地铁PIS车地无线技术方案研究.pdf

收稿日期2014-07-21 作者简介田海超，工程师；于孝安，工程师。 文章编号1005-8451（2015）01-0046-04 地铁PIS车地无线技术方案研究 田海超1，于孝安1，王 通2，张胜阳1 （1. 中国铁道科学研究院 电子计算技术研究所，北京 100081； 2. 杭州华三通信技术有限公司 北京分部，北京 100052） 摘 要车地无线技术方案会直接影响地铁PIS的最终运行效果。随着国内城市地铁线路的不断建 设以及技术的不断发展进步，对于PIS中车地无线技术方案的选择成为地铁通信系统从业人员关注的重 点。本文着重介绍了当前国内地铁PIS中的车地无线技术方案，并针对PIS当前及未来业务需求、应用现状 及技术原理进行分析，提出了适合于PIS业务需求的技术方案。 关键词PIS；车地无线；数字电视；LTE；WLAN 中图分类号U231.7∶TP39 文献标识码A Scheme of train-ground wireless communication for metro PIS TIAN Haichao1, YU Xiao,an1, WANG Tong2, ZHANG Shengyang1 1. Institute of Computing Technologies, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China; 2. Beijing Branch, Huasan Communication Technology Co. Ltd., Beijing 100052, China Abstract The train-ground wireless scheme would decide the running effect of metro PIS. With the development of domestic metro construction and technical improvement, the choice of PIS train-ground wireless scheme became the key content of metro communication system employee who should think about. The current domestic metro PIS train- ground wireless scheme was introduced emphatically. According to the current and future service demands, the status of application, the technical principle, the proper scheme that adapted PIS service demands was put forward finally. Key words PIS; train-ground wireless; digital TV; LTE; WLAN 车地无线通信作为乘客信息系统（以下简称 PIS）中重要的组成部分，其主要功能就是列车在快 速移动过程中，为车 - 地以及地 - 车之间的各种数据 信息、视频信息和控制信息提供传输通道，这也是 PIS 相对于其他系统所特有的需求。而 PIS 的实施， 尤其是车地无线部分往往面临着比其他系统复杂得 多的物理环境。另外，随着高清视频的不断发展及 地铁运营的需求增加，对车地无线服务的需求量也 不断增大。因此，如何选择能够提供稳定的车地无 线服务的集成方案是当前亟需解决的重要课题。 1 PIS车地无线技术要求 当前地铁 PIS 在车地无线通信方面主要关注下 面 6 个问题。 1.1 带宽 网络承载的数据不仅是数据信息，还包括视频 和音频信息，因此对通信带宽有着较高的要求，当 前地铁运营要求车地无线网络至少提供 15 Mbps 以 上的带宽。 1.2 漫游 列车在高速移动情况下，车载无线设备需要不 断地与轨旁的无线设备进行通信，考虑到 PIS 的车地 无线主要为视频数据的双向传输，因此即便是短暂 的通信中断也会严重影响视频的播放效果，因此要 求漫游切换时间非常短。 1.3 丢包率 因为数据的丢包会对视频播放的效果影响严重， 所以本系统需要对无线通信的丢包率有严格的控制， 一般为小于 1。 1.4 抗干扰 PIS 系统的车地无线网络的运行环境比较复杂， 同时会与其他系统（如信号系统的 CBTC 系统等） 的无线网络有所叠加，因此必须保证 PIS 系统的无线 信号和专用无线系统场强能够在全线无缝覆盖，同 第24卷第1期 Vol.24 No.1 轨道交通信息系统 URBAN TRANSIT INATION SYSTEM 铁路 RAILWAY COMPUTER APPLICATION 计 算 机 应 用 RCA46 2015.1总第214期 时避免对地铁其它系统产生相互干扰。 1.5 管理维护 因为 PIS 是旅客乘坐地铁出行的一 个重要窗口，所以对车地无线通信维护 管理的要求非常高。 1.6 环境适应性 因为车地无线的安装环境为多振动、 潮湿等复杂的环境下，所以对设备的可 靠性相对其他系统的要求就会高很多。 针对上述需求，在已经完成建设和 正在建设的城市地铁线路中，PIS 的车 地无线网络主要采用数字电视、LTE、 WLAN 这 3 种技术方案进行建设。 2 PIS车地无线方案应用现状及技术 分析 2.1 数字电视 目前，基于数字电视技术构建地铁 PIS 车地无线方案的主要有 2 种 （1）基 于 DVB-T 技术； （2）基于数字电视技术 为地铁行业定制开发的解决方案。 在 DVB-T 技术下，要求独立设置基站并借助轨 道交通民用通信移动信号引入（POI）系统的漏缆通 道。基于 DVB-T 的移动电视系统采用广播电视频率， 并不易受到干扰，同时不会影响其他无线系统，实 现了视频信号实时播放。但是，该技术仅仅实现了 控制中心到列车的单向数据传输，即实现了 PIS 系统 资讯节目的下传，而无法实现车载视频上传控制中 心的功能和车载无线设备的网络管理功能，无法满足 轨道交通运营管理要求。并且， 该方案需要独立建设， 占用漏缆资源，各建设方协调难度大，产权不清晰， 对无线信号覆盖要求高，而漏缆覆盖受到公网运营 商的制约，很难实现最优的覆盖效果。更适合地面 部分的传输，没有针对适应地铁使用环境的定制开 发，缺乏 QoS 保障机制。地铁 PIS 数字电视方案拓 扑图如图 1 所示。 当前，地铁线路中应用的数字电视方案一般都是 基于地面数字电视广播（DTMB，Digital Television Terrestrial Multimedia Broadcasting）的以太网无 线宽带传输网络。该系统继承新的时域同步正交频 分复用（TDS-OFDM，Time Domain Synchronous- Orthogonal Frequency Division Multiplexing）调制和 单频网组网覆盖核心技术，可进行双向传输、媒体 流转化为标准以太网数据包的定制开发、引用智能 多天线技术提高数据接收的可靠性、进行数据包的 分集处理支持多频段定制开发，满足不同运营者的 需求。 DTMB 是一种具有我国自主知识产权的地面数 字电视传输标准。根据地面数字多媒体电视广播的服 务需求、传输条件和信道特征，DTMB 传输系统采 用了创新的 TDS-OFDM 调制方式。使用特殊设计的 PN 序列作为同步信号填充 OFDM 保护间隔，实现了 快速稳健的同步和高效的信道估计，提高了频谱效 率。在抗多信道噪声、多径、多普勒衰落、时钟恢复、 传输效率等方面优于其它地面数字电视传输国际标 准，具备良好的性能。DTMB 高度灵活的操作模式， 使其具有很强的移动接受能力。 光远端 发射机 无线接收 基站 光远端 发射机 无线接收 基站 光远端 发射机 无线接收 基站 车载局域网络 车载 无线 接收 网关 车载 无线 发射 网关 车载 通信 控制 器 列车n 车载局域网络 车载 无线 接收 网关 车载 无线 发射 网关 车载 通信 控制 器 列车2 车载局域网络 车载 无线 接收 网关 车载 无线 发射 网关 车载 通信 控制 器 列车1 基站1基站2基站n 光缆 地面有线 传输网络 数字信号 光近端机 数据 流向 地面无线 发射网关 数据 流向 网管服务器 中心以太 网交换机 线路通信 控制器 控 制 中 心 区 间 轨 旁 车 载 系 统 图例 光纤 射频线 以太网 接入漏缆或基站天线 车载天线 图1 地铁PIS数字电视方案拓扑 轨道交通信息系统第24卷第1期地铁PIS车地无线技术方案研究 2015.1总第214期 RCA47 2.2 LTE 长期演进（LTE， Long Term Evolu- tion）采用 OFDM 和 MIMO 作 为 其 无 线 网 络 演 进 的 唯 一 标 准。在 20 MHz 频谱 带宽下能够提供理论 上下行 100 Mbit/s 与 上行 50 Mbit/s 的峰 值速率。时分长期演 进（TD-LTE，Time Division Long Term Evolution） 用 时 间 来分离接收和发送信 道，接收和发送使用 同一频率载波的不同 时 隙 作 为 信 道 的 承 载，其单方向的资源 在 时 间 上 是 不 连 续 的，时间资源在两个 方向上进行分配，可 以比较好地适应地铁 PIS 车地间的非对称 业务需求。地铁 PIS TD-LTE 方案拓扑图 如图 2 所示。 TD-LTE 方案采 用 车 站 部 署 BBU， 轨旁部署 RRU 的方 式实现无线信号的覆 盖，对于隧道可以采 用漏缆方式，对于地 面或者高架段可以采 用天线方式。在漏缆 的使用方式上，也可 采用与民用无线共用 的方式，以节省建设 成本。但是，这样可图3 地铁PIS WLAN方案拓扑 网管服务器 视频服务器 无线控制器无线控制器 车站交换机 车站交换 车站交换机车站交换机 传输/IP骨干网络 轨旁AP轨旁AP 有线网络 车载AP 无线网络 车载网络 车载AP 视频服务器 车载交换机车载交换机 列车尾列车头 第24卷第1期轨道交通信息系统铁 路 计 算 机 应 用 图2 地铁PIS TD-LTE方案拓扑 中心服务器 网管服务器 视频服务器 网管工作台 集群调度平台 核心网设备 有线传输网络 车站子系统 车站1 eRRU 车站交换机 BBU 车站2 eRRUBBU 车站3 车站交换机 车站交换机 eRRUBBU eRRUeRRUeRRU 轨道子系统 商用漏泄电缆或天线覆盖 手持终端手持终端 TAU 车载交换机 车载LCD控制器 LCD 车载交换机 车载LCD控制器 TAU LCD 车载子系统 RCA48 2015.1总第214期 案，相对于其他技术具备很大的优势。随着地铁行业 频段的确定以及后续 802.11ac 标准的应用，WLAN 方案将能够发挥更大的优势，为地铁车地无线带来 更高更加稳定的带宽，不仅能够满足当前 PIS 业务系 统的需要，同时也可以满足其他涉及车地无线业务 的承载，为地铁运营方创造更大的价值，同时也为 广大乘客带来更好的乘坐体验。 参考文献 [1] 张甲文 . 基于 DVB 标准的车 - 地无线通信技术在地铁中的 应用 [J]. 现代城市轨道交通 , 2012（1） . [2] 杨文超，杨维康，郜焕平 . DTMB 车载数字电视终端与实 现 [J]. 电子产品世界，2008（4） . [3] 陈其铭，张炎炎，潘 毅，孙 炼 . TD-LTE 系统内抗干扰 技术 [J]. 电信科学 , 2010（11） . 数字电视LTEWLAN 工作 频段 需要申请且付费；频 带窄；尚无专用频段 需要申请且付费；频 带窄；尚无专用频段 不需申请且免费；频 带宽；有望获得专用 频段 提供 带宽 现有实际方案可满足 15 M要求 现有实际方案可满足 15 M要求 现有实际11n方案可 提供至少30 M带宽， 后续11ac可提供至少 百兆带宽 应用 成本 相对WLAN方案 成本高 相对WLAN方案 成本高 成本低 漫游 切换 列车快速移动下可实 现50 ms快速切换 列车快速移动下可实 现50 ms快速切换 列车快速移动下可实 现50 ms快速切换 抗干 扰性 系统所占用频段 干扰 系统所占用频段干 扰，且自身具备抗干 扰技术 受民用无线终端干 扰，通过自身坑干扰 措施和方案整体提高 抗干扰性 方案 可靠度 设备本身支持满足行 业标准，冗余覆盖 设备本身支持满足行 业标准，冗余覆盖 设备本身支持满足行 业标准，冗余覆盖 方案 复杂度 较复杂，车地双向需 要分别设置设备 较复杂，需要单独设 置时钟装置 简单，现有轨旁和车 载AP即可实现车地间 双向数据传输 运维 复杂度 有线无线分别管理； 需单独设置车地无线 管理人员 有线无线分别管理； 需单独设置车地无线 管理人员 支持有线无线统一管 理；不需要单独设置 车地无线维护管理 人员 应用 现状 武汉、重庆、长沙等 个别线路采用并开通 目前只有郑州采用并 开通 方案成熟，国内绝大 多数城市线路采用并 开通 表1 车地无线技术方案对比 能存在业务系统的产权不明确的问题。RRU 具备单 通道 20 W 的发射功率，可以实现 1 200 m 的单小区 覆盖能力，可大幅减少轨道沿线有源设备部署数量， 也可减少列车行进过程中的切换次数。如果车站间 距大于相邻车站 RRU 的覆盖能力，需要进行加装 RRU，采用将 RRU 拉远到隧道中。另外，车载终端 TAU 的发射功率也在 2 W 左右，相对于其他应用方 案中的无线设备，其发射功率会大很多。 LTE 方案实施较为复杂，由于采用时分技术， TDD-LTE 对时钟精度要求高（50 ppb） ，根据 GB 50157 地铁设计规范，一级母钟精度达到 100 ppb 级 别，但各车站二级母钟精度在 1 000 ppb 级别，无法 满足 TD-LTE 要求，只能各车站单独建立高精度时 钟系统从 GPS 取时钟，增加额外设备和复杂的工程 施工成本。在运营商，也需要配备专门人员来维护 LTE 设备，对于运营维护的要求较高。 2.3 WLAN WLAN 是地铁 PIS 车地无线中应用最为广泛的 技术方案，也是目前在 PIS 车地无线领域应用业绩最 广、技术最为成熟的方案。地铁 PIS TD-LTE 方案拓 扑图如图 3 所示。 车地无线高带宽不仅可以承载更多车到地的高 清监控视频，而且也可以承担更多的业务，如车厢 无线热点覆盖业务，为地铁带来更多的运营方式和 利益增长点。另外，采用 WLAN 技术主要工作在 2.4 G 和 5 G 频段，该频段属于 ISM 频段，无需授权许 可即可使用，所以，不必承担频段占用费用，可以 免费使用，这将给地铁 PIS 的后续运营节省大量的运 营成本。高带宽提供能力以及丰富的免费频带资源 都是 WLAN 技术在地铁 PIS 的车地无线方案中相对 于数字电视和 LTE 技术的重要优势。 2.4 技术方案对比 通过对数字电视、LTE、WLAN 这 3 种在地铁 PIS 中的技术方案进行分析， 可得出如表 1 中的结论。 3 结束语 通过对数字电视、LTE、WLAN 在地铁 PIS 车 地无线应用方案的分析，可以看出，WLAN 作为目 前技术最为成熟、应用文案例最为广泛的车地无线方 责任编辑 方 圆 轨道交通信息系统第24卷第1期地铁PIS车地无线技术方案研究 2015.1总第214期 RCA49