系統(tǒng)[J].都市快軌交通，2016，29(1)：69-74.

DAI Keping， ZHANG Yanbing， ZHU Li.An integrated LTE based urban rail train ground communication system[J].Urban rapid rail transit， 2016， 29(1)： 69-74.

[8] 杭州市地鐵集團有限責任公司.杭州地鐵4號線一期工程專用通信設(shè)計文件[A].杭州，2014 .

[9] 杭州市地鐵集團有限責任公司.杭州地鐵4號線一期工程專用通信測試文件[A].杭州，2015.

(編輯：郝京紅)

Constructing TD-LTE Network for Hangzhou Metro Line 4

SHAO Tanghong, XIE Xirong

(Hangzhou Metro Group Co., Ltd., Hangzhou 300017)

The TD-LTE technology was employed in the wireless private network of Line 4 of Hangzhou Metro to provide PIS and CCTV services in 2014. The construction process and the application effects of the LTE system are elaborated. The upper and lower sub-frame ratio of the network was set to 2:2, which shared the leaky cable with the 800M TETRA digital trunking communication system. Tests indicated that the indicators conform to the design requirements and could fully meet the needs of PIS services. In July, 2015, Hangzhou Metro completed the LTE-M integrated service load test based on the routes in operation for the first time across the country. The test verified the service bearing capacity under different frequency widths (3, 5, 10 MHz and 15 MHz) and provided the references in terms of the LTE technology bearing CBTC for Hangzhou Metro. Keywords: Hangzhou Metro; PIS; TD-LTE; bandwidth; video broadcast; video monitoring

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.03.020

2017-04-05

2017-04-28

邵唐紅，男，本科，工程碩士，高級工程師，從事通信系統(tǒng)建設(shè)管理工作，shaotanghong@hzmetro.com

U231

A

1672-6073(2017)03-0102-05