西安市轨道交通集团有限公司运营分公司 陕西西安 710016
摘要:针对城市轨道交通车地无线通信方式的应用情况分析，传统驾驶模式下的WLAN抗干扰内里较差，LTE综合承载技术传输带宽受限。全自动运行模式下大带宽和高稳定性的通信要求下，提出LTE+WLAN的综合车地无线通信网络方案，利用LTE进行车地无线通信安全类和非安全类业务的综合承载;WLAN作为TCMS、车载CCTV和车载PIS的备用传输通道，可满足全自动运行模式下的车地无线通信可靠性要求。
关键词:城市轨道交通; 全自动运行; 车地无线通信; LTE+WLAN
1 传统驾驶模式下的车地无线通信
1.1 WLAN技术
WLAN是我国城市轨道交通车地无线通信传输的主要实现方式，且已有较多成功的案例，其在经济性、宽带性等方面具有一定的优势。但随着近几年来大功率设备应用逐渐增多，外来干扰增多，WLAN技术抗干扰能力差的固有特性限制了城市轨道交通车地无线通信技术的进一步发展:(1)抗干扰能力差。WLAN技术的工作频段为开放的5.8GHz频段。近年来，乘客WIFI(无线网络)大功率设备应用逐渐增多，容易对地铁车地无线通信传输造成干扰（敞口段及高架区间尤为明显），严重影响列车运行安全性。(2)覆盖距离短、越区切换多、维护不便。WLAN天线覆盖范围较小，需约200m左右布设一个天线，导致区间内无线有源设备数量多，造成维护困难。(3)服务质量无法保证。由于车地无线通信业务较多，WLAN 无法实现多业务并发时的按优先级调度，造成各系统相互争抢通信资源，这样可能会影响关键安全业务信息的交互。
1.2 LTE综合承载技术
为提高车地无线通信网络的可靠性，保证列车运行安全，各大城市开展了LTE技术综合承载车地通信的研究及应用。LTE采用了OFDM(正交频分复用)、MIMO(多输入多输出)、HARO(混合自动重传请求)等先进技术，有效地提高了数据传输速率和频谱效率等。LTE工作在非开放性1.8GHz(1785～1805MHz)频段， 且其采用小区间干扰协调技术(ICIC)和干扰抑制合并技术(IRC)，大大提高了抗干扰能力。其次，LTE区间设备覆盖范围达1.2km，大大减少了越区切换次数和设备维护量。另外，LTE技术还能通过预先定义的承载业务类型实现优先级调度和资源分配，为保证生产安全类业务提供了很大的便利。
目前，LTE综合承载车地无线通信业务已有成功应用，如西安地铁四、五、六号线、北京燕房线（全自动驾驶线路）、南京宁高线等。但需指出，LTE虽为非开放频段，但却为交通、电力、石油等行业共用，因此很多城市难以申请到20MHz。另外，通过运营场景分析发现，全自动运行模式比常规运行模式下城市轨道交通线路的车地无线通信业务，如列车运行控制信息、车辆运行状态监测量、新增行车路况监视和乘客紧急呼叫视频等均有所增加，导致LTE技术在传输带宽方面可能受限。
综上所述，LTE技术虽然可靠性和抗干扰能力较强，但在系统带宽能力方面存在着不足;WLAN技术虽然抗干扰能力弱，但在经济性和宽带性方面具备一定的优势。因此，针对城市轨道交通全自动运行模式下的车地无线通信网络建设需要，提出合理可行的车地无线通信网络组网方案，保证全自动运行线路安全可靠的车地通信尤为重要。
2 全自动运行模式下的车地无线通信分析
2.1 车地无线通信业务信息
2.1.1 基于通信的列车控制业务
基于通信的列车控制(CBTC)业务用于传输全自动运行模式下的实时数据，从而对列车运行状态进行监督、控制和调整。此应用需求属于生产安全信息业务，且通常需要采用独立的双网冗余通信信道。
2.1.2 乘客信息系统紧急文本业务
乘客信息系统(PIS)紧急文本业务一般由播控中心下发，通过地面PIS服务器传输至车载PIS终端，用于通知乘客列车运营信息或其他紧急信息。此业务属于生产安全信息业务。
2.1.3 车辆运行状态监测业务
列车监控管理系统(TCMS)通过传感器采集车辆关键设备系统信息并上传至地面监测中心，保障车辆运行期间的正常运转。此业务属于生产安全信息业务。
2.1.4 车载闭路电视业务
车载闭路电视(CCTV)业务是将车厢内、车载乘客紧急呼叫处的行车路况监视图像信息传输至地面控制中心进行集中监控。其中，车载乘客紧急呼叫一般通过车载紧急呼叫事件触发，相应的视频图像自动上传至控制中心监视工作站;车载视频监控图像通常由车载本地存储，且可由中央操作员实时任意调看(一路或多路图像)。车载乘客紧急呼叫和行车路况监视均属于生产安全信息业务。
2.1.5 车载PIS业务
车载PIS业务是通过地面服务器将视频图像信息传输至车厢内进行播放，此业务属于非生产安全信息业务。
2.2 车地无线通信业务带宽需求
通过以上对于车地无线通信业务的需求分析，参考目前实际带宽应用情况，汇总全自动运行模式下的车地无线通信业务带宽需求，如表1所示。
表1车地无线通信业务带宽需求
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2.3 承载能力分析
由于LTE在服务质量保证、抗干扰能力方面有着不可替代性，因此优先考虑采用LTE技术承载车地无线通信业务，尤其是生产安全类业务。根据表1中车地无线通信业务的带宽需求，在全自动运行模式下考虑采用LTE技术进行综合承载，则有:A网上行:“CBTC+车辆运行状态监测”的承载能力为10Mbit/s; A网下行:“CBTC+PIS紧急文本”的承载能力为2.1Mbit/s; B网上行:“CBTC+车辆运行状态监测+乘客紧急呼叫视频+轨道路况监视图像+其他视频”的承载能力为30Mbit/s; B网下行:“CBTC+PIS紧急文本+车载PIS”的承载能力为8.1Mbit/s。由此可以看出，即使LTE车地无线系统申请到20MHz频谱，也仅能满足安全生产类业务的需求，但无法满足业务综合承载，需要采用WLAN宽带无线技术来补充解决。因此，建议将WLAN系统作为车地无线通信信息传输的备用通道，用于传输“TCMS+乘客紧急呼叫视频+轨道路况监视图像+其他视频”业务。
3 车地无线综合通信网络建设方案
通过对车地无线通信业务需求、承载能力及频率规划等方面分析，需要建设1套LTE系统保证系统生产安全类业务的传输。另外，还需要建设1套WLAN系统作为车地无线通信信息传输的备用通道。
3.1 LTE系统组网
3.1.1 系统组成
由于LTE系统需要承载信号系统中的CBTC业务，因此，LTE网络须按照A、B双网进行设计。在主、备控制中心分别设置演进分组核心网(EPC)设备;在车站和车辆基地设置BBU(基带处理单元)+RRU(射频拉远单元)设备，且在线路区间根据需要设置RRU设备;在列车上设置TAU(车载接入单元)设备，且在每列列车的车头和车尾同时设置A网+B网TAU设备。
3.1.2 无线覆盖
以城市轨道交通地下线路为例，建议LTEA/B网在左右隧道各敷设1根漏缆进行区间无线覆盖;场段内采用室外铁塔天线覆盖，建筑物内采用室内分布系统进行补充覆盖;车站内采用室内分布系统进行覆盖。
3.2 WLAN系统组网
根据全自动运行模式下车地无线业务需求LTE系统能力，需要建设1套WLAN 系统来传输“TCMS+乘客紧急呼叫视频+轨道路况监视图像”业务，并将其作为备用通道。由于WLAN承载的大都为非安全生产信息类业务，因此WLAN网络采用常规的单网方案，主要由中心的无线控制器、无线接入点、天线及光电缆等设备和线路组成。
4 结语
LTE+WLAN的综合车地无线通信网络建设方案，不仅能够满足GOA3/4全自动驾驶模式下CBTC、PIS紧急文本、车辆运行状态监测、车载CCTV及车载PIS等车地无线通信业务的带宽需求，还能根据预先设定的优先级进行通信资源分配和调度，为全自动驾驶模式下的车地无线通信提供了安全可靠的实现方式。
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