1 概述

  在城市轨道交通的通信系统中,专用无线通信系统是行车指挥调度、站务管理、运营设施设备维护保障、应急抢险等重要通信手段,是控制中心调度人员和分布在列车、车站、线路、车辆段、停车场、管理办公区域上的车载或手持专用无线电台使用人员之间建立实时可达信息的沟通路径。

  专用无线通信系统与公网无线通信系统的最根本区别,就是在性能上必须满足呼叫建立时延、话权申请时延等关键性指标,突出一个“快”字,很少采用摘机模式,通常使用PTT一按即呼。

  上海地铁从1994年开通第一条运营线(1号线),最早开始使用450 MHz频段的第一代模拟集群系统,使用5对双工间隔10 MHz的频率对,提供语音对讲业务。系统分为控制中心子系统、车辆段子系统、公安子系统、维护子系统、紧急子系统,每个子系统需占用一对频率。

  从3号线开始,上海地铁无线通信专网系统迈入数字化时代,部署了基于数字时分多址(TDMA)技术的陆上集群无线电系统(TETRA)。TETRA系统采用ACELP语音编码和π/4-DQPSK调制,在指挥调度功能上比较完善,适合做无线通信专网系统。但TETRA本质上属于第二代移动通信制式,数据能力不强。虽然ETSI很早就开始致力于TETRA标准第二版(Release 2),以使TETRA在分组数据功能上有所改进,但目前尚未形成规模产业跟进,仍不能满足应用需求。同时,TETRA虽然空中接口标准是公开的,但内部交换网络接口标准并未统一,厂家都有各自的知识产权,TETRA的不开放性造成城市轨道交通各线路的系统分离,不能互联互通形成网络化,或为形成网络化而不得不被某一家生产厂商所捆绑。

  近年来,随着公共安全和指挥调度需求的不断提升,建设安全可靠、拥有自主知识产权的专业无线指挥调度专网系统成为各地城市轨道交通公司的迫切需求。传统窄带TETRA集群通信系统由于系统制式和技术能力的原因,无法支持日益增长的多媒体类业务,从而不能适应现代宽带应用场景下的城市轨道交通运营指挥调度需求,部署新一代功能更强大的无线通信专网综合平台已成为各地轨道交通公司的当务之急。

  最近十几年,中国本土通信行业的技术能力得到飞速发展和大力提升。LTE移动通信公网技术在行业专网的应用和发展,促进了无线通信专网系统之间的互联互通,为网络化布局奠定了基础。2014年,兼容4G LTE宽带数据传输功能的多媒体集群调度通信系统B-TrunC正式形成国家标准,同时产业链聚集形成宽带集群产业联盟。2016年,B-TrunC技术成为国际标准。B-TrunC系统提供专业级数据接入和集群功能,能满足轨道交通行业的信息化和保障网络安全,呼叫建立时延<300 ms,话权申请<200 ms,在语音集群通信的基础上增加多媒体调度功能。此外,在数据传输功能上,高带宽属性使B-TrunC系统能从容承载列车控制CBTC、车载监控视频、乘客信息等业务,性能和功能完全覆盖TETRA技术。2015年,工信部发文批准轨道交通等行业无线通信专网系统的1.8 GHz频率资源,加速了B-TrunC产业和市场的快速发展。在完整的标准体系支撑下,一个自主可控、端到端开放的轨道交通行业无线通信专网制式迅速发展。中国城市轨道交通协会与B-TrunC联盟成立联合小组,共同制订了轨道交通行业的无线通信标准LTE-M,解决了轨道交通行业的迫切需求。第四代城市轨道交通无线通信专网系统已经来临。

2 B-TrunC无线通信专网综合平台构建

  专用无线通信技术的发展,与公用无线通信技术的演进路径类似。也经历了从第一代模拟集群、第二代数字集群(TETRA),第三代数字集群(GoTa、GT800)的迭代进化。B-TrunC是目前最先进的第四代商用无线专网通信技术,该系统延用公网LTE系统的关键技术,在此基础上,为满足专网一按即通、免摘机的快速响应需求,在空中接口增加集群专用逻辑信道和物理信道的映射。在专用终端、eNodeB和EPC的链路上通过TFT将不同属性的业务信息流过滤到相应QoS的专用承载上,以端到端的视角,完成资源共享和安全保障,同时支持工信部2015年发文准予城市轨道交通等行业使用的企业网1.8 GHz频段。

  无线通信的本质是为解决在移动状态下,人与人之间的通信。第一代模拟系统主要解决话音通信,从第二代开始除了移动话音业务,也提供少量数据传输业务,但由于技术体制的限制,只能提供低速率的无线通道。直到移动通信技术迈入第四代时,在突破性技术和网络架构的支撑下,移动通信的数据传输能力,才得到突飞猛进的提高,每赫兹使用频谱效率极高。在此技术能力的基础上,融入第四代移动通信技术的无线通信专网技术B-TrunC在以前窄带TETRA的话音指挥调度能力上升成为具备综合话音、文本、图像、视频为一体的多媒体指挥调度能力,并且在除端到端宽带集群通信能力之外,还提供高速无线数据承载功能。借助系统9级QoS优先级保障,能在保障列车控制信号CBTC的高优先级前提下,同时承载其他无线数据业务,如乘客信息系统、车载视频监控、车辆状态信息等。所以,B-TrunC无线通信专网实质上已成为城市轨道交通行业的无线通信专网多业务综合承载平台,其网络结构如图1所示。

3 无线通信专网宽、窄系统融合方案

  轨道交通目前正经历着行业大发展,许多新兴城市从零公里起步,新建的轨道交通线路可以直接上无线通信LTE专网,无需考虑与既有老线老制式无线通信专网的关系,但像上海地铁这样已经发展了20多年的超大型轨道交通网络而言,为实现全路网统一指挥调度,就不得不考虑两个问题。

  1) 新建线路的LTE无线通信宽带专网EPC之间的互联互通。

  2) 新建线路的LTE无线通信专网宽带EPC与既有老线TETRA无线通信窄带专网的互联互通。

  3.1 LTE无线通信宽带专网建设方案

  在上海地铁这样的轨道交通超大型网络,在部署LTE无线通信专网网络时,可考虑统一增强归属用户服务器(eHSS)架构。整个上海轨道交通区域的网络共用一个eHSS,允许有多个轨交线路集群核心网节点(TCN),但全网陆地移动网络(PLMN)为一个,新建轨交线路的LTE无线通信宽带专网之间互联互通的架构如图2所示。

  LTE无线通信宽带专网是开放的系统,各网元之间通过标准接口实现系统级的互联互通。宽带专网中处理集群业务的核心功能模块就是集群控制功能(TCF)和集群媒体功能(TMF),在共eHSS架构下,互联互通的主要接口是TC1和TC2,TC1接口主要用于完成eHSS对用户的鉴权和认证:TC2接口分别在控制面和用户面对业务流进行控制和承载。TC2的控制面是通过SIP协议来完成的。

  3.2 LTE无线通信宽带专网与既有线TETRA无线通信窄带专网的互联互通方案

  上海轨道交通既有老线无线的专用无线调度网采用TETRA制式,新线部署B-TrunC专网后,为实现全网指挥调度,就必须研究宽、窄两个专网系统的互联互通和统一调度。宽、窄专网系统互联互通后,需要支持的功能包括:

  1) 跨系统单呼。

  2) 跨系统组呼。

  3) 跨系统呼叫的话权管理,包括话权申请、话权释放、话权抢占。

  4) 跨系统呼叫的释放。

  LTE无线通信宽带专网和既有无线通信窄带专网(如TETRA、PDT)如何才能实现系统级的互联互通和全网统一调度呢?LTE宽带专网B-TrunC对外系统的接口(包括外接调度台的D接口)采用SIP/RTP协议栈,在全IP化的网络基础架构模式中,可以考虑沿用LTE无线通信宽带专网的TC2接口方式,控制面采用SIP协议,用户媒体层面采用RTP协议。国际上没有标准的TETRA系统间接口,不同品牌厂商的交换网络之间的接口、交换网络内部的网元之间的接口、交换网络与无线网之间的接口、交换网络与调度台之间的接口都不是公开的标准接口。现有的系统级互联解决方案在TETRA侧交换网络通过SIP协议与B-TrunC网交换网元EPC实现呼叫控制,TETRA网与B-TrunC网核心侧采用RTP协议实现数据的互通,互连接口如图3所示。

  在标准SIP协议之上,需依据轨道交通行业专网用户需求做一定的扩展和修改。为使无线通信宽、窄带专网互联后不至于造成全网无线通信专网系统过于复杂,可限定宽、窄带集群终端只在各自归属的系统进行位置信息的更新和管理,以减少不必要的系统间消息交互。互联后支持跨系统的单呼、组呼功能以及跨系统的呼叫话权申请、释放、抢占。

4 结束语

  城市轨道交通的专用无线通信系统,是地铁运营的重要组成部分,系统的建设需要考虑新老技术的衔接和过渡,同时还要满足线网运营的包括列车控制、统一全网调度在内的多业务承载功能需求,应统筹考虑系统的全生命周期成本,做到无线通信宽、窄带专网的技术融合,平滑演进,既保护既有投资,又能做到专网功能的无缝衔接。

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  (收稿日期:2018-01-22)

  (修回日期:2018-02-15)