深圳都市圈城際鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)研究

徐 磊

(深圳鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司， 518026， 深圳∥工程師)

1 深圳都市圈城際鐵路網(wǎng)規(guī)劃及其特點(diǎn)

1.1 粵港澳大灣區(qū)城際鐵路網(wǎng)整體規(guī)劃情況

2020年，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)批復(fù)了發(fā)改基礎(chǔ)[2020]1238號(hào)《關(guān)于粵港澳大灣區(qū)城際鐵路建設(shè)規(guī)劃的批復(fù)》。該批復(fù)明確提出：“提升粵港澳大灣區(qū)(以下簡(jiǎn)稱“大灣區(qū)”)城際交通供給質(zhì)量，服務(wù)粵港澳大灣區(qū)建設(shè)，打造軌道上的大灣區(qū);近期(2025年)大灣區(qū)鐵路網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)及在建里程達(dá)到4 700 km，全面覆蓋大灣區(qū)中心城市、節(jié)點(diǎn)城市和廣州、深圳等重點(diǎn)都市圈；遠(yuǎn)期(2035年)，大灣區(qū)鐵路網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)及在建里程達(dá)到5 700 km，覆蓋100%縣級(jí)以上城市?！币虼?，建設(shè)都市圈城際鐵路網(wǎng)已成為大灣區(qū)新時(shí)期軌道交通建設(shè)的重點(diǎn)任務(wù)。

1.2 深圳都市圈城際鐵路的特點(diǎn)

依據(jù)規(guī)劃，大灣區(qū)城際鐵路網(wǎng)建設(shè)需以“公交化運(yùn)營(yíng)、一體化管理、一站式服務(wù)”為目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上加強(qiáng)對(duì)廣東省城際鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的總體研究和專題研究。與依據(jù)國(guó)家鐵路局《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》建設(shè)的既有珠江三角洲(以下簡(jiǎn)稱“珠三角”)城際鐵路不同，深圳都市圈城際鐵路具有“高峰時(shí)段客流量大、經(jīng)過(guò)主要城區(qū)且地下站多、客運(yùn)需求變化大”等特點(diǎn)。為了節(jié)約項(xiàng)目投資，提升線路運(yùn)營(yíng)的靈活性，貼合公交化運(yùn)營(yíng)的目標(biāo)，深圳都市圈城際鐵路在信號(hào)、通信等系統(tǒng)設(shè)備的選型方案上無(wú)法照搬國(guó)家鐵路(以下簡(jiǎn)稱“國(guó)鐵”)的相關(guān)系列標(biāo)準(zhǔn)。

另一方面，基于行車(chē)組織的要求，深圳都市圈城際鐵路需實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化過(guò)軌運(yùn)營(yíng)的功能。為保證各線路間可貫通運(yùn)營(yíng)，各線路通信系統(tǒng)的構(gòu)成、制式與功能需保持一致。與地鐵線網(wǎng)內(nèi)各線路通信自成系統(tǒng)不同，深圳都市圈城際鐵路通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)要從線網(wǎng)層面出發(fā)，整體考慮各線路的配置和功能，以實(shí)現(xiàn)全線網(wǎng)一體化運(yùn)營(yíng)。此外，深圳都市圈城際鐵路計(jì)劃由城市軌道交通企業(yè)負(fù)責(zé)其運(yùn)營(yíng)管理業(yè)務(wù)，因此在調(diào)度通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量滿足運(yùn)營(yíng)的靈活性和自主性要求。

2 深圳都市圈城際鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)選型方案分析

調(diào)度通信系統(tǒng)作為鐵路通信網(wǎng)中最為重要的專用通信應(yīng)用系統(tǒng)，為列車(chē)行車(chē)提供了重要的安全保障。該系統(tǒng)在國(guó)鐵和地鐵領(lǐng)域有著不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。一般來(lái)說(shuō)，調(diào)度通信系統(tǒng)可以分為無(wú)線調(diào)度通信系統(tǒng)和有線調(diào)度通信系統(tǒng)兩部分，這兩部分分別負(fù)責(zé)調(diào)度員和列車(chē)司機(jī)、調(diào)度員和車(chē)站值班員的語(yǔ)音調(diào)度業(yè)務(wù)。另外，國(guó)鐵在無(wú)線調(diào)度通信系統(tǒng)和有線調(diào)度通信系統(tǒng)間開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)接口，簡(jiǎn)化了調(diào)度員和值班員的操作步驟。

2.1 國(guó)鐵調(diào)度通信系統(tǒng)方案

現(xiàn)有珠三角城際鐵路采用國(guó)鐵成熟的GSM-R(鐵路數(shù)字移動(dòng)通信)系統(tǒng)方案。珠三角既有城際線路的基站接入中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司的GSM-R核心網(wǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了既有城際鐵路線的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)功能(包括列車(chē)控制數(shù)據(jù)傳輸通道和無(wú)線調(diào)度通信)。GSM-R工作在900 MHz頻段，經(jīng)過(guò)多年在國(guó)鐵網(wǎng)的應(yīng)用，其系統(tǒng)成熟性、方案穩(wěn)定性和互聯(lián)互通性良好，但仍有如下不足：①系統(tǒng)帶寬小，可承載的業(yè)務(wù)量少；②傳輸速率低，無(wú)法提供圖像、視頻等多媒體數(shù)據(jù)；③技術(shù)架構(gòu)老化，采用基于電路域交換的通信系統(tǒng)，業(yè)務(wù)支持能力與擴(kuò)展能力均較差。另外，隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，GSM-R將面臨設(shè)備維護(hù)和技術(shù)支持的困境。

為克服上述不足，中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱“國(guó)鐵集團(tuán)”)近年來(lái)大力開(kāi)展對(duì)新一代鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究，并對(duì)LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))、5G(第五代移動(dòng)通信技術(shù))等新技術(shù)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用及鐵路調(diào)度通信業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)等方面做了大量的研發(fā)和試驗(yàn)。以5G-R(鐵路5G專用移動(dòng)通信)系統(tǒng)為例，該技術(shù)采用5G寬帶移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用了3GPP(第三代合作伙伴計(jì)劃)推出的基于關(guān)鍵業(yè)務(wù)通信機(jī)制的MCX方案。其中，MCX是MCPTT(關(guān)鍵語(yǔ)音)、MCData(關(guān)鍵數(shù)據(jù))和MCVideo(關(guān)鍵視頻)3個(gè)業(yè)務(wù)的統(tǒng)稱。MCX方案基于IMS(互聯(lián)網(wǎng)多媒體子系統(tǒng))架構(gòu)，綜合了大帶寬、低延遲、易于大規(guī)模建網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了組管理、位置管理、組通信，以及數(shù)據(jù)傳輸、視頻通信等功能，適用于執(zhí)行關(guān)鍵業(yè)務(wù)的場(chǎng)景，可滿足集群通信的業(yè)務(wù)需求。國(guó)鐵集團(tuán)新一代的鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)采用業(yè)務(wù)與承載分離的架構(gòu)，支持多種通信制式，MCX方案屬于3GPP標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)GSM-R的兼容性好，互聯(lián)互通能力強(qiáng)。

但是，由于深圳都市圈城際鐵路部分線路采用CBTC(基于通信的列車(chē)控制)制式的列車(chē)控制系統(tǒng)，上述的GSM-R或5G-R系統(tǒng)并不適用于深圳都市圈城際鐵路的相應(yīng)線路。另外，由于深圳都市圈城際鐵路的運(yùn)營(yíng)單位與國(guó)鐵不同，從運(yùn)營(yíng)自主性的角度，深圳都市圈城際鐵路也需要采用獨(dú)立的無(wú)線通信系統(tǒng)和調(diào)度系統(tǒng)。

2.2 地鐵調(diào)度通信系統(tǒng)方案

我國(guó)地鐵線路的無(wú)線通信系統(tǒng)和調(diào)度系統(tǒng)大多采用TETRA(泛歐集群無(wú)線電)和LTE-M(城市軌道交通車(chē)地綜合通信系統(tǒng))。TETRA工作在800 MHz頻段，主要用于提供無(wú)線語(yǔ)音調(diào)度功能，在地鐵、公安等領(lǐng)域有著非常成熟的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。但由于TETRA屬于窄帶通信系統(tǒng)，業(yè)務(wù)承載能力較低，且TETRA多使用各廠家私有協(xié)議，不同線路TETRA的互聯(lián)互通能力較差，因此，目前TETRA已逐漸被LTE-M替代。

LTE-M是針對(duì)城市軌道交通綜合業(yè)務(wù)承載需求的TD-LTE(時(shí)分-長(zhǎng)期演進(jìn))系統(tǒng)，在保證CBTC車(chē)地信息傳輸?shù)幕A(chǔ)上，可同時(shí)承載集群調(diào)度、列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控、乘客信息等運(yùn)營(yíng)及安全業(yè)務(wù)。其中，LTE-M系統(tǒng)的集群調(diào)度業(yè)務(wù)主要運(yùn)用中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)發(fā)起的B-TrunC(寬帶集群通信)方案。支持集群調(diào)度及數(shù)據(jù)功能的LTE-M主要基于3GPP R9版本的LTE技術(shù)，在保持標(biāo)準(zhǔn)的接口協(xié)議棧結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)物理層、MAC(介質(zhì)訪問(wèn)控制)層、RRC(無(wú)線資源控制)層進(jìn)行了修改，并新增了部分下行邏輯信道和下行傳輸信道。其系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

LTE-M是基于分組交換的寬帶通信系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)傳輸帶寬和業(yè)務(wù)支持能力較窄帶通信系統(tǒng)有了很大的提升。但對(duì)于集群調(diào)度業(yè)務(wù)而言，B-TrunC方案在部分集群業(yè)務(wù)功能中嵌入了系統(tǒng)網(wǎng)元，這在提升網(wǎng)絡(luò)支持集群調(diào)度業(yè)務(wù)能力的同時(shí)，也降低了業(yè)務(wù)與承載分離、支持多種通信制式的能力，因此，LTE-M的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通能力相比MCX方案弱。

注：eHSS——演進(jìn)的歸屬簽約服務(wù)器；x-GW——S-GW(服務(wù)網(wǎng)關(guān))與P-GW(分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān))的邏輯統(tǒng)稱；eMME——演進(jìn)的移動(dòng)性管理實(shí)體；TMF——集群媒體功能體；TCF——集群控制功能體；eNodeB——演進(jìn)的基站節(jié)點(diǎn)；BBU——基帶處理單元；RRU——射頻拉遠(yuǎn)單元；S6a-T——eHSS與集群核心網(wǎng)之間的參考點(diǎn)；Sn-T——集群核心網(wǎng)和集群核心網(wǎng)之間的參考點(diǎn)；S1-T——集群基站和集群核心網(wǎng)之間的參考點(diǎn)；X2——eNodeB和eNodeB之間的參考點(diǎn)；Uu-T——集群終端和集群基站之間的參考點(diǎn)；SGi——集群核心網(wǎng)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)網(wǎng)之間的參考點(diǎn)；D——集群核心網(wǎng)和調(diào)度臺(tái)之間的參考點(diǎn);PIS——乘客信息系統(tǒng)。

2.3 深圳都市圈城際鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)需求分析

綜上所述，國(guó)鐵和地鐵領(lǐng)域的調(diào)度通信系統(tǒng)在制式、頻段、結(jié)構(gòu)和功能等方面均有較大的不同。目前，廣東省已開(kāi)通和在建城際鐵路的通信系統(tǒng)多采用國(guó)鐵GSM-R制式，而最新審批通過(guò)的城際鐵路的通信系統(tǒng)則部分采用地鐵LTE-M制式。為滿足大灣區(qū)城際鐵路一體化管理和跨線運(yùn)營(yíng)統(tǒng)一調(diào)度的要求，深圳都市圈城際鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)需具備較強(qiáng)的互聯(lián)互通和兼容能力，以保證在LTE-M和GSM-R制式下跨線運(yùn)營(yíng)調(diào)度通信業(yè)務(wù)的互聯(lián)互通，以及在LTE-M制式下不同線路間調(diào)度通信業(yè)務(wù)的互聯(lián)互通。

3 深圳都市圈城際鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)建議

3.1 建議方案

結(jié)合深圳都市圈城際鐵路網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)需求和自主運(yùn)營(yíng)的功能特點(diǎn)，根據(jù)工信部無(wú)[2015] 65號(hào)《工業(yè)和信息化部關(guān)于重新發(fā)布1 785～1 805 MHz頻段無(wú)線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》的相關(guān)要求，深圳都市圈城際鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)建議方案為：利用1 800 MHz頻段，采用僅支持?jǐn)?shù)據(jù)功能的LTE-M作為無(wú)線通信承載系統(tǒng)，采用基于關(guān)鍵業(yè)務(wù)通信機(jī)制的MCX方案作為調(diào)度通信業(yè)務(wù)系統(tǒng)，并連通有線調(diào)度通信系統(tǒng)，以建設(shè)有線、無(wú)線統(tǒng)一的調(diào)度通信系統(tǒng)。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

LTE-M+MCX調(diào)度通信系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1) 無(wú)線承載網(wǎng)絡(luò)采用頻段為1 800 MHz的僅支持?jǐn)?shù)據(jù)功能的LTE-M系統(tǒng)，所有系統(tǒng)接口均采用3GPP標(biāo)準(zhǔn)接口，互聯(lián)互通性好；LTE-M為分組交換網(wǎng)絡(luò)，業(yè)務(wù)支持能力高，能夠承載列車(chē)控制、PIS等軌道交通專用業(yè)務(wù)。這些業(yè)務(wù)在地鐵工程實(shí)踐中已有較多的應(yīng)用。

2) 調(diào)度通信系統(tǒng)采用業(yè)務(wù)與承載相分離的架構(gòu)。LTE-M僅作為無(wú)線承載網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)平臺(tái)，提供無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸鏈路和服務(wù)。此架構(gòu)有利于跨平臺(tái)的業(yè)務(wù)融合，支持后續(xù)無(wú)線通信系統(tǒng)的升級(jí)和改造。

3) 調(diào)度通信系統(tǒng)的核心模塊關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)采用3GPP的MCX標(biāo)準(zhǔn)。3GPP是全球移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)組織，MCX標(biāo)準(zhǔn)的接口有著很好的互通性和接口開(kāi)放性，且MCX標(biāo)準(zhǔn)在制定時(shí)已考慮了與GSM-R間的互通需求，能夠很好地與有線調(diào)度通信系統(tǒng)及GSM-R實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

注：HSS——?dú)w屬簽約服務(wù)器；MME——移動(dòng)性管理實(shí)體；S6a——HSS與MME之間的參考點(diǎn)；S10——LTE核心網(wǎng)MME之間的參考點(diǎn)；S5——LTE核心網(wǎng)S-GW與P-GW之間的參考點(diǎn)；S1——LTE基站和LTE核心網(wǎng)之間的參考點(diǎn)；Uu——數(shù)據(jù)終端和LTE基站之間的參考點(diǎn)；CCTV——閉路電視。

3.2 MCX關(guān)鍵業(yè)務(wù)調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)

基于本文提出的建議方案，MCX關(guān)鍵業(yè)務(wù)調(diào)度系統(tǒng)是深圳都市圈城市鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)的核心模塊，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

1) MCX應(yīng)用服務(wù)器用于關(guān)鍵語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、視頻的管理與控制，應(yīng)包含公共管理、用戶數(shù)據(jù)庫(kù)、MCX業(yè)務(wù)應(yīng)用、業(yè)務(wù)控制點(diǎn)等功能實(shí)體。其中：公共管理可實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵業(yè)務(wù)的配置、群組、身份、密鑰、位置、功能號(hào)、遷移等管理功能；用戶數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)關(guān)鍵業(yè)務(wù)、用戶配置文件等數(shù)據(jù)；MCX業(yè)務(wù)應(yīng)用可完成基于語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、視頻調(diào)度業(yè)務(wù)的控制和處理；業(yè)務(wù)控制點(diǎn)用于基于功能尋址和位置尋址的業(yè)務(wù)功能管理。

2) SIP核心用于實(shí)現(xiàn)信令面SIP消息的注冊(cè)、服務(wù)選擇和路由功能等。

3) 接口網(wǎng)關(guān)用于實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換、媒體轉(zhuǎn)換、地址翻譯等功能，并支持與GSM-R、有線調(diào)度通信系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

3.3 與大灣區(qū)城際鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)互聯(lián)互通的建議

要實(shí)現(xiàn)大灣區(qū)城際鐵路一體化管理和互聯(lián)互通，大灣區(qū)城際鐵路全網(wǎng)的調(diào)度統(tǒng)一指揮系統(tǒng)必不可少。深圳都市圈調(diào)度通信系統(tǒng)建設(shè)方案的選擇，既要兼容既有珠三角城際鐵路無(wú)線通信的GSM-R制式和有線通信的程控交換制式，也要滿足國(guó)鐵集團(tuán)正在研發(fā)的新一代鐵路調(diào)度通信制式。

此外，還需加強(qiáng)對(duì)包含大灣區(qū)城際鐵路一體化調(diào)度指揮中心、廣州都市圈城際鐵路控制中心、深圳都市圈城際鐵路控制中心在內(nèi)的整個(gè)調(diào)度指揮網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案的研究和設(shè)計(jì)。應(yīng)結(jié)合各中心網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案，盡快制定大灣區(qū)城際鐵路全網(wǎng)的設(shè)備、用戶編碼規(guī)則和IP(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)地址分配原則，并編制不同制式系統(tǒng)間的接口規(guī)范和操作原則。

4 結(jié)語(yǔ)

都市圈城際鐵路建設(shè)已迎來(lái)快速發(fā)展時(shí)期。與既有的珠三角城際鐵路不同，都市圈城際鐵路線間的互聯(lián)互通和兼容要求更高、更復(fù)雜。為實(shí)現(xiàn)都市圈軌道交通“四網(wǎng)融合”的目標(biāo)，構(gòu)建一套既能滿足互聯(lián)互通又能滿足自主運(yùn)營(yíng)需求的調(diào)度通信系統(tǒng)，是城際鐵路整體運(yùn)營(yíng)和管理的需要。本文提出在深圳都市圈城際鐵路網(wǎng)采用僅支持?jǐn)?shù)據(jù)功能的LTE-M無(wú)線通信承載網(wǎng)絡(luò)+MCX關(guān)鍵業(yè)務(wù)調(diào)度通信系統(tǒng)方案，該方案業(yè)務(wù)與承載分離，既可以滿足現(xiàn)有頻率資源條件下調(diào)度通信系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，滿足互聯(lián)互通的運(yùn)營(yíng)要求，又能支持無(wú)線承載網(wǎng)絡(luò)的通用性，為未來(lái)專用無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)提供可能。