程 鑫 王天怡

（北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037）

1 概述

乘客信息系統(tǒng)是依托多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心，以車站和車載顯示終端為媒介向乘客提供信息服務(wù)的系統(tǒng)。一方面系統(tǒng)通過車載設(shè)備在列車車廂進(jìn)行音視頻播放。另一方面，控制中心可以實(shí)時(shí)調(diào)看列車車廂內(nèi)的視頻監(jiān)控圖像，提升了地鐵處置車廂內(nèi)突發(fā)事件的能力。

系統(tǒng)要求保證圖像質(zhì)量，不能出現(xiàn)馬賽克、中斷等現(xiàn)象，因此車-地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)要有足夠的帶寬并且能夠保證車-地間信息的可靠傳輸。

2 技術(shù)選擇

2.1 無線帶寬需求分析

車地?zé)o線通信需要承載的業(yè)務(wù)主要包括CBTC、CCTV和PIS等。CBTC系統(tǒng)鑒于安全級(jí)別較高，本工程由信號(hào)系統(tǒng)單獨(dú)建設(shè)基于WLAN技術(shù)車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)用于承載CBTC信息，通信系統(tǒng)單獨(dú)建設(shè)車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)用于承載CCTV及PIS業(yè)務(wù)。

按照全線列車接收一路中心下發(fā)的信息，保證D1（720×576）的圖像質(zhì)量，采用MPEG-2編碼方式，需要帶寬約為8 M；每列車上傳2路圖像信息，按MPEG-4或H.264編碼方式，每路按2 M計(jì)算，需要的帶寬約為4 M。

車地傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要如表1所示。

表1 無線帶寬需求

由此可知，能夠保證無線網(wǎng)絡(luò)的平均帶寬大于13.1 Mbit/s，即可滿足本線對(duì)帶寬需求，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻傳輸。

2.2 系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)的PIS車地?zé)o線主要包括數(shù)字移動(dòng)電視技術(shù)（DVB-T）、無線局域網(wǎng)（WLAN）、LTE、EUHT等技術(shù)。

2.2.1 DVB-T技術(shù)

數(shù)字移動(dòng)電視技術(shù)能滿足高清多媒體信息傳輸，它采用數(shù)字電視發(fā)射機(jī)將視頻信號(hào)傳輸?shù)杰囕d接收裝置。目前，國內(nèi)已在建設(shè)運(yùn)營較早的深圳、南京等地的城市軌道交通中有所應(yīng)用。

優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)傳輸帶寬可以滿足實(shí)時(shí)傳輸高清視頻信號(hào)的要求，列車運(yùn)行過程中可以實(shí)現(xiàn)無縫切換，覆蓋效果較好。

缺點(diǎn)：系統(tǒng)是單向系統(tǒng)，只能發(fā)送下行信息到車廂，車廂內(nèi)的視頻監(jiān)視信息無法上傳。為實(shí)現(xiàn)雙向傳輸，必須增加其他輔助系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了投資。

2.2.2 WLAN技術(shù)

無線局域網(wǎng)技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的一種移動(dòng)寬帶傳輸技術(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)先后經(jīng)歷802.11a、802.11g、802.11n和802.11ac標(biāo)準(zhǔn)。

該網(wǎng)絡(luò)目前可提供54 Mbit/s的帶寬（其中802.11n標(biāo)準(zhǔn)理論帶寬高達(dá)300 Mbit/s），穩(wěn)定帶寬約為15 Mbit/s，可滿足80 km/h運(yùn)行狀態(tài)下的視頻數(shù)據(jù)傳送需求。由于無線局域網(wǎng)技術(shù)成熟、產(chǎn)業(yè)化水平高，在目前國內(nèi)軌道交通PIS系統(tǒng)建設(shè)中，已開通的線路車地?zé)o線雙向?qū)拵鬏斁W(wǎng)大部分采用此技術(shù)。

2.2.3 LTE技術(shù)

LTE項(xiàng)目是3G的演進(jìn)，改進(jìn)并增強(qiáng)了3G的空中接入技術(shù)，采用OFDM和MIMO作為其無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。在20 MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100 Mbit/s與上行50 Mbit/s的峰值速率。

目前國內(nèi)有很多廠商能夠提供整套的LTE解決方案，產(chǎn)品成熟度較高，可選擇范圍大，但其工作頻段不能采用目前4G公用頻段，雖然工信部發(fā)布了“工業(yè)和信息化部關(guān)于重新發(fā)布1785-1805 MHz頻段無線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知”，但仍涉及頻率申請(qǐng)問題。

2.2.4 EUHT技術(shù)

超高速移動(dòng)通信技術(shù)（以下簡稱EUHT）是我國自主研發(fā)的全球首個(gè)能夠解決“移動(dòng)寬帶一體化”的通信技術(shù)系統(tǒng)。目前，EUHT擁有超高速無線局域網(wǎng)等兩項(xiàng)中國通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)號(hào)YD/T 2394.2-2012）。EUHT已全面推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化，京津城際、廣州地鐵6號(hào)線的EUHT商業(yè)示范線也于2016年10月底相繼建成。上海、深圳等城市也在計(jì)劃實(shí)施以EUHT技術(shù)為基礎(chǔ)的智能交通方案。

2.3 車-地?zé)o線技術(shù)選擇

為保證地鐵1號(hào)線2017年6月30日開通試運(yùn)營的目標(biāo)，各設(shè)備系統(tǒng)均于2015年完成招標(biāo)，中國城市軌道交通協(xié)會(huì)還并沒有發(fā)布“關(guān)于推薦城軌交通項(xiàng)目新建CBTC系統(tǒng)使用1.8G專用頻段和LTE綜合無線通信系統(tǒng)的通知”，因此，信號(hào)系統(tǒng)按WLAN技術(shù)進(jìn)行招標(biāo)建設(shè)。同時(shí)，工信部及國家無線電管理局從緊缺的無線頻段資源中明確1.8G作為城市軌道交通等行業(yè)專用頻段，經(jīng)與長春市無委會(huì)溝通，同意批復(fù)1785-1795共10 M頻點(diǎn)用于地鐵建設(shè)車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合信號(hào)的建設(shè)方案及LTE技術(shù)的優(yōu)勢，本工程采用LTE技術(shù)組建車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)，用于承載上行CCTV業(yè)務(wù)及下行PIS業(yè)務(wù)。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由車輛段和區(qū)間的射頻單元RRU、隧道多頻分合路器、漏纜（與專用無線合用），車站的LTE基站BBU、射頻單元RRU設(shè)備、合路器POI、GPS天線、控制中心的核心網(wǎng)控制單元設(shè)備、無線管理工作站以及列車上的無線接入設(shè)備（含天線）等組成。

車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成如圖1所示。

3.2 無線覆蓋設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在隧道區(qū)間合用專用無線漏纜，在車輛段采用定向天線覆蓋。

3.2.1 車站附近隧道覆蓋

為車站的上下行隧道配置獨(dú)立的RRU，上下行隧道的漏泄同軸電纜分別連接到RRU上。

RRU的每個(gè)通道和TETRA系統(tǒng)使用一個(gè)合路器。

組網(wǎng)示意如圖2所示。

3.2.2 長區(qū)間隧道覆蓋

通過鏈路預(yù)算設(shè)計(jì)，受限于上行鏈路，RRU單邊最大覆蓋可到680 m，考慮切換帶的重疊覆蓋區(qū)域?yàn)?0 m，建議RRU單邊覆蓋不超過640 m。

當(dāng)兩站之間站間距大于1 280 m時(shí)，區(qū)間增加RRU。

長區(qū)間隧道組網(wǎng)示意如圖3、4所示。

3.2.3 車輛段覆蓋

車輛段覆蓋區(qū)域大，區(qū)域內(nèi)列車數(shù)量多，數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟l(fā)性高。采用4T4R型RRU，采用定向天線掛側(cè)墻安裝的方式進(jìn)行覆蓋。

3.2.4 無線RRU設(shè)備分布設(shè)計(jì)

RRU設(shè)備分布情況如表2所示。

表2 無線RRU設(shè)備分布表

3.3 切換設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中，無線越區(qū)切換的遲滯為2 dB，無線切換時(shí)延小于50 ms，保守計(jì)算取值100 ms，列車速度按照最大80 km/h，傳播模型按照漏纜每100 m損耗4.3 dB計(jì)算，切換帶在40 m左右。系統(tǒng)切換過程如圖5所示：在TAU終端接入LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)后，由網(wǎng)絡(luò)給TAU終端下發(fā)信號(hào)強(qiáng)度檢測測量消息，由TAU終端進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度檢測。TAU給網(wǎng)絡(luò)上報(bào)測量報(bào)告消息，網(wǎng)絡(luò)側(cè)根據(jù)報(bào)告消息觸發(fā)切換動(dòng)作，讓TAU從原先小區(qū)切換到信號(hào)強(qiáng)度較好的小區(qū)。

4 測試數(shù)據(jù)

1號(hào)線開通之后，對(duì)LTE車地?zé)o線傳輸性能進(jìn)行了測試，測試區(qū)間為北環(huán)路站-紅咀子站，測試結(jié)果如表3所示。根據(jù)招標(biāo)文件，標(biāo)準(zhǔn)要求為雙向吞吐量≥15 Mbit/s，車→地吞吐量≥6 Mbit/s，地→車吞吐量≥8 Mbit/s。測試結(jié)果表明LTE車地?zé)o線通道性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 車地通信測試數(shù)據(jù)

續(xù)表

以目前的數(shù)據(jù)配置，各小區(qū)均已達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)：下載速率＞8 Mbit/s；上傳速率＞6 Mbit/s。除長春站北廣場和北京大街站間由于不具備施工條件未開通長春站南廣場站不連續(xù)覆蓋，其余基站丟包率指標(biāo)正常、時(shí)延、站間切換正常、銜接順暢，實(shí)際直播效果良好，未出現(xiàn)卡屏、馬賽克等現(xiàn)象。

5 結(jié)語

TD-LTE技術(shù)在長春地鐵1號(hào)線乘客信息系統(tǒng)的成功應(yīng)用和開通，進(jìn)一步驗(yàn)證了LTE技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸速率高、切換更快、QoS等級(jí)保護(hù)多、運(yùn)營維護(hù)量小等特點(diǎn)，提出的設(shè)計(jì)方案可對(duì)今后城市軌道交通無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供參考。根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會(huì) “關(guān)于推薦城軌交通項(xiàng)目新建CBTC系統(tǒng)使用1.8G專用頻段和LTE綜合無線通信系統(tǒng)的通知”文件精神及LTE-M技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的逐步完善，未來在城市軌道交通領(lǐng)域LTE將發(fā)揮更大的作用。

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