城市轨道交通专用无线通信系统论文

2022-03-30版权声明我要投稿

  摘要:无线通信技术经历了模拟通信、数字通信以及现在广泛应用的宽带通信,文章针对专网通信从窄带到宽带制式的演变,对城市轨道交通几种主流制式的专用无线通信系统进行了介绍,并对5G时代下轨道交通发展现状和集群通信业务承载方式的趋势进行了初步探讨。

  关键词:专用无线通信系统;TETRA;LTE;5G;

0 引言

  轨道交通通信系统主要分为专用通信、民用通信以及公安通信系统(见图1)。其中,专用通信系统包括电源系统、传输系统、视频监控系统、无线系统、PIS系统、集中告警系统等十几个系统,而无线系统作为轨道交通专用通信系统三大基础系统之一,主要服务于地铁生产网的运维人员日常工作的沟通与交流,通过组呼、单呼、派接呼、列车广播、转组、功能号呼叫、列车ATS位置显示等定制化的专网业务功能,为中心调度员对全线列车司机、车站值班员等各部门各专业人员的统一调度提供可靠有效的无线通信手段,满足地铁运营管理的需要。

1 城市轨道交通专用无线通信系统功能

  专用无线通信系统是个集成系统,主要由无线通道网络系统和二次开发系统组成(如图2所示)。无线通道网络是控制中心、车站、车辆段以及列车调度通信的网络通道,包括集群交换中心服务器、基站设备(含无线拉远单元)、室分天馈系统等组成。其中,集群交换中心服务器主要部署在控制中心,基站设备部署在中心、各车站区间以及车辆段,室分天馈系统基于基站设备信号铺设室内无线网络,提供中心、各车站及车辆段室内的无线覆盖信号。二次开发系统是实现本系统所有功能的应用层系统,基于通道网络进行定制化的二次开发,主要包括CAD服务器、调度台、网管、车载台、固定台等二次开发系统设备,实现组呼、点呼、选呼、广播呼[1]等语音类呼叫、短信收发、转组等业务功能。随着通信技术的不断发展,应用于轨道交通的专网通道从窄带逐渐变成了宽带,系统业务配置更加灵活,在原传统业务的基础上新增了视频回传、视频点呼、视频分发等宽带视频调度集群业务功能。

2 几种主流制式的专用无线通信系统比较

  2.1 基于TETRA的数字集群调度系统

  基于TETRA的数字集群通信系统是由第一代模拟集群通信系统发展而来的。系统是由多基站的TETRA数字集群形成的一个有线、无线相结合的网络,主要由设置在运营控制中心(OCC)的调度台(含二次开发的行车调度台系统、设备(电力、防灾)调度台系统、维修调度台系统、车辆段/停车场调度台系统以及TETRA原装调度台)、二次开发CAD服务器系统、网管系统(含二次开发网管、TETRA原装网管)以及实现核心集群业务、通道网络的集群交换控制系统;设置在站台和站厅的基站、室内分布系统、固定台;安装在机车上的车载台,工作人员使用的手持台,以及在车辆段/停车场的调度台、基站等设备构成。

  (1)集群交换控制系统含多个业务子单元,所有终端之间的通信均需要通过集群交换控制系统进行中转调度,再转发至目的地设备,是无线系统的核心大脑。

  (2)基站设备是连接终端设备和集群交换控制系统的桥梁设备,一般由基站和直放站拉远设备组成,终端设备将信号发送至基站,经由基站设备转发至集群交换控制系统,再由集群交换控制系统转发至目的地附近基站,最终由该基站将数据推送至目的设备。

  (3)二次开发调度系统由CAD服务器和调度台组成,CAD服务器为后台运行设备,主要提供本系统列车组、车站组、通话组等基础数据的维护,同时接收信号系统ATS数据、时钟数据并转发本系统其他业务子系统,进行列车位置信息显示和时间校时;二次开发调度台是二次开发系统的核心子系统,主要由控制中心行调人员、维调人员使用,行调人员通过该子系统实现对正线司机的行驶调度,厂调人员通过该子系统实现对车辆段区域司机的统一调度,其他维修及设备调人员通过该子系统与全线维修人员进行无线通话。

  (4)二次开发网管主要实现本系统设备、网络等故障管理功能,当设备宕机、软件崩溃时,网管子系统通过声光提示实时报警,同时二开网管通过SNMP协议可以接收通道网络设备的故障信息,在本机上显示。

  (5)车载台和固定台设备均为二次开发终端设备,通过定制化的设计,分别安装在列车司机室和车站车控室,实现列车司机以及车站值班人员和中心调度员的无线通话。

  TETRA的出现标志着集群通信从模拟时代跨越到数字时代,TETRA是过去20年轨道交通行业的主流语音集群调度技术,语音集群调度功能完善,性能稳定,满足轨道交通的语音集群调度业务应用,主流通道厂家包括摩托罗拉、欧宇航、海能达等,目前部分新线路建设仍旧使用TETRA制式的无线通信系统。

  2.2 基于LTE的宽带集群调度系统

  随着3G到4G通信技术的发展,1.8 GHz的TD-LTE制式的轨道交通专用无线通信系统基于行业B-TrunC宽带集群标准[2],专网频段范围为1785~1805 MHz,共20 MHz带宽。主流通道厂家包括鼎桥、华为、中兴等,目前广州、上海、南京、宁波、哈尔滨等城市地铁均已开始应用或在建,基于LTE的专用无线通信系统正迎来它的爆发式发展增长期。

  LTE宽带传输通道彻底打破了原有至少3张不同网络去承载CBTC、集群、CCTV、PIS等车地通信系统的方式,通过同一张网络对车地通信系统进行综合承载,是车地通信系统的里程碑式的转变,大大降低了通信系统的网络复杂度、整体运营维护成本。

  (1)对使用其通道的无线通信系统而言,从系统网络架构上来说,核心网到BBU、RRU以及终端的架构方式更加扁平化;同时支持B-TrunC标准的不同通道厂家设备理论上可以进行互联互通,而TETRA在窄带网络中不同厂家的通道无法互联互通。

  (2)从实现方式上来说,不再受限调度台实现集群语音、CAD负责注册鉴权、网络短数据中转的传统方式,LTE核心网侧提供了丰富的账号资源,业务系统注册鉴权不再受限,系统业务配置更加灵活。

  (3)从业务应用上来说,传统的集群语音、数据等业务不变,丰富的带宽资源使系统增加了视频监控、监控、点呼、分发等宽带视频调度业务;窄带网络通常对二次开发终端设备、调度台进行录音,手持台设备无法录音,而LTE网络通道厂家提供了丰富的录音录像二次开发接口,通过直接从LTE集群调度服务器侧获取音视频数据,生成WAV、MP4等音视频文件,实现对全网设备的录音和录像。地铁人员使用手持台频率较高,遍布全线各区域,全网录音录像为运维故障问题的后续追踪提供了有效保障。同时,在目前全自动无人驾驶等智慧地铁的场景趋势需求下,LTE为列车乘客在紧急情况下与中心调度视频直连的乘客调度等业务场景提供了重要的数据通道。

  2.3 5G时代专用无线集群调度系统的探讨

  受制于有限的LTE专网频段资源,基于LTE的车地通信目前主要还是用于承载CBTC或CBTC+集群的车地通信系统,CCTV、PIS等需要大带宽资源的系统仍使用WLAN等方式传输。新基建时代,公网5G已划分频段,目前已在全国快速落地部署网络,而5G轨道交通专用频段资源由于暂未划分[3],不具备搭建专网5G的条件,目前行业处于地铁和运营商共同制定标准、合作试验阶段。

  例如,哈尔滨地铁针对车辆智能运维的业务场景需求,传统U盘拷贝方式,拷贝时间长,时效性和安全性差,无法满足大数据快速传输的应用要求。使用的华为5G-AirFlash车地转储技术方案,在列车、车辆段和车站轨旁分别部署5G终端和无线通信设备,当列车驶入站内轨旁设备监测范围内,将车载视频数据精准快速传至轨旁存储设备,传输速率需要不低于1.5 Gb/s,实现轨道交通运营方对乘客状况、列车设备及运行状态、隧道及弓网等情况的监测、实现故障预测与健康管理,包括状态监控、故障分析、故障预警、运维决策,最终达到提高检修效率和安全性,降低维修成本的目标。

  南京地铁、上海地铁联合运营商等设备厂家搭建5G网络(支持SA/NSA)(见图3),利用网络切片等技术,将专网业务下沉本地管理[4],进行通信终端视频图像回传,信号系统、行客流热力分析预警等相关试验应用[5]。基于5G的行业集群通信标准暂未发布,未来一段时间内专网LTE网络将持续承载集群、CBTC等一级生产业务,综合5G网络承载非关键、需要大数据带宽支撑的其他业务,共同助力智慧城轨的发展。

3 几种制式系统的互联互通

  专用无线通信系统互联互通包括与通信其他子系统以及系统通道级的互联互通。与通信其他子系统的互联主要是指通过专用无线通信的终端,可拨打外部电话(轨道交通专用通信公务电话系统)进行语音通话。在窄带网络中通过程控交换机等设备实现,在宽带IP网络架构下,不再需要单独的程控交换机,通过配置系统可直接通过SIP协议进行通信互联。

  系统通道级的互联互通是指不同厂家设备的窄带TETRA、宽带LTE通道之间的互联以及宽窄带融合的互联互通。在窄带网络中,基于TETRA制式的主流设备厂商为摩托、欧宇航等国外厂家,难以提供对外互通接口,同一个城市由于不同线路使用了不同厂家设备,每次均需要新建网络且无法与既有线路互联,增加了建设设备和运维管理成本。在LTE宽带网络中,鼎桥、华为、中兴等主流厂商设备均基于行业B-TrunC标准协议,理论上通过配置即可实现系统级或基于基站的换乘站级的互联互通,而不再受设备品牌限制。在宽窄带融合方面,目前系统级的互联互通仍然是个瓶颈,终端侧LTE厂家通过互联集群网关(内置窄带通信模块),通过宽带和窄带系统侧的配置,将窄带系统终端的话音通过该设备转换后,在宽带终端播放,实现组呼的集群业务,这种方式只需要窄带和宽带设备在本无线覆盖区域内,对空间区域提供了较大自由度,实现了宽窄带融合的部分业务互联互通。目前5G网络为公网运营商设备,与专网LTE网络相互独立,业务隔离。未来在5G相关行业标准下,与LTE网络融合,利用5G超大带宽的优势,共同承载CBTC、集群、CCTV、PIS等专网通信系统将是大势所趋。

4 结束语

  专用无线通信系统是轨道交通专用通信系统里的基础子系统,承担着地铁业务部门日常沟通、行车调度的重要作用。地铁专网通信制式从早期的模拟到数字到宽带的演变,对于无线通信系统而言不能简单理解为功能更多、性能更优,每种制式的系统有其各自的特点,TETRA在语音通话、短数据收发、转组等传统集群业务的承载上稳定可靠,但由于主设备通道设备长期由国外厂家垄断,增加了地铁中长期的运营维护成本;LTE在频段带宽资源充足的情况,完全能够综合承载CBTC、集群、CCTV、PIS等所有车地通信业务,在线路建设成本、后期维护等方面有较大优势,而对本身集群调度业务来说,除新增了视频调度功能,传统的集群语音业务和TETRA区别不大;5G的超大带宽、网络切片、边缘计算等技术将用更优化的网络架构承载更丰富的业务,是目前智慧地铁、智能运维需求发展的重要基础通道。通信制式的变化,更多是针对日益庞大的地铁线路网络,通过整体规划、系统级融合等统一管理模式,优化了系统网络架构,提高运维效率,减少运维成本,提供智能维修决策、预警等智慧化业务的基础通道,开启智慧地铁新时代。

参考文献

  [1] 宋军杰,王云龙,姚慧.城市轨道交通专用无线通信系统方案分析[J].无线互联科技,2020(13):5-6.

  [2] 张婧.TD-LTE宽带集群技术在城市轨道交通中的应用[J].电子科技,2016,29(7):120-123.

  [3] 毛磊,翟浩杰,尹尚国.5G在轨道交通行业的应用探讨[J].移动通信,2020,44(1):63-70.

  [4] 裴顺鑫,孙舒淼.5G+南京地铁创新探索[J].城市轨道交通,2020(7):24-27.

  [5] 娄琦.上海地铁5G+示范应用和研究现状[J].城市轨道交通,2020(5):18-19.

作者:刘思瑶 高帆 单位:南京轨道交通系统工程有限公司 中建安装集团有限公司

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