原创《城市轨道交通乘客信息系统传输网络方案》
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【摘 要】 城市轨道交通乘客信息系统传输网络由有线传输网络和无线传输网络构成,前者用于控制中心和车站之间的信息传输,后者用于车站地面和列车间的信息传输.对业务需求进行分析,提出有线传输网络和无线传输网络方案,并针对城市轨道交通线路及相关系统情况给出传输网络方案选择建议.
【关键词】 城市轨道交通 乘客信息系统 传输网络
一、概述
城市轨道交通（简称“城轨”）乘客信息系统（PassengerInformation System,PIS）是一个综合运用通信、计算机和多媒体等技术,以设置在车站站厅、站台、出入口通道、车辆客室等处的显示及互动终端为媒介向乘客提供信息服务的系统.城轨正常运营时,系统向乘客提供列车到发站、收发车、换乘、票务等运营信息及其他资讯如媒体新闻、电视直播、天气、广告等；在灾害如火灾、洪灾、阻塞、恐怖袭击等情况时,为乘客提供紧急疏散提示信息.
二、PIS 传输网络的业务需求
2.1 PIS 传输网络
PIS 主要由控制中心编播子系统、车站子系统、车载子系统和为上述子系统间提供互联及信息承载的传输网络组成.PIS 传输网络由有线传输网络和无线传输网络构成,前者用于控制中心和车站间的信息传输,后者用于车站地面和列车间的信息传输.
2.2 传输网络业务需求分析
传输网络业务主要分为实时业务和非实时业务.
1）实时业务.实时业务指在运营期间需实时传输不被中断的业务,主要包括PIS 视频直播业务、车载视频监控业务、紧急文本业务、车辆状态监测业务等.（1）PIS 视频直播业务.该业务对传输带宽需求取决于直播路数,目前一般按单路直播业务采用广播或者组播技术实现,特别是车载直播业务基本均按单路考虑,其单路业务传输带宽需求为6～ 8Mbps.（2）车载视频监控业务.此业务一般要求每列车最少同时上传2 路视频,也有要求将整列车全部图像同时上传的.当车载视频采用标清时,单路视频传输带宽需求为512kbps ～ 1 Mbps；当车载视频采用高清时,单路视频传输带宽需求为1Mbps ～ 2Mbps,因此该业务单列车对传输带宽需求在4Mbps 以上.（3）紧急文本业务.紧急文本业务具有实时随机性,其对对传输带宽需求较小,一般为10kbps～ 20kbps.（4）车辆状态监测业务.需要实时上传的该业务对传输带宽需求较小,在GOA1/2 下一般要求30kbps ～50kbps,在GOA3/4 下一般要求40kbps ～ 60kbps.（5）其他实时业务.其他实时业务如通过互联网推送的新闻、天气、股市行情等以文本方式居多,一般在100kbps 以内.
2）非实时业务.此业务包括中心下发的通用文件、播表、模板、图片以及非实时视频如广告、宣传片等,这些文件大小不等,其中视频类文件较大,单个文件一般在200M ～ 2G之间.为减少对运营的影响,该类文件更新基本选择在夜间停运后进行,其对传输带宽需求是越大越好,以减少业务传送时间.
三、PIS 传输网络方案
3.1 有线传输网络方案
为保证PIS 中心至车站的视频、图像、音频、文本等信息高效传输,中心至车站的有线传输网络带宽一般不小于1000Mbps,主要有以下方案.1）共享专用通信传输网络方案.
城轨线路建设有专用通信传输网络,主要采用MSTP、增强型MSTP,少量采用PTN.共享专用通信传输网络方案即是通过专用通信传输网提供的以太网通道进行PIS 中心和车站之间的连接.该方案在开通线路中大量采用,其带宽从早期500Mbps 到现在的1000Mbps,个别提出2000Mbps,采用GE捆绑方式.2）光纤直连技术方案.光纤直连技术方案采用PIS 中心和车站路由交换设备配置光口,通过光纤直连的方式将中心和车站进行连接.该方案在近期开通的线路以及既有线路改造中较多的得到应用.光纤直连时一般采用GE 接入、GE 或10GE 汇聚方式.
3.2 无线传输网络方案
PIS 无线传输网络属于带宽受限网络.为满足业务开展,所需的有效传输带宽应不小于15Mbps,目前主要有以下方案.1） WLAN 技术方案.该方案采用IEEE802.11 无线局域网（Wireless Local Area Network,WLAN） 技术, 在中心设置无线控制器,在轨旁150 ～ 200m 设置接入点（AccessPoint,AP）和天线,在车头和车尾设置车载AP 和天线；轨旁AP 通过光纤链路接入车站交换设备,实现无线传输网和有线传输网互通并接入中心.该技术主要包括802.11a、802.11b、802.11g、802.11n、802.11ac 和802.11ax 等.早期线路主要采用802.11g,近期线路主要采用802.11n,新建线路主要采用802.11ac,802.11ax 产品问世不久,还未得到应用.
2）LTE 技术方案.该方案采用3GPP 长期演进（Long TermEvolution,LTE）技术,在中心设置演进型分组核心网（EvolvedPacket Core network,EPC）,在车站设置演进型NodeB（EvolvedNodeB,eNodeB）,通过将eNodeB 的基带处理单元（Baseband Unit,BBU）设置在车站,轨旁600 ～ 700m 设置射频拉远单元（Remote Radio Unit,RRU）和天线,在车头和车尾设置列车接入单元（Train Access Unit,TAU）和天线,区间覆盖一般采用漏缆；RRU 通过光纤链路接入BBU,BBU通过光纤链路或专用通信传输网络接入EPC.该方案在近期开通的线路中多线应用.3） LTE-U 技术方案.该方案采用3GPP、MulteFire 联盟支持的非授权频谱上的LTE（LTEin Unlicensed Spectrum,LTE-U）技术,在中心设置EPC,在车站设置eNodeB,通过将eNodeB 的BBU 设置在车站,RRU 设置在轨旁,或采用传统基站结构的基站直接设置在轨旁,在车头和车尾设置TAU 和天线,区间覆盖一般采用天线,频率低时可采用漏缆；基站一般按400 ～ 500m 设置,通过光纤链路接入EPC.因LTE-U 是在2013 年12 月3GPPRAN#62 次全会上提出的新技术,目前在城轨中处于试验应用及测试阶段.4）EUHT 技术方案.该方案采用新岸线增强型超高速（Enhanced Ultra-High Throughput,EUHT）无线技术,在中心设置中心控制设备,在轨旁500 ～ 600m 设置基站和天线,在车头和车尾设置车载接入单元、天线及服务单元.基站通过光纤链路接入车站交换设备实现无线传输网和有线传输网互通并接入中心.该技术在广州地铁14 号线（一期）知识城支线中已得到应用.5）Wireless Fiber 技术方案.该方案为武汉智慧地铁基于TDMA 接入、符合802.11物理层的独有空中接口技术的车地无线系统,系统在中心设置无线控制器等,在轨旁500 ～ 600m 设置基站和天线,在车头和车尾设置车载无线单元和天线.基站通过光纤链路接入车站交换设备实现无线传输网和有线传输网互通并接入中心.此方案在武汉、重庆等线路中已得到应用.
四、PIS 传输网络方案选择建议
4.1 有线传输网络
上述两种方案均得到了广泛应用,共享专用通信传输网络方案充分利用了专用通信传输网的容量、环网自愈能力等,具有资源共享充分、可靠性高、性价比高等特点；但相较光纤直连技术方案,其网络灵活性、可扩展较差,系统容量较低,特别是专用通信传输网采用MSTP 时,往往存在板卡背板带宽受限如采用内嵌RPR 时背板容量一般为1.25 Gbps ,或系统容量受限如采用两纤复用段环时可用容量为5Gbps,即便采用四纤复用段环时其可用容量也仅10Gbps.因此,对PIS有线传输网络方案选择建议如下：1）当专用通信传输网采用10Gbps 及以下的MSTP 或者PTN 时,PIS 有线传输网络建议采用光纤直连技术方案.当专用通信传输网采用增强型MSTP、PTN、OTN,容量达20Gbps 及以上时,PIS 有线传输网络建议采用共享专用通信传输网络方案.2）当PIS 传输网络需提供公众WIFI 系统承载通道时,建议采用光纤直连技术方案,以确保网络容量、可扩展性和灵活性等.3）当采用光纤直连技术方案时,建议PIS 传输网络结构层次化,按核心层、汇聚层和接入层或核心层和汇聚层合二为一的扁平结构,以合理化数据流和提高路由交换设备的效率,提高网络的稳定性和扩展性,并缓解区间光缆容量压力；同时核心层、汇聚层网络采用环形或双星型冗余链路拓扑,接入层采用双星型冗余链路拓扑；冗余链路宜采用负载均衡,并在网络中部署虚拟化技术以提高网络可靠性.4）当采用共享专用通信传输网络方案时,若传输通道容量采用多GE 通道聚合,传输系统设备选型应要求其支持跨板卡通道链路聚合功能.
4.2 无线传输网络尽管上述无线技术在城轨中有商用或试验应用,但各技术均存在问题,如WLAN 面临同频干扰、区间AP 过多,可维护性不高；LTE 面临频谱资源紧张,且城轨申请到的频谱基本用于信号系统；LTE-U 面临具有多载波聚合能力的3GPP 技术车载设备不够成熟,MulteFire 联盟技术产品当前仅支持20MHz 小区频宽,不具备多载波聚合能力；EUHT、Wireless Fiber 技术面临标准化、产业支撑、技术演进和售后服务等问题.表1 是这几种技术简要比较.
综上,对PIS 无线传输网络方案选择建议如下 ：1）当线路速度不大于120km/h 时,建议优先采用 802.11ac 的WLAN.当线路速度大于120km/h 时,考虑信号CBTC 采用LTE 已成标配,若授权频谱达15Mhz 及以上时,PIS 无线传输网络可考虑LTE,否则建议采用LTE-U,可将企标技术EUHT 和Wireless Fiber 技术作为备选.2）当采用LTE-U 技术时,应关注3GPP 和MulteFire 联盟支持的技术及产品发展情况,适时调整选择技术方案,确保高效地利用非授权频谱资源,以提供更优的PIS 无线传输网络.3）当采用LTE、LTE-U、EUHT 或Wireless Fiber 技术时,应做好时钟同步规划,建议PIS 有线传输网络支持IEEE 1588v2 协议实现时钟同步,同时车站预留引入GPS/ 北斗信号.
结语： 城轨PIS 传输网络技术发展迅速,其有线传输网络和无线传输网络技术方案合理选择不仅关系PIS 传输网络本身建设的性价比,也关系到建成后PIS 现有业务的顺利开展、新增业务的快速提供以及运营维护的方便性等,因此应得到足够的重视.
参 考 文 献
[1] 中铁二院工程集团有限责任公司. 成都轨道交通18 号线工程通信、信号系统车地宽带无线系统科研专题研究报告[R]. 成都,2017.
[2] 轨道交通运行控制系统国家工程研究中心（北京交通大学）.EUHT 系统性能及PIS、CCTV 业务承载能力测试报告[R]. 北京,2017.
轨道交通论文参考资料：
归纳总结:这篇文章为一篇适合不知如何写城市轨道交通和传输和信息系统方面的轨道交通专业大学硕士和本科毕业论文以及关于轨道交通论文开题报告范文和相关职称论文写作参考文献资料。
