TD-LTE在城軌全自動運行系統中的應用研究

■ 戴克平 吉樹新

TD-LTE在城軌全自動運行系統中的應用研究

■ 戴克平 吉樹新

針對城市軌道交通全自動運行系統的應用需求，介紹TD-LTE技術的特點，提出該技術應用在城市軌道交通全自動運行系統中需要重點解決的幾個關鍵問題，并給出相應的解決方案。通過試驗線的測試和驗證，證明了TD-LTE技術應用在城市軌道交通全自動運行系統中的可行性。

TD-LTE；城市軌道交通；全自動運行系統

0 引言

隨著城市軌道交通系統的不斷發展，國內多個城市的軌道交通網絡已初具規模。網絡化已成為城市公共交通的命脈，在城市運行中發揮著越來越重要的作用。隨著技術的發展，城市軌道交通采用全自動運行，提高運行效率、保障運行安全已經提到議事日程。在全自動運行線路中，車地無線通信系統作為有線傳輸網絡的延伸，擔負著城市軌道交通運行過程中車輛與外界信息交互的“橋梁”作用，是不可或缺的神經中樞。車地無線通信系統提供了行車所需的閉路電視系統（Closed-Circuit TeleVision Systerm，CCTV）、乘客信息系統（Passenger Information System，PIS）、列車控制系統（Communication-Based Train Control，CBTC）等系統中車輛與車站/控制中心之間的無線傳輸通道。

目前業內車地無線傳輸主要以IEEE 802．11系列WLAN技術為主。作為一種寬帶無線接入技術，車地無線傳輸在網絡化、寬帶化、經濟性方面具有一定優勢，但一些固有局限性限制了城市軌道交通車地無線通信系統的發展：（1）覆蓋距離短、鏈路復雜、維護不便。WLAN天線范圍覆蓋較小，每間隔200 m需布設1個天線，增加了隧道內有源設備數量，維護困難，同時帶來頻繁的越區切換。（2）業務帶寬嚴重受限。WLAN上下行采用CSMA/ CA機制，上下行競爭占用信道資源，當用戶增多時碰撞幾率增加，吞吐量下滑嚴重。（3）無線干擾嚴重。WLAN工作在民用開放2．4G頻段，尤其近年來Wi-Fi設備在公眾中的普及，使得基于WLAN的車地無線設備易受同頻段設備干擾。（4）QoS無法保證。多業務并發時不能按照優先級調度，高優先級業務帶寬無法保障，不適用于綜合承載。（5）列車運行速度限制。WLAN沒有充分考慮高速移動性的環境需求，當列車速度超過80 km/h時，其移動性明顯不足。

1 總體設計

1.1 TD-LTE技術介紹

TD-LTE技術具有中國自主知識產權，得到政府的大力支持，采用OFDM技術、MIMO天線技術及64QAM調制技術等，具有更高的傳輸速率、更高的頻譜利用率、更低的傳輸時延和更高的安全性，支持廣域覆蓋和高速移動。TD-LTE主要技術優勢有：（1）高數據吞吐率。在20 MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100 Mb/s、上行50 Mb/s的峰值速率；0～120 km/h移動場景下平均吞吐速率可達70 Mb/s，上行速率26 Mb/s、下行速率44 Mb/s。（2）高頻譜利用率。下行鏈路頻譜利用率可達5（b·s-1）/Hz，上行鏈路頻譜利用率可達2．5（b·s-1）/Hz。（3）帶寬靈活配置，支持非對稱頻譜。可靈活配置1．4～20 MHz間的多種系統帶寬，可以調整上下行流量。（4）低系統時延。扁平網絡結構，網元節點少，用戶面傳輸時延＜10 ms，控制面信令傳輸時延＜100 ms。（5）完善的多級QoS。保證多種不同質量要求業務的并發服務質量。（6）高速移動性。采用頻偏補償機制，有效克服多普勒效應，支持350 km/h的高速移動。

1.2 系統需求

由于全自動運行系統中對于列車實時數據回傳和全自動駕駛控制數據實時傳輸要求，車地無線通信不僅需要完成傳統車地無線通信系統承載的CCTV、PIS業務傳輸，還需要完成原來單獨部署的CBTC業務傳輸，在未來還可以考慮完成語音集群調度業務，實現城市軌道交通業務的綜合承載，保證全自動運行系統中各個業務子系統的暢通。

在系統帶寬方面，上述業務所需的帶寬需求見表1。

在高速移動性方面，系統應該充分考慮列車在高速情況下的切換問題，采用有效措施減少切換時間和降低因切換帶來的數據損失，以保證承載的業務質量，尤其是CBTC業務質量不受損失。

2 需解決的問題

按照上述總體設計的描述，全自動運行系統中的TD-LTE車地綜合承載通信系統需要解決幾個核心問題：（1）綜合承載業務的QoS設計。承載多種業務，各種業務之間以及同種業務的不同內容之間，需要采用優先級保證設計。（2）系統的抗干擾設計。城市軌道交通的隧道環境無線傳輸特性復雜，不同通信網之間的干擾，以及TD-LTE系統內部的同頻干擾都對系統性能有很大影響。尤其是其他制式通信網絡對于系統的異網同頻干擾。（3）系統的高可靠設計。系統承載的CBTC業務是關鍵性業務，應注意系統的高冗余性和高可靠性設計。

表1 綜合承載需求

3 關鍵技術

針對上述需解決的核心問題，系統設計采用的關鍵技術如下。

3.1 綜合承載業務QoS設計

TD-LTE系統可以實現9個調度優先級，用于CBTC、CCTV和PIS等不同的業務。系統為不同優先級的業務設計不同QoS，并分配ARP和QCI參數。各業務的ARP分配由高到低，同時根據各業務對可靠性、時延的要求，系統為其分配不同的QCI（見表2）。

系統通過IP地址和端口號識別不同的業務，針對不同業務優先級進行資源調度。通過上述方法可以實現系統業務差異化，同時還可以針對同一業務實現不同用戶使用時的業務體驗差異。

3.2 抗干擾設計

TD-LTE車地綜合承載通信系統的干擾問題主要分為其他通信系統的干擾、TD-LTE系統的系統內同頻干擾和其他TD-LTE系統的異網同頻干擾。

針對以上干擾，系統采用的抗干擾措施包括：

（1）全線采用漏泄電纜覆蓋。為減小對異網的干擾和提高自身抗干擾能力，全線采用漏泄電纜進行覆蓋，并可以采用空間隔離，或采用POI合路等方法增加與通信系統的隔離度，減少相互干擾。

表2 綜合承載QoS定義

（2）無線參數優化。針對系統內同頻干擾，可以對LTE設備無線參數進行優化來進行小區間干擾控制和消除。可采用的優化方法包括采用異頻調度，IRC算法和小區間干擾協調（ICIC）技術。小區下行可采用異頻調度來滿足小區邊緣的信噪比，保證小區邊緣的業務速率。通過IRC算法可以將單小區來自列車運行相反方向的干擾去除，用于進行上行干擾消除。通過ICIC進行小區間的干擾協調優化。ICIC以小區間協調的方式對各個小區中無線資源的使用進行限制，包括限制哪些時頻資源可用，或者在一定的時頻資源上限制其發射功率，通過考慮多個小區中資源使用和負載等情況對多小區無線資源進行管理，使得小區間干擾得到控制。

（3）利用車輛的屏蔽作用降低干擾。針對最嚴重的異網同頻干擾，還可以利用車輛的屏蔽作用降低干擾，列車車體對干擾信號有一定屏蔽作用，有10～20 dB的車體屏蔽效果。所以將車載天線設置在車體底部或車體一側，利用10～20 dB的車體屏蔽效果，降低對車地無線通信系統的干擾。另外，降低天線的安裝位置也有利于抑制相互干擾。

如圖1所示，采用車載定向平板天線安裝在車底側面，漏纜開槽正對車載平板天線，有利于降低相互干擾。

3.3 高可靠性設計

由于城市軌道交通車地無線通信系統要承載CBTC，而CBTC是列車運行控制的大腦，所以高可靠性是車地無線通信的重中之重。系統采用雙網設備冗余和設備內板卡

冗余的多級冗余理念來確保車地無線通信的高可靠性。

圖1 車體屏蔽原理圖

系統關鍵設備（核心網、基站BBU、基站RRU、車載TAU）每節點均部署2套獨立的同類型設備，構成2個獨立的TD-LTE網絡同時對外提供承載業務，一個網絡出現故障時，另一個網絡仍可保證通信暢通。

核心網設備內每塊板卡均支持冗余熱備；基站BBU設備主控板支持主備，基帶板間支持冗余備份，可實現故障小區跨板重建，保證小區業務能夠自動恢復，降低小區業務中斷時間；單級RRU冷環備份；車載TAU車頭車尾互備。這樣不會因為網內設備某一板卡故障而引起整個網絡故障。

4 設計驗證及結果分析

4.1 測試場景

為了驗證TD-LTE車地綜合承載通信系統在全自動運行中應用的可行性，在實際線路上進行了試驗驗證工作。

試驗段測試在北京東北五環外側中國鐵道科學研究院環形鐵路進行。環形鐵路線路長度為8．6 km，包括785 m高架橋及925 m隧道（含2個U型槽），其余為露天環境。環形鐵路為專用試驗線路，具備安裝TD-LTE測試設備的條件，能夠進行全天候測試。經過現場勘測，全線路處于北京市1．4G政務網的覆蓋范圍內，因此所有的測試內容均在異網同頻干擾條件下進行。

系統測試驗證結構見圖2。

測試內容主要包括：傳輸性能測試、綜合承載測試、設備穩定性、單網故障測試和極限性能測試5方面。

圖2 系統測試驗證結構

4.2 測試結果分析

試驗段測試的結果見表3。

系統可靠性測試表明，系統的單網或單點故障均不影響CBTC信息、列車狀態信息和緊急文本信息的傳輸。

表3 系統測試結果

系統的抗干擾測試表明，一般干擾條件下，基于TDLTE技術可滿足CBTC、CCTV和PIS綜合承載的傳輸需求；最惡劣情況時，雙網均可滿足CBTC和緊急文本信息的傳輸需求，但CCTV和PIS偶爾會出現卡頓。

通過上述測試，驗證了基于TD-LTE技術的車地綜合承載通信系統進行時能夠保障CBTC業務高可靠傳輸，能夠滿足緊急文本下發和列車實時狀態監控的傳輸需求，同時能為CCTV和PIS等業務提供有效的通信保障，完全可以應用于城市軌道交通全自動運行系統中。

5 結束語

TD-LTE作為目前最先進的4G無線技術，在國內已經開始大規模商用，產業鏈趨于完善，具有高帶寬、高質量、高可靠、高抗干擾能力等優良特性，與其他技術相比，更適合應用于城市軌道交通全自動運行系統中，保證車地通信的高效和暢通。

基于TD-LTE技術可以完成車地無線通信綜合承載以外，未來還可以實現寬帶多媒體集群調度業務，從而實現全業務綜合承載。進一步提高全自動運行系統的運營效率，降低系統的總體建設投資和運營維護成本。相信隨著北京全自動運行示范線路的建設和投入運營，TD-LTE技術一定會在國內城市軌道交通行業專網應用領域內大放異彩。

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戴克平：北京市軌道交通建設管理有限公司，高級工程師，北京，100068

吉樹新：中國電子科技集團公司第五十四研究所，高級工程師，河北 石家莊，050200

責任編輯 苑曉蒙

U28

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1672-061X（2015）04-0009-04