智能轨道快运系统用综合无线通信系统的设计
总第470期
2021年第2期80Control and Information Technology
智能轨道快运系统用综合无线通信系统的设计
李缘，胡云卿，张恒，陈杨，张楠
(中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南株洲412001)
摘要：综合无线通信系统主要负责轨道车辆与地面系统的通信、数据传输及语音通话功能。文章根据智能轨道快运系统的运营需求，进行定制化的系统方案和功能设计，其利用4G公网或自建专网模式，实现了智能轨道快运系统的车地数据传输、语音呼叫、数据安全管理等功能。实际项目验证表明，本方案可有效承载列车运行、生产运营、乘客服务等相关业务。
关键词：综合无线通信系统；数据传输；智能轨道快运系统；长期演进(LTE)；轨道交通终端(TAU)中图分类号：U491.5+l文献标识码：A文章编号：2096-5427(2021)02-0080-06
doi:10.13889/j.issn.2096-5427.2021.02.014
Design of Integrated Wireless Communication System for Autonomous-rail
Rapid Transit
LI Yuan,HU Yunqing,ZHANG Heng,CHEN Yang,ZHANG Nan
(CRRC Zhuzhou Institute Co.,Ltd.,Zhuzhou,Hunan412001,China)
Abstract:Integrated wireless communication system is mainly responsible for the communication,data transmission and voice call function between rail vehicle and its ground system.In this paper,according to the requirements of autonomous-rail rapid transit, a customized system scheme and functional requirements are designed using4G public network or self-built private network mode to realize functions such as train to ground data transmission,voice call,data security management and so on.Actual project verification results show that this scheme can effectively carry the train operation,production and operation,passenger service and other customer service related business.
Keywords:integrated wireless communication system;data transmission;autonomous-rail rapid transit;long term evolution(ETE);train access unit(IAU)
0引言
综合无线通信系统作为智能轨道快运系统(autonomous-rail rapid transit,ART)的重要组成之一叫其主要负责智轨电车车载设备与地面设备之间的信号与数据交互，满足ART智能化运营需求，为业主提供运营调度、服务、应急指挥的车地传输通道。
收稿日期：2020-09-03
作者简介：李缘(1985-)，男，工程师，从事有轨电车及智能轨道快运系统通信系统设计工作。
基金项目：国家重点研发计划(2018YFB1201602)
常规的轨道交通综合无线通信系统因频谱资源紧张，申请困难，且建设成本难以降低，不宜被直接用于ART系统囚。本文根据ART车地数据交互量较少、行车线路处于城市建筑物之间的特点，设计了一种ART综合无线通信系统方案，其可行性通过实际市场项目得以验证。
1系统方案
ART综合无线系统的设计是基于智轨电车三编组模式及其可共用城市现有车道的特性进行的，可确保语音及数据通信功能、调度管理功能的实现，
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并保证通信全线场强覆盖；同时，系统的安全性、
可靠性、可扩容性和后期工程的延续性也是系统设
计的重要考虑项点⑶。
1.1无线制式选择
根据ART的综合无线通信系统需求，可选择
LTE(4G)公网或专网进行数据承载［4］o
综合无线公网通信，即借助移动通信运营商的4G无线网络来提供“语音+数据”的通信能力，其无须地面额外建设无线、增加射频拉远单元(remote radio unit,RRU)设备，可节约前期投资成本并缩短建设周期；但网络可能会因为短时间内数据量激增而造成信道阻塞，导致无法满足现场调度、视频回传及车载人工广播等通信需求。
综合无线专网通信系统，对其需自行铺设沿途设备，以使ART项目所有通信设备得以全面覆盖，且网络资源可以不被其他不相关用户占用，具有安全性、可靠性及可控性方面的优势；但需要提前向当地电信部门申请频段，且前期投资较大，后期也需要投入一部分维护费用［5］o
公网和专网详细对比如表1所示。
表1公网与专网对比
Tab.1Comparison between public network and
private network
运营商4G网络I［
i i
车载子系统
调度台
—-!调度服务器!
I集服务器1
网管/录音!
月艮务器
网口
!|三层丰换机||
一门网口
网口1|VPN月艮务器”
L鯉逐纯」图1ART综合无线系统架构
Fig.1Architecture of the ART integrated wireless system
特性公网专网
覆盖方式依托运营商，覆盖范
围广
自建，覆盖指定
范围，但需申请频段
数据安全性需增加加密措施，安全性
低
不换号转运营商安全性高，数据不外
流，在用户内部
可控性不可控，网络资源可能被
占用
完全可控
网络延迟较高，根据公网环境波动
较大
较低
故障分析
便捷性
难，需要运营商配合易
成本投资低，长期租赁前期投资高，后续维护成本低
建造周期短长1.2.1车载子系统
长期演进(long term evolution,LTE)车载轨道交通终端(train access unit,TAU)被部署在列车编组的前后带司机室车厢，TAU天线被安装在带司机室车厢外侧顶部，TAU通过以太网接口与车内交换机连接，以实现TAU与车内数据业务的信息交互；车内采用以太网组网，各车厢通过车载交换机互联。乘客信息系统(passenger information system,PIS)地面服务器的流媒体信息则通过运营商网络经TAU 下发到车内的PIS播放控制器上。另外，在车辆上部署二次开发集车载台，以实现列车调度的相关业务功能。ART车载子系统结构如图2所示。
图2ART车载无线通信系统结构Fig.2Structure of the ART on-board wireless subsystem
1.2方案设计
常规综合无线通信系统包含车载子系统和地面子系统两部分。本文设计的ART综合无线通信系统结合ART特点，在满足智轨电车需求前提下，简化了综合无线通信系统部分功能，从而节约了建设成本⑹。简化后的ART综合无线系统架构(以公网为例)如图］所示。1.2.2地面子系统
地面子系统结构如图3所示。其中控制中心放置各专用通信系统的中心设备，包括VPN服务器、三层交换机、集服务器、调度服务器、调度台、网管录音服务器、网管录音终端⑺。VPN服务器为19inch(1inch=2.54cm)设备。VPN服务器向上通过三层交换机经传输网交换机与视频监控系统(closed circuit television,CCTV)的地面服务器、PIS
的地
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面服务器、信号系统等设备连接。
图3ART综合无线通信系统地面子系统结构
Fig.3Structure of the ART ground wireless subsystem
2系统功能
ART综合无线通信系统可为信号系统提供业务数据双向传输、CCTV视频监控信息上传等数据传输业务，同时具备语音集调度功能⑻。
2.1基本要求
根据ART整体要求，采用无线通信技术来保障车地数据传输能稳定、可靠、安全地进行，ART综 合无线通信系统基本要求如下：
（1）多天线接送信号。系统终端支持2x2双天线多输入多输出（multi input multi output,MIMO）技术。
在下行链路中，多天线发送方式包括发送分集、空间复用、多用户MIM0和波束赋形等传输模式；在上行链路中，多个用户组成的虚拟MIM0也进一步提高了上行系统容量。
（2）越区切换。车载子系统与地面系统配合，以支持跨RRU的越区切换，切换指标依赖运营商网络技术要求。
（3）网络安全。系统应具备多种方式和层次的访问控制安全机制，限制非法接入，采取安全策略以保证网络的安全性。
（4）质量服务（quality of service,QoS）机制。系统必须支持基于运营商网络的QoS算法。
（5）隔离要求。车载子系统应能实现车载PIS/ CCTV系统与信号系统的隔离；TAU上电期间，LAN口之间不得进行数据交互。
（6）天线要求。系统车载天线不得对信号系统车载天线产生干扰。
（7）组播功能。系统应能支持实现组播功能。
2.2系统数据传输功能
车载子系统与地面子系统配合实现车辆与地面之间信号数据的双向传输，包括车辆位置、速度等信息的上传以及时刻表、临时限速等信息的下发。
信号业务要求通信优先级高，即要求车载子系统及地面子系统最先保证该业务的传输，且该业务的传输不受其他业务传输的影响。
车载子系统与地面子系统配合工作。一方面为地面与车辆之间PIS业务数据的下发提供传输通道，即由地面PIS服务器将视频或图像信息通过广播或者组播传输到车厢内播放。PIS业务传输的视频图像分为标清或高清两种，一般下行传输速率为2〜8Mb/So 另一方面，为车辆与地面之间CCTV业务数据提供传输通道，即将车辆视频监控图像通过无线通信的方式实时传输到控制中心进行集中监控。
2.3系统语音功能
综合无线通信系统不仅具备提供语音点呼、组呼、紧急呼叫及广播呼叫等基本集业务功能，还提供了编组、预占优先级、呼叫转接、动态重组、强插/等高级集业务。此外，系统还具备消息业务功能。系统语音功能具体如下：
（1）语音点呼。其指一个主叫方与一个被叫方（即一对一）之间的全双工、半双工呼叫。
（2）语音组呼。其作为集的基本功能，是一个主叫方与多个被叫方（即一对多）之间的半双工呼叫。
组呼模式是多个独立的移动台（或调度台与多个移动台）之间进行的一点对多点通信，用户或者调度员都可以发起组呼。组呼的被叫方可以是用户，也可以是调度台。
（3）广播呼叫。其指一个主叫方与多个被叫方（即一对多）之间的单工呼叫。广播呼叫过程中，只允许呼叫发起方讲话。
（4）紧急呼叫。其是一种在紧急情况下的特殊呼叫方式，具有最高呼叫优先级，用以在最短时间内、以最便捷的方式将信息通报给预先指定的用户或者组。紧急呼叫发起的同时，系统将自动向调度台和被叫方发送声光告警提示信息，即调度台在收到紧急呼叫请求后会有声音和图像提示，同时显示紧急呼叫发起者的用户名。
（5）强插/。通话组呼叫过程中，调度员可以通过调度台强行介入此通话组的通话，并具有优先权。此功能确保调度员能够向一个通话组发布重要信息，而不管是否有成员正在发话。强插是具有权限的调度台能插入到一个正在进行的组呼中，并获得当前组呼的话权；且调度台能从插入的组呼中退出，该组呼继续保持。是指具有权限的调度台强行释放某个组呼或单呼，以释放信道。
（6）消息业务。其指终端用户之间、调度台和终端用户之间的点对点短信、点对组短信，其单
条短信不少于200个字节。调度台支持预置短信功
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能，最多可预置100条短信。支持预定义状态短信 和紧急状态短信功能。调度台支持所有已接收、已 的保存与导出。当达到短信存储限额时，
会有提醒。
（7） 车载广播呼叫。行车调度员可以对其管辖
的某一列电车、部分电车或全部正线电车进行乘客广 播。电车广播功能需要车载台和车载广播系统设备配
合，需要设计车载台和车载广播系统之间的接口来交
互广播指令和语音信息。
（8） 预占优先呼叫。有权限的用户发起呼叫时,
可选择本次呼叫为预占优先呼叫。该呼叫拥有高优先
级，可通过低级别呼叫的方式抢占资源。
（9） 话权管理。组呼或半双工单呼建立后，主
叫获得首次话权，组内成员可通过按下PTT 键进行
话权申请，由系统决定话权分配；松开PTT 键可释 放话权，即可取消排队。话权管理包括话权申请、话
权释放、话权抢占、话权排队、话权提示功能。
（10） 迟后接入。在组呼建立时，用户因关机或 不在服务区等原因没能及时加入呼叫，一旦用户开
机、进入服务区或主动拨打激活组时，系统能够将该
用户加入呼叫中。
（11 ）扫描组。系统支持用户扫描一个或者多 个组，当扫描到某个组有集通话时，及时参与通 话。当终端扫描的多个通话组都有语音呼叫时，终端
可以自动接入高优先级的呼叫，确保用户不会错过高
优先级通话组的重要讲话。
（12 ）呼叫转接。其指当用户由于被叫号码未知、 呼叫权限限制等原因，无法直接与被叫用户通信时， 可以拨打调度台号码来呼叫集团调度台。
（13）动态重组。调度台出于工作需要，可以对 所管理的用户进行灵活的动态编组。调度台可以将若 干个组（称之为子组）和（或）若干个用户（称
之为子用户），重组到另外一个已经存在的组（称 之为母组）中。调度台可以将子组或者子用户从
母组中撤销。
3方案验证
综上，结合宜宾ARTT1线（含主线和支线）
LTE 系统需求，本文定制了宜宾ART 综合无线系统
设计方案。该系统主要由核心网（EPC ）、设备、
车载设备及手持终端等组成，系统结构如图4所示。
服务器
系统
地面路由器
I 传输
地面交换机
、
车辆段
GPS 天线
LTE 手持终端 ’
、BBU GPS
天线
RRU  全向天线
|控制中心
I 雷g I 控制忘匸
插控
系统信息源
[e  e
PIS 系统
I
PA 系统
■口已B 孕
離I 调度台I 网管I ___I O  I 正线区间
GPS 天线
二车站 '
冲u 亡
&
口 口
LTE 手持终端‘
定向
天线
定向 天线
BBU
dd
LTE 手持终端
LTE 手持终端
车载台
图4宜宾智轨综合无线系统结构
Fig. 4 Structure  diagram  of  the  intelligent  rail  integrated  wireless  system  for  Yibin  ART
i 船篇丨LTE 手持终端i 船篇
J
842021年第2期
3.1无线制式选择
根据宜宾ART T1线建设情况，为保证在紧急事
件发生时网络资源不被其他不相关用户占用而影响
紧急信息的传送，并保证通话内容和数据对外保密，
要求网络具有极强的安全性、高可靠性保障；同时考
虑到后期其他线路建设需要的拓展功能，本项目采用
LTE专网承载的传输方式。
3.2系统组成
LTE无线专网通信系统由核心网设备、基带
处理单元（building based band unit,BBU）设备、基
站RRU设备、天馈系统（含功分器、合路器和天线）
以及传输通道等组成。
车辆段（含控制中心）部署核心网设备、业务接
入交换机。
线路覆盖方式采用“BBU+RRU”方案。在工程
沿线设置BBU/RRU设备，其中BBU通过传输系统
提供的传输通道与调度中心核心网连接，RRU采用
光纤与BBU直接连接。
在智轨电车上部署TAU、合路器、车载台及
天线等设备，车辆数据通过车载网络连接到车载
TAU，经过合路器和天线与地面无线系统相连，车载
台承担车辆的语音呼叫业务。
3.3频率规划
国家无线电管理委员会批复宜宾ART T1线使
用的频段是1790〜1800MHz，全线共使用了8套
BBU,20个RRU。全线共经20个区，无线通信工
作频率全部均在1790〜1800MHz范围内。
3.4业务规划
LTE无线通信系统为控制中心与列车之间提供车
地数据传输通道，涉及的业务包含信号系统的车地通
信、车载视频的上传和地面PIS信息的下发，车地传
输的带宽如表2所示。
表2带宽计算
Tab.2Bandwidth calculation
项目上行需求速率/下行需求速率/
备注(kb-s"1)(kb-s"1)
手持终端50501部车载台（集）1001002台TAU-信号及车辆状态信号1001502路TAU-CCTV400002路TAU-PIS040002路合计42504300
当单小区只存在1列车时，LTE无线通信系统上行总带宽为4.25Mb/s，下行总带宽为4.3Mb/s；当单个小区内限定最多存在3列车，LTE无线通信系统上行总带宽为12.75Mb/s，下行总带宽为12.9Mb/s o 3.5无线通信信号覆盖方案
正线区间设置RRU设备和室外定向天线。在车辆段（含控制中心）通信设备室内设置BBU设备，在车辆段楼顶设置RRU设备、天线杆塔和室外全向天线。
在城市轨道交通场景下，在无线信号发射端RRU处的主要损耗参考值如表3所示。由表可知，RRU发射端的天线馈线、合路器损耗、线缆损耗合计约2.3dB，则无线通信信号连接损耗按2.5dB 计算。
表3RRU传输损耗
Tab.3Transmission loss of RRU
名称
单位损耗/计入损耗/
dB单位值dB
合路器损耗700
二公分损耗  3.300
1/2"跳线传输损耗（每百米）10.50.2  2.1
7/8”传输电缆传输损耗  5.500
接头插入损耗0.120.2
合计  2.3在无线信号接收端TAU处的主要损耗参考值如表4所示。由表可知，TAU接收端的天线馈线、合路器损耗、线缆损耗合计约&975dB，则无线通信信号穿透损耗按10dB计算。
表4TAU传输损耗
Tab.4Transmission loss of IAU
名称
单位损耗/计入损耗/
dB单位值dB
合路器损耗717
二公分损耗  3.300
1/2"跳线传输损耗（每百米）10.50.15  1.575
7/8n传输电缆传输损耗  5.500
接头插入损耗0.140.4
合计8.975采用自由空间传播模型对LTE系统信号覆盖链路进行计算。根据实际场景设置模型参数，具体如下：系统带宽为10MHz；系统子帧配比为0，特殊子帧配比为7；信道类型为EPA步行者信道模型；中心工作频率为1795MHz；模型为郊区；穿透损耗

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