基于LTE構建城軌綜合寬帶無線通信網

劉 剛 吳海峰

基于LTE構建城軌綜合寬帶無線通信網

劉 剛 吳海峰

北京市軌道交通建設管理公司討論并嘗試著建立基于LTE（長期演進）的城市軌道交通綜合寬帶無線通信網。介紹城市軌道交通無線通信的現狀、LTE技術，以及目前基于LTE構建城市軌道交通綜合寬帶無線通信網的進展，能夠為未來城市軌道交通進行車-地信息綜合承載提供較為全面的視角以及參考。

城市軌道交通；車-地通信；LTE；綜合通信網

城市軌道交通正常運行需要諸多設備系統共同協調運作，包括車輛、信號、通信、供電、機電等，其中涉及行車指揮及列車監控的系統至關重要，直接影響城市軌道交通能否安全、準時運營，而無線通信系統是用于快速運行列車與控制中心聯系的基礎紐帶，是這些系統正常運行的必備條件。

1 城市軌道交通無線系統現狀

1.1 城市軌道交通所使用無線系統簡介

城市軌道交通無線通信系統一般包括：專用800M無線通信系統、公安350M無線系統、基于通信的列車控制（CBTC）系統以及乘客信息系統（PIS）。

其中專用800M無線通信系統為固定工作人員（調度員、車站值班員）與相關流動作業人員（司機、車站、停車場勤務人員、維修人員、環控人員等）之間提供話音和數據通信服務。公安350M無線系統為地鐵警務人員與地鐵分局、市公安局之間提供語音服務，滿足指揮人員對現場警務人員的統一調度。這2個系統屬于窄帶通信系統，不在本文討論范圍之內。

CBTC系統目前一般使用無線局域網（WLAN）技術實現列車與地面雙向實時通信，列車通過無線通信將自身車次號、運行方向、列車位置和實際速度實時傳遞給地面軌旁設備，地面軌旁設備根據正線所有列車位置信息，經過計算生成列車的運行權限，傳遞給列車，內容包括停車點位置、移動授權和車門控制等信息，以實現對列車的控制。

PIS目前一般使用WLAN技術實現列車與地面雙向實時通信，車-地無線通信系統是將地面乘客信息系統和車載乘客信息系統聯系起來的紐帶，車載乘客信息系統可以通過車-地無線通信網絡實時接收地面乘客信息系統各種信息（包括緊急事件信息、運營相關信息、緊急事件處置視頻、運營設備介紹視頻、重大新聞等實時動態信息、車門監視視頻等），在車載顯示終端上播放；同時，車載乘客信息系統利用車-地無線通信網絡，將列車上的視頻監控信息傳輸至線路控制中心及公交總隊，供運營、公安人員及政府相關部門調看。

1.2 目前無線組網的弊端

C B T C系統以及P I S均采用WLAN組網，共需要組建3套相同的網絡，經濟性較差，同時WLAN運行在2.4G/5.8G頻段，屬于開放頻段，極易受到干擾，給城市軌道交通安全運營帶來了隱患。深圳地鐵曾發生由于乘客的無線設備干擾地鐵信號系統，導致區間停車，直接影響了列車運營秩序。另外，WLAN技術并不是針對快速移動而研發的技術，雖經過廠家不斷更新，制定出快速移動切換的解決方案，但在城市軌道交通行業實際使用過程中，還是存在切換過程中數據傳輸效率降低、帶寬不穩定的情況，在已開通的工程中，并不能完全滿足設計要求的視頻直播和列車監控圖像實時上傳的功能；再者WLAN設備發射功率較小，區間約200 m就需要敷設無線接入點（AP）設備以保證無線信號覆蓋，不利于工程實施及維護管理。

2 城市軌道交通車-地無線需求

2.1 車-地無線通信信息承載需求

2.1.1 CBTC系統車-地通信需求

信號系統地面設備對列車傳輸的信息包括：移動授權、限速信息、列車識別號、運營調整指令等信息。列車對信號系統地面設備傳輸的信息包括：列車車組號、屏蔽門開/關命令、本列車的定位信息、本列車的速度信息等。

車-地無線通信系統需為信號列控CBTC提供實時、雙向、A/B網通道保護的信息傳輸通道，單列車單網上、下行信息帶寬各需100 kbit/s，在車頭、車尾分別冗余配置連接A、B承載網的傳輸通道的情況下，每列車承載的上、下行列控信息業務帶寬需求各為2×2×100 kbit/s=0.4 Mbit/s，并滿足以下要求：

（1）無線網絡傳輸延遲時間應小于150 ms；

（2）單網絡信息傳輸的丟包率應小于1%，誤碼率小于10-6；

（3）車-地通信單網絡的越區切換中斷時間應在100 ms以內。

2.1.2 PIS車-地通信需求

（1）PIS圖像下發播放。PIS需將播控中心下發的播放節目，如新聞廣播、旅行指南、換乘信息、在線廣告等便民信息在車載PIS顯示屏上實時顯示。每列車PIS圖像播放采用720P的圖像質量，采用H.264編碼方式，下行帶寬需求為8 Mbit/s。

（2）車載監控監視系統（CCTV）監控圖像回傳。在地鐵車-地無線的應用場景下，車載CCTV視頻監控圖像回傳是重要性僅次于信號系統業務需求。根據城市軌道交通實際使用需求，采用H.264（D1，4CIF）格式。圖像分辨率為720×576像素，傳輸帶寬為2 Mbit/s，可基本滿足監視器觀看及上大屏的需求。在正常情況下，全線需向控制中心上傳2路客室監控圖像信息。車載CCTV業務上行帶寬需求為2×2=4 Mbit/s。

2.2 車-地通信業務承載需求匯總

預測車-地無線綜合寬帶傳輸平臺業務需求為：下行業務帶寬9 Mbit/s；上行業務帶寬5 Mbit/s。

3 LTE簡介

針對信號系統采用WLAN技術存在安全隱患，以及PIS采用WLAN不能完成緊急信息播發、車廂視頻圖像監控上傳的問題，城市軌道交通需采用新技術建立抗干擾、封閉、穩定、適合快速移動的車-地無線通信系統。LTE技術以其大帶寬、高可靠性、有效避免干擾、覆蓋范圍大、切換少等方面的優勢，滿足車-地無線通信網絡的要求。

LTE（Long Term Evolution）移動通信技術的目標是建立一個能夠獲得高傳輸速率、低時延、支持增強型多媒體廣播組播業務（eMBMS）、基于包優化的可演進的無線接入架構。為了達到以上目標，LTE系統采用接近于全IP化的扁平化的網絡結構，集成了適用于寬帶移動通信傳輸的眾多先進技術，如正交頻分復用（OFDM）、多輸入多輸出（MIMO）、混合自動請求重傳（HARQ）、自適應調制編碼（AMC）、小區間干擾協調（ICIC）等。

TD-LTE（分時長期演進）技術還具備頻譜申請靈活、上下行資源可調配的特點，可根據業務需要靈活配置上下行業務比例。寬帶移動性優勢具體體現如下。

（1）傳輸帶寬部署靈活。LTE系統支持1.4、3、5、10、15和20 MHz帶寬，同時支持在成對和非成對頻段上部署。根據LTE網絡承載的業務量可選擇支持相應帶寬的設備。

（2）移動接入性強。采用自動頻率校正確保高速移動（＞120 km/h）場景下的無線鏈路質量，具備優良的高速移動狀態下的寬帶接入能力。接入速度快，終端從空閑狀態到激活狀態延遲時間小于100 ms。

（3）抗干擾能力強。采用ICIC技術有效降低小區邊緣頻率干擾，提高小區吞吐率，若使用行業專有頻段，外部干擾少。

（4）QoS（服務質量）機制。LTE系統定義了標準的服務質量等級標識（QCI）屬性，所有的QCI屬性均可根據實際需求預配置在軌旁無線接入網（eNodeB）上，這些參數決定了無線側承載資源的分配。在資源受限的條件下由分配和保留優先級（ARP）參數決定是否接受相應的承載建立請求。

LTE系統對QoS的描述主要通過QCI、ARP來表示。QCI是LTE承載最重要的QoS參數之一，它是1個數量等級。具體分配見表1。

表1 LTE系統QCI定義

表1中，GBR（Guaranteed Bit Rate）為保證比特速率，系統通過預留資源等方式為保證數據流的比特速率在不超過GBR時能夠全部通過，超過GBR的流量可以按照如下方式處理：擁塞時超過GBR的流量會被丟棄，不擁塞時超過GBR但小于最大比特速率（MBR）的流量可以通過。享有GBR資源的承載被稱為GBR承載，其他的承載被稱為Non-GBR承載。Non-GBR指的是在網絡擁擠的情況下，業務（或者承載）需要承受降低速率的要求，由于Non-GBR承載不需要占用固定的網絡資源，因而可以長時間地建立，而GBR承載一般只是在需要時才建立。

A R P參數主要應用于接入控制，在資源受限的條件下決定是否接受相應的承載建立請求。QCI應用于承載建立之后的控制，而ARP應用于承載建立之前的控制。

4 基于LTE的綜合無線通信網

鑒于以上討論，城市軌道交通可采用LTE建立統一的車-地無線寬帶綜合通信網，以同時承載信號系統及乘客信息系統的車-地傳輸信息。

4.1 城市軌道交通無線寬帶綜合通信網組網方式

為滿足CBTC系統需A、B網同時進行覆蓋的要求，無線寬帶綜合通信網采用2套冗余的LTE設備組網，全線按照鏈狀網結構分別部署2套完全相同的分布式基帶處理單元（BBU）+射頻拉遠單元（RRU）網絡，通過傳輸系統提供的傳輸通道分別接入控制中心設置的2套LTE核心網設備（圖1）。

圖1 無線寬帶綜合通信網組網圖

隧道區間采用RRU+漏泄同軸電纜方式覆蓋，車輛段采用RRU+天線方式覆蓋。2張網絡完全獨立，并行工作，互不影響。

每個網絡包括了核心網（EPC）、軌旁無線接入網（eNodeB）、車載無線終端（CPE）。信號系統信息可在2套網絡上同時傳輸，以保證其對網絡可靠性的要求，由信號系統同時接收并判斷確定使用有用信息。A、B 2套無線子系統網絡（BBU+RRU）同站設置。A網BBU和RRU順序配置。B網RRU交織配置，即將歸屬于A車站BBU（B網）的RRU交叉連接到B車站CELL-2覆蓋區域（含供電回路），歸屬于B車站BBU（B網）的RRU交叉連接到A車站CELL-1覆蓋區域（含供電回路），并以此交織配置（圖2）。

圖2 無線寬帶綜合通信網交織覆蓋示意圖

4.2 QoS分配

基于LTE技術的車-地寬帶無線傳輸平臺承載了CBTC、PIS和CCTV業務，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，其分配見表2。

表2 業務QCI分配

4.3 頻率資源需求分析

TD-LTE系統同頻組網時，業務信道頻譜利用率與基站/終端發射機功率和解調性能、小區間干擾協調算法性能、多入多出（MIMO）天線技術及上下行業務配比等相關。

城市軌道交通車-地寬帶無線傳輸平臺的通信范圍為鏈狀服務區域，業務應用和運營商網絡用戶有一些差異。需要較多的頻率資源，通過ICIC技術克服因同頻組網引起的小區邊緣干擾，實現高移動狀態線的“穩定寬帶”承載需求。

根據相關設備廠商提供的仿真情況，在理想無線信道環境下，TDD（時分雙工）15 MHz帶寬3∶1時隙配比的容量仿真如下：考慮上下行總共的吞吐率，在滿足小區邊緣場強-95 dbm條件下，小區邊緣頻譜效率在1.2～1.3左右。

根據業務信息承載統計，正線上行帶寬需求為5 Mbit/s，下行帶寬需求為9 Mbit/s，共需14 Mbit/s業務數據承載，A、B雙網共需20 MHz頻率資源。

根據業務分配，可做如下頻率和承載劃分。

A網使用15 MHz帶寬組網，主要用于承載信號列控信息及通信系統車載PIS播放、CCTV監控圖像回傳信息。B網使用5 MHz帶寬組網，用于承載信號列控信息及其他預留業務應用及備用，A、B網均按相同的時隙比配置上下行業務。

5 實驗室模擬測試

北京軌道交通建設公司、軌道交通指揮中心在2014年6月聯合組織相關LTE廠家及信號廠家在北京交通大學國家實驗室對綜合承載CBTC和PIS的無線寬帶綜合通信系統進行模擬測試（圖3），對基于LTE的無線綜合通信系統的時延、丟包率、傳輸帶寬、切換時延性能、承載CBTC業務傳輸性能、承載PIS、CCTV、緊急文本下發等業務綜合傳輸性能進行綜合測試，以驗證LTE系統在城市軌道交通車-地無線通信綜合承載的可用性。

圖3 綜合承載模擬測試系統示意圖

在模擬測試中，CBTC系統的模擬數據發送間隔為100 ms；模擬數據包大小取400字節，CCTV業務模擬傳輸速率為2 Mbit/s，PIS業務模擬傳輸速率為8 Mbit/s。無線信道模擬小尺度衰落，采用ITU-VA信道模型，列車速度為200 km/h，多普勒譜為標準譜，根據應用場景，信道模型分為遠、中、近點：遠點參考信號接收功率（RSRP）的范圍-85～-100 dBm；中點RSRP的范圍-75～-85 dBm；近點RSRP的范圍 ＞ -75 dBm。

經過實驗室模擬測試，其主要參數結果如下。

（1）切換延時的測試結果。CBTC切換平均時延34～46 ms，切換最大時延135 ms；CBTC業務與列車狀態信息業務的切換平均延時滿足小于150 ms的要求。

（2）切換丟包率。CBTC上行信息丟包率0.046%，下行信息丟包率0.002%，丟包率均小于0.005%，符合CBTC系統丟包率小于0.5%的需求；CBTC數據都沒有出現傳輸中斷大于2.4 s的情況。

（3）擁塞場景性能測試。在受到背景業務擁塞的條件下，CBTC業務丟包率小于0.5%，傳輸延時小于150 ms。

實驗室LTE綜合無線通信網共完成測試用例28個，其中：CBTC承載測試用例8個，綜合承載測試用例15個，PIS和CCTV承載測試用例5個。實驗數據表明LTE能滿足城市軌道交通CBTC系統、PIS和CCTV系統等生產業務綜合承載的需求，5 MHz頻寬能夠同時承載CBTC、緊急文本、2路1 Mbit/s速率監控圖像、1路2 Mbit/s速率PIS視頻；15 MHz帶寬時能夠同時承載CBTC、緊急文本、列車運行狀態監測、2路2 Mbit/s速率監控圖像、1路8 Mbit/s速率PIS視頻；越區切換時，LTE系統傳輸速率會下降，此時需要降低CCTV和PIS系統的速率，但是仍能確保滿足CBTC、緊急文本傳輸的需求。

6 現場試驗測試

在完成實驗室測試的基礎上，2014年8月，組織了相關單位在中國鐵道科學研究院東郊分院的環形鐵路上搭建現場實驗環境，模擬CBTC、PIS及CCTV相關業務，進行現場測試實驗，經過LTE場強測試、延時測試、丟包率測試、切換成功率測試、切換時延測試、下行吞吐率測試、上行吞吐率測試、平均傳輸時延指標測試、平均傳輸時延指標測試等若干指標測試，結果表明LTE能滿足城市軌道交通車-地無線通信需求。

7 結束語

為了確保城市軌道交通安全高效運營，保證城市軌道交通行車效率，應該建設獨立的專用通信網絡來承載CBTC、CCTV、PIS等生產業務信息。

LTE用于城市軌道交通綜合承載剛剛起步，在某些方面也需要有所提高，例如切換邊緣速率低、eMBMS功能不完善、各廠家互聯互通等，但基于LTE系統建設綜合無線通信網來承載城市軌道交通綜合業務，其在保障CBTC業務高可靠傳輸的同時，能夠同時滿足緊急文本下發的傳輸需求，且能為CCTV和PIS等業務提供有效的傳輸通道，滿足對列車的綜合控制的需求，是未來城市軌道交通車-地無線通信建設的方向。

[1] 張克平. LTE/LTE-Advanced-B3G/ 4G/B4G移動通信系統無線技術[M]. 北京：電子工業出版社，2013.

[2] 陳宇恒，肖竹，王洪. LTE協議棧與信令分析[M]. 北京：人民郵電出版社，2013.

[3] 烏魯木齊軌道交通1號線通信系統設計書，2014.

責任編輯 冒一平

Construction of Transit Integrated Broadband Wireless Communication Network based on LTE

Liu Gang, Wu Haifeng

The Beijing MRT Construction Administration Corp. is discussing and trying to establish a integrated broadband wireless communication network based on LTE. The paper introduces status of urban rail transit wireless communication, LTE technology and the progress of present construction of transit integrated broadband wireless communication network based on LTE, provides perspective and reference for future transit on more wide range of train-trackside information integrated communication platform.

transit, train-trackside communication, LTE, integrated communication network

U231.7

2014-10-26

劉 剛：北京市軌道交通建設管理有限公司，高級工程師，北京 100037