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摘要：随着城市轨道交通服务和管理水平的不断提高，对行车安全的要求也不断提高，因此对车地无线通信系统的性能提出了更高的要求。为了更好地满足高速行车过程中的无线通信传输质量、速度和效率的要求，城市轨道交通车地无线通信网络方案的合理与否起着重要的作用。
关键词：城市轨道交通；车地无线通信；网络方案；行车安全；车地信息传输 文献标识码：A
中图分类号：U231 文章编号：1009-2374（2017）03-0014-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.03.007
1 概述
目前，车地信息传输业务主要有集群语音调度系统、CBTC系统、PIS系统、车载视频监控系统及其他数据信息传输等。
集群语音调度系统为控制中心调度员、车辆段调度员、车站值班员等固定用户与列车司机、防灾、维修等移动用户之间提供迅速、有效的通信手段，是提高运输效率、确保行车安全及应对突发事件的必要保障。
CBTC系统主要作用为列车间距及速度防护、列车自动运行与调度，是城市轨道交通自动化系统中的关键部分，是保证列车和乘客安全，实现列车高效运行、指挥管理有序的自动控制系统。CBTC系统车地传输数据主要为列车位置、运行控制、移动授权等信息。该业务应用层要求低速的准实时数据的可靠传输；控制层要求最高优先级的低速逻辑通道；通道层要求独立、高可靠性及冗余的信道。
PIS系统用于列车车厢内资讯发布、乘客指引信息的视频展播。PIS系统车地传输数据主要为视频信息。该业务应用层要求直播（广播）为主、录播（点播）为辅、录播要考虑批量数据传输的带宽利用效率；控制层要求广播数据优先级高、小区切换不丢包、限制錄播数据带宽、以组播点播结合的方式进行节目数据传送；通道层要求高传输质量的广播通道、组播通道。
车载视频监控系统用于车内情况的视频监视，并为应急调度指挥提供实时的车内高清动态图像信息。CCTV车地传输数据主要为视频信息。该业务应用层要求海量的实时视频数据传输、带宽要求上行远大于下行及流媒体形式的录像回放；控制层要求实时视频数据优先级高、小区切换不丢。限制录像回放带宽；通道层要求大带宽、高质量的实时数据通道，减少重传。
车况信息等主要是传输列车状况信息，一般为低速率的数据信息。
2 轨道交通现状分析
2.1 集群语音调度系统
目前，地铁内均采用TETRA系统单独组网建设，采用800MHz TETRA数字集群技术，该系统成熟可靠。主要设备厂家有国外的MOTO和EADS两家，均有开通运营业绩；国内的主要有中电54所、东方通信、海能达，均处于试验或建设中。
在国内地铁行业内，目前有温州市域铁路、广州地铁等采用基于LTE技术承载集群语音调度通信。
2.2 CBTC系统
既有的国内地铁CBTC系统基本上都采用2.4GHz或5.8GHz频段WLAN技术建设车地无线网络。国际上提供CBTC-R系统的主要厂家有阿尔斯通、泰雷兹、西门子、安萨尔多和庞巴迪。西门子采用的是IEEE802.11a/b/g技术，为直接序列扩频方式或正交频分复用方式；泰雷兹采用的是IEEE802.11技术，为跳频扩频方式；阿尔斯通采用的是IEEE802.11a/g技术，为正交频分复用调制方式；安萨尔多不直接提供车地传输系统，而是将此部分由分包商（H3C或思科）提供，目前采用的无线通信技术是IEEE802.11g技术，为正交频分复用调制方式；庞巴迪采用的是专有无线通信技术，采用直接序列扩频方式。
近年来，多地地铁公司已开始采用LTE技术进行CBTC系统承载，如武汉地铁、上海地铁等。
2.3 PIS系统和车载视频监控系统
根据乘客信息系统和车载视频监控系统和其他信息传送需要，建设的车地无线网络，主要采用了以下三种技术：
2.3.1 WLAN技术。WLAN技术是目前应用最为广泛的一种移动宽带传输技术，其标准先后经历802.11a、802.11g、802.11n、802.11ac。采用无线局域网技术，可以实现列车与地面之间的双向高速通信。提供高带宽，可满足120km/h运行状态下的视频数据传送需求。由于无线局域网技术成熟、产业化水平高，目前国内轨道交通PIS系统建设中，车地无线双向宽带传输网大部分采用了无线局域网技术，工作频段多数采用2.4GHz频段，也有部分城市采用了5.8GHz频段。
2.3.2 LTE技术。LTE方案是近来推行的一种方案，该方案利用4G技术，在移动性和带宽方面均有大幅提高，20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbps与上行50Mbps的峰值速率，可以满足系统需求。目前，郑州地铁、杭州地铁等地利用1800MHz LTE技术传输PIS和CCTV视频监控信息已顺利开通。国内有数十家厂商能够提供整套的LTE解决方案，产品成熟度较高，可选择范围大，但其工作频段不能采用目前4G公用频段，涉及频率申请问题。
2.3.3 DVB-T技术。DVB-T（地面数字电视广播标准），采用MPEG-2视音频编码以及COFDM调制方式，理论可达16Mbps上下行传输数据带宽。其传输带宽比较大，可实时传输高清视频信号，采用单频网技术，可以完成无缝切换，覆盖效果好。系统一般通过分设车-地及地-车无线传输设备的方式实现列车与地面之间的双向数据传输、增加成本、行业内是独家技术，也存在频率申请问题。
2.4 列车运行状态监测
通过车地无线网络将传感器采集到的列车关键参数以及列车火灾报警信息实时传送至地面监测中心。此类业务具备周期性强、数据量小等特点。
2.5 带宽预测
在高速移动状态下，车地无线网络应提供满足宽带、稳定、具有按照优先级调度和实时性要求的信号列控信息（双向）、车载视频监控图像回传（上行）、车载PIS实时播放（下行）等车地无线数据业务承载。具体需求见表1。 3 1800MHz频段资源现状
3.1 相关政策
工业和信息化部《关于重新发布1785-1805MHz频段无线接入系统频率使用事宜的通知》（工信部无[2015]65号）明确1800MHz频段可以应用于城市轨道交通，以满足目前地铁无线通信网络建设的应用需求。中国轨道交通协会也积极与工信部沟通协调，建议地铁采用1785～1805MHz全部20MHz频段。
省经信委无线电管理处已在2013年将1790～1795MHz这5MHz批复给南方电网。由于在1785～1790MHz以及1800～1805MHz范围与公众运营商频段相邻，容易相互干扰，无线电管理处相关负责人也表示1785～1790MHz以及1800～1805MHz范围内的频段申请原则上不予审批。此外，在1785～1790MHz这5MHz中，中国电信方面提出为避免对其FDD-LTE频点干扰，要求预留2MHz作为隔离。
3.2 其他城市轨道交通的频率、频点申请使用情况
根据工信部工信无函[2010]147号文，朔黄重载铁路LTE车地通信项目在1.8GHz频段，于山西、河北、内蒙古三省区建网，并已开通运营。根据豫无办[2011]31号文，郑州地铁1号线PIS车地无线采用LTE在1.8GHz频段组网，并已经开通运营。厦门地铁1号线、深圳地铁11号线采用LTE在1.8GHz频段组网承载PIS车地无线业务，温州市域S1线、广州地铁14号线、知识城支线、21号线采用LTE在1.8GHz组网承载无线调度业务，武汉地铁6号线采用LTE在1.8GHz组网承载CBTC业务。
4 本工程原初步设计现状
工程原初步设计中1800MHz频段仅考虑承载PIS系统车地无线相关业务，即2路车载安全监控视频（每路2Mbps）上传，以及1路车载实时PIS视频信息（6Mbps）下传。原则上需要占用10Mbps带宽，需要申请1800MHz中的至少10M频宽。
PIS车地无线通信网络由核心网设备，车站/区间/车辆段/停车场的LTE基站设备（BBU、RRU）、漏泄同轴电缆及天线、网管、列车车载设备等组成。
在控制中心级设置核心网及网管设备，负责与其他业务服务器通过以太网交换机相连，通过LTE无线网络进行列车-地面之间的信息交互。
在车站/区间设置LTE基站的BBU和RRU设备，覆盖站台周边以及区间，实现与列车车载设备之间的无线通信。各LTE基站接入车站网络交换机，通过通信传输系统提供的通道与控制中心连接。
在车辆段/停车场设置LTE基站的BBU和RRU设备，覆盖出入段线及车库等区域。
在每列车的车头、车尾各设置1套车载设备，通过车载交换机与列车相关系统相连，接收由控制中心提供的实时数据及文本信息以及向控制中心发送实时的车况、视频等信息。
5 1800MHz频段利用方案
LTE在现有的技术条件下，提供3MHz、5MHz、10MHz、15MHz以及20MHz频宽的多元化产品。现有的轨道交通项目中LTE网络吞吐量测试结果见表2：
5.1 15MHz频宽条件
由于1790～1795MHz已被占用，因此15MHz频宽条件表现为1785～1790MHz频段的5MHz频宽和1795～1805MHz的10MHz频宽。结合表2可知其中的10MHz频宽可以满足表1中所有业务的承载。
由于CBTC业务事关行车安全，对车地无线通信可靠性要求较高，需要组建2套LTE网络（A网、B网），因此1785～1790MHz频段的5MHz频宽可分配给A网单独承载CBTC，10MHz频宽分配给B网承载CBTC、PIS、视频监控、车况信息、集群语音等。CBTC业务在A、B两套网络上同时传输，由信号系统同时接收并判断确定使用有用信息。
此方案需要在将原初步设计专用通信系统中PIS方案的LTE单网改为双网，即需要增加一整套LTE设备。
5.2 10MHz频宽条件
10MHz频宽条件可以为1795～1805MHz的1个10MHz频宽，或2个5MHz频宽。
5.2.1 一个10MHz频宽。一个10MHz频宽下只考虑1张LTE网络，由于CBTC系统需要2张LTE网络承载，此方案仅适用于承载表1中除CBTC业务外的其他业务。此方案即为原初步設计方案。
5.2.2 两个5MHz频宽。5MHz频宽上下行带宽最大为5Mbps和7Mbps，无法满足PIS信息的传送，可考虑组建2套LTE网络（A网、B网），其中1个5MHz频宽分配给A网单独承载CBTC，另1个5MHz频宽分配给B网承载CBTC、车况信息、集群语音等。
此方案需要将原初步设计中PIS车地无线方案由LTE（原主选方案）变更为WLAN方案（原备选方案），同时将原初步设计中信号系统的WLAN方案变更为LTE双网方案。综合考虑通信信号系统，需要增加一整套LTE
设备。
5.3 6MHz频宽条件
6MHz频宽条件下可以考虑2个3MHz频宽组建A、B双网，仅用于CBTC业务的承载。
此方案需要将原初步设计中PIS车地无线方案由LTE（原主选方案）变更为WLAN方案（原备选方案），同时将原初步设计中信号系统的WLAN方案变更为LTE双网方案。综合考虑通信信号系统，需要增加一整套LTE
设备。
6 结语
根据轨交协《关于推荐城轨交通项目新建1.8G专用频段和LTE综合无线通信系统的通知》（中城轨[2016]003号）中要求“应考虑在保证CBTC系统优先的情况下开展综合承载业务”，结合省经信委对于1800MHz限制使用的基本原则下（见3.1小节），基本可以认为本工程的原初步设计方案不适用于现有的相关政策以及轨道交通LTE建设的发展方向。综合上述1800MHz频段利用方案，无论最终采用哪种频宽条件，都涉及到了对方案的变更。
因此，城市轨道交通工程建议采用5.3小节的方案，即利用6MHz频宽条件，建设2张LTE网络满足CBTC业务的承载。
参考文献
[1] 李春.城市轨道交通基于通信的列车控制系统车地无
线通信优化方案[J].城市轨道交通研究，2011，14
（9）.
[2] 唐霈.城市轨道交通PIS车地无线传输方案研究[J].信
息通信，2014，（12）.
[3] 孙寰宇.轨道交通车地无线组网技术及干扰分析[J].
城市轨道交通研究，2015，18（4）.
（责任编辑：黄银芳）
关键词：城市轨道交通；车地无线通信；网络方案；行车安全；车地信息传输 文献标识码：A
中图分类号：U231 文章编号：1009-2374（2017）03-0014-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.03.007
1 概述
目前，车地信息传输业务主要有集群语音调度系统、CBTC系统、PIS系统、车载视频监控系统及其他数据信息传输等。
集群语音调度系统为控制中心调度员、车辆段调度员、车站值班员等固定用户与列车司机、防灾、维修等移动用户之间提供迅速、有效的通信手段，是提高运输效率、确保行车安全及应对突发事件的必要保障。
CBTC系统主要作用为列车间距及速度防护、列车自动运行与调度，是城市轨道交通自动化系统中的关键部分，是保证列车和乘客安全，实现列车高效运行、指挥管理有序的自动控制系统。CBTC系统车地传输数据主要为列车位置、运行控制、移动授权等信息。该业务应用层要求低速的准实时数据的可靠传输；控制层要求最高优先级的低速逻辑通道；通道层要求独立、高可靠性及冗余的信道。
PIS系统用于列车车厢内资讯发布、乘客指引信息的视频展播。PIS系统车地传输数据主要为视频信息。该业务应用层要求直播（广播）为主、录播（点播）为辅、录播要考虑批量数据传输的带宽利用效率；控制层要求广播数据优先级高、小区切换不丢包、限制錄播数据带宽、以组播点播结合的方式进行节目数据传送；通道层要求高传输质量的广播通道、组播通道。
车载视频监控系统用于车内情况的视频监视，并为应急调度指挥提供实时的车内高清动态图像信息。CCTV车地传输数据主要为视频信息。该业务应用层要求海量的实时视频数据传输、带宽要求上行远大于下行及流媒体形式的录像回放；控制层要求实时视频数据优先级高、小区切换不丢。限制录像回放带宽；通道层要求大带宽、高质量的实时数据通道，减少重传。
车况信息等主要是传输列车状况信息，一般为低速率的数据信息。
2 轨道交通现状分析
2.1 集群语音调度系统
目前，地铁内均采用TETRA系统单独组网建设，采用800MHz TETRA数字集群技术，该系统成熟可靠。主要设备厂家有国外的MOTO和EADS两家，均有开通运营业绩；国内的主要有中电54所、东方通信、海能达，均处于试验或建设中。
在国内地铁行业内，目前有温州市域铁路、广州地铁等采用基于LTE技术承载集群语音调度通信。
2.2 CBTC系统
既有的国内地铁CBTC系统基本上都采用2.4GHz或5.8GHz频段WLAN技术建设车地无线网络。国际上提供CBTC-R系统的主要厂家有阿尔斯通、泰雷兹、西门子、安萨尔多和庞巴迪。西门子采用的是IEEE802.11a/b/g技术，为直接序列扩频方式或正交频分复用方式；泰雷兹采用的是IEEE802.11技术，为跳频扩频方式；阿尔斯通采用的是IEEE802.11a/g技术，为正交频分复用调制方式；安萨尔多不直接提供车地传输系统，而是将此部分由分包商（H3C或思科）提供，目前采用的无线通信技术是IEEE802.11g技术，为正交频分复用调制方式；庞巴迪采用的是专有无线通信技术，采用直接序列扩频方式。
近年来，多地地铁公司已开始采用LTE技术进行CBTC系统承载，如武汉地铁、上海地铁等。
2.3 PIS系统和车载视频监控系统
根据乘客信息系统和车载视频监控系统和其他信息传送需要，建设的车地无线网络，主要采用了以下三种技术：
2.3.1 WLAN技术。WLAN技术是目前应用最为广泛的一种移动宽带传输技术，其标准先后经历802.11a、802.11g、802.11n、802.11ac。采用无线局域网技术，可以实现列车与地面之间的双向高速通信。提供高带宽，可满足120km/h运行状态下的视频数据传送需求。由于无线局域网技术成熟、产业化水平高，目前国内轨道交通PIS系统建设中，车地无线双向宽带传输网大部分采用了无线局域网技术，工作频段多数采用2.4GHz频段，也有部分城市采用了5.8GHz频段。
2.3.2 LTE技术。LTE方案是近来推行的一种方案，该方案利用4G技术，在移动性和带宽方面均有大幅提高，20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbps与上行50Mbps的峰值速率，可以满足系统需求。目前，郑州地铁、杭州地铁等地利用1800MHz LTE技术传输PIS和CCTV视频监控信息已顺利开通。国内有数十家厂商能够提供整套的LTE解决方案，产品成熟度较高，可选择范围大，但其工作频段不能采用目前4G公用频段，涉及频率申请问题。
2.3.3 DVB-T技术。DVB-T（地面数字电视广播标准），采用MPEG-2视音频编码以及COFDM调制方式，理论可达16Mbps上下行传输数据带宽。其传输带宽比较大，可实时传输高清视频信号，采用单频网技术，可以完成无缝切换，覆盖效果好。系统一般通过分设车-地及地-车无线传输设备的方式实现列车与地面之间的双向数据传输、增加成本、行业内是独家技术，也存在频率申请问题。
2.4 列车运行状态监测
通过车地无线网络将传感器采集到的列车关键参数以及列车火灾报警信息实时传送至地面监测中心。此类业务具备周期性强、数据量小等特点。
2.5 带宽预测
在高速移动状态下，车地无线网络应提供满足宽带、稳定、具有按照优先级调度和实时性要求的信号列控信息（双向）、车载视频监控图像回传（上行）、车载PIS实时播放（下行）等车地无线数据业务承载。具体需求见表1。 3 1800MHz频段资源现状
3.1 相关政策
工业和信息化部《关于重新发布1785-1805MHz频段无线接入系统频率使用事宜的通知》（工信部无[2015]65号）明确1800MHz频段可以应用于城市轨道交通，以满足目前地铁无线通信网络建设的应用需求。中国轨道交通协会也积极与工信部沟通协调，建议地铁采用1785～1805MHz全部20MHz频段。
省经信委无线电管理处已在2013年将1790～1795MHz这5MHz批复给南方电网。由于在1785～1790MHz以及1800～1805MHz范围与公众运营商频段相邻，容易相互干扰，无线电管理处相关负责人也表示1785～1790MHz以及1800～1805MHz范围内的频段申请原则上不予审批。此外，在1785～1790MHz这5MHz中，中国电信方面提出为避免对其FDD-LTE频点干扰，要求预留2MHz作为隔离。
3.2 其他城市轨道交通的频率、频点申请使用情况
根据工信部工信无函[2010]147号文，朔黄重载铁路LTE车地通信项目在1.8GHz频段，于山西、河北、内蒙古三省区建网，并已开通运营。根据豫无办[2011]31号文，郑州地铁1号线PIS车地无线采用LTE在1.8GHz频段组网，并已经开通运营。厦门地铁1号线、深圳地铁11号线采用LTE在1.8GHz频段组网承载PIS车地无线业务，温州市域S1线、广州地铁14号线、知识城支线、21号线采用LTE在1.8GHz组网承载无线调度业务，武汉地铁6号线采用LTE在1.8GHz组网承载CBTC业务。
4 本工程原初步设计现状
工程原初步设计中1800MHz频段仅考虑承载PIS系统车地无线相关业务，即2路车载安全监控视频（每路2Mbps）上传，以及1路车载实时PIS视频信息（6Mbps）下传。原则上需要占用10Mbps带宽，需要申请1800MHz中的至少10M频宽。
PIS车地无线通信网络由核心网设备，车站/区间/车辆段/停车场的LTE基站设备（BBU、RRU）、漏泄同轴电缆及天线、网管、列车车载设备等组成。
在控制中心级设置核心网及网管设备，负责与其他业务服务器通过以太网交换机相连，通过LTE无线网络进行列车-地面之间的信息交互。
在车站/区间设置LTE基站的BBU和RRU设备，覆盖站台周边以及区间，实现与列车车载设备之间的无线通信。各LTE基站接入车站网络交换机，通过通信传输系统提供的通道与控制中心连接。
在车辆段/停车场设置LTE基站的BBU和RRU设备，覆盖出入段线及车库等区域。
在每列车的车头、车尾各设置1套车载设备，通过车载交换机与列车相关系统相连，接收由控制中心提供的实时数据及文本信息以及向控制中心发送实时的车况、视频等信息。
5 1800MHz频段利用方案
LTE在现有的技术条件下，提供3MHz、5MHz、10MHz、15MHz以及20MHz频宽的多元化产品。现有的轨道交通项目中LTE网络吞吐量测试结果见表2：
5.1 15MHz频宽条件
由于1790～1795MHz已被占用，因此15MHz频宽条件表现为1785～1790MHz频段的5MHz频宽和1795～1805MHz的10MHz频宽。结合表2可知其中的10MHz频宽可以满足表1中所有业务的承载。
由于CBTC业务事关行车安全，对车地无线通信可靠性要求较高，需要组建2套LTE网络（A网、B网），因此1785～1790MHz频段的5MHz频宽可分配给A网单独承载CBTC，10MHz频宽分配给B网承载CBTC、PIS、视频监控、车况信息、集群语音等。CBTC业务在A、B两套网络上同时传输，由信号系统同时接收并判断确定使用有用信息。
此方案需要在将原初步设计专用通信系统中PIS方案的LTE单网改为双网，即需要增加一整套LTE设备。
5.2 10MHz频宽条件
10MHz频宽条件可以为1795～1805MHz的1个10MHz频宽，或2个5MHz频宽。
5.2.1 一个10MHz频宽。一个10MHz频宽下只考虑1张LTE网络，由于CBTC系统需要2张LTE网络承载，此方案仅适用于承载表1中除CBTC业务外的其他业务。此方案即为原初步設计方案。
5.2.2 两个5MHz频宽。5MHz频宽上下行带宽最大为5Mbps和7Mbps，无法满足PIS信息的传送，可考虑组建2套LTE网络（A网、B网），其中1个5MHz频宽分配给A网单独承载CBTC，另1个5MHz频宽分配给B网承载CBTC、车况信息、集群语音等。
此方案需要将原初步设计中PIS车地无线方案由LTE（原主选方案）变更为WLAN方案（原备选方案），同时将原初步设计中信号系统的WLAN方案变更为LTE双网方案。综合考虑通信信号系统，需要增加一整套LTE
设备。
5.3 6MHz频宽条件
6MHz频宽条件下可以考虑2个3MHz频宽组建A、B双网，仅用于CBTC业务的承载。
此方案需要将原初步设计中PIS车地无线方案由LTE（原主选方案）变更为WLAN方案（原备选方案），同时将原初步设计中信号系统的WLAN方案变更为LTE双网方案。综合考虑通信信号系统，需要增加一整套LTE
设备。
6 结语
根据轨交协《关于推荐城轨交通项目新建1.8G专用频段和LTE综合无线通信系统的通知》（中城轨[2016]003号）中要求“应考虑在保证CBTC系统优先的情况下开展综合承载业务”，结合省经信委对于1800MHz限制使用的基本原则下（见3.1小节），基本可以认为本工程的原初步设计方案不适用于现有的相关政策以及轨道交通LTE建设的发展方向。综合上述1800MHz频段利用方案，无论最终采用哪种频宽条件，都涉及到了对方案的变更。
因此，城市轨道交通工程建议采用5.3小节的方案，即利用6MHz频宽条件，建设2张LTE网络满足CBTC业务的承载。
参考文献
[1] 李春.城市轨道交通基于通信的列车控制系统车地无
线通信优化方案[J].城市轨道交通研究，2011，14
（9）.
[2] 唐霈.城市轨道交通PIS车地无线传输方案研究[J].信
息通信，2014，（12）.
[3] 孙寰宇.轨道交通车地无线组网技术及干扰分析[J].
城市轨道交通研究，2015，18（4）.
（责任编辑：黄银芳）