基于LTE的城市軌道交通車地通信綜合承載系統

戴克平　張艷兵　朱　力　唐　濤　趙紅禮　蔣海林

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司　北京　100068； 2.北京交通大學軌道交通控制與安全國家重點實驗室　北京　100044； 3.北京交通大學軌道交通運行控制系統國家工程研究中心　北京　100044)

?

基于LTE的城市軌道交通車地通信綜合承載系統

戴克平1張艷兵1朱力2唐濤2趙紅禮3蔣海林3

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司北京100068； 2.北京交通大學軌道交通控制與安全國家重點實驗室北京100044； 3.北京交通大學軌道交通運行控制系統國家工程研究中心北京100044)

為保證城市軌道交通運營安全，迫切需要整合車地無線通信生產業務的承載需求，建立基于城市軌道交通專用無線頻段的車地通信系統。利用我國自主知識產權的TD-LTE(time division long term evolution，分時長期演進)技術，設計出基于LTE(long term evolution，長期演進)的城市軌道交通車地通信綜合承載系統(LTE-M)，在北京的國家鐵道實驗中心環形道進行全球第1個LTE-M系統的試驗段測試。整個測試過程完全復制列車的實際運行場景，包括真實的車輛、設備以及高架、隧道等實際通信場景。大量的測試結果表明，所設計的LTE-M系統抗干擾能力強、綜合承載能力強、頻譜利用率高，能夠滿足軌道交通業務需求。LTE-M系統用于承載軌道交通綜合業務，在保障CBTC(基于通信的列車控制)業務高可靠傳輸的同時，能夠為CCTV(車輛視頻監控)和PIS(乘客信息系統)等業務提供有效的傳輸通道。

城市軌道交通；車地通信；基于通信的列車控制；綜合承載

1　城市軌道交通車地通信研究現狀

城市軌道交通車地無線通信作為保障運營安全的重要環節，承載了基于通信的列車 運 行 控制(CBTC)系統、列車運行狀態監測(TOSM)系統、車輛視頻監控(CCTV)系統、軌道交通乘客信息系統(PIS)等4項基本業務[1]。車地無線通信是城市軌道交通安全運營的神經中樞。目前，城市軌道交通中CBTC、PIS和CCTV系統的車地無線通信主要采用工作在公共開放頻段的無線局域網技術，獨立設置網絡。工程實踐證明，目前基于WLAN(wireless local area networks，無線局域網)是實現軌道交通高安全性、高速度和高密度的最佳技術之一[2]。但這種技術也存在一些局限性，首先，WLAN不是為高速移動設計的；其次，無線局域網工作在開放頻段，開放頻段的使用不需要無線電管理部門的批準，也無需付費。但是很多民用設備也工作在這一開放頻段，如：便攜式WiFi(wireless fidelity，無線寬帶)設備、藍牙、微波爐等，它們可能會對城市軌道交通的車地無線傳輸產生干擾。2012年8—11月，深圳地鐵2號線和5號線就多次發生由于無線干擾影響列車運營的事故[3]。另外，WLAN在多業務并發時無法按照優先級調度，無法保證按高優先級業務的實際使用帶寬，不適用于綜合承載。

目前，在軌道交通車地通信領域，學術界已經有了不少研究。如：北京交通大學研究了乘客信息系統的車地通信技術，將噴泉編碼引入系統，提高了系統的傳輸能力[4]；在文獻[5]里，作者通過設置鄰小區列表，提出了適用于客運專線的切換技術；一種基于車載天線的新型切換機制在文獻[6]中被提出；一種基于具有MIMO特性WLAN的車地通信系統的跨層設計方法在文獻[2]中被提出，提高了CBTC車地通信系統的性能；在文獻[7]中，一種運用于專用無線調度的，基于軟件架構的車地通信系統被提出，以解決現有無線調度中出現的問題。雖然這些研究都很好地考慮了軌道交通特殊環境對車地通信的影響，但所有的研究都只是針對獨立的車地生產業務。由于各項生產業務獨立設置網絡，系統間存在爭搶頻率資源的問題，所以迫切需要整合車地無線通信生產業務，建立基于城市軌道交通專用無線頻段的車地通信系統，保證城市軌道交通運營安全的CBTC、TOSM、CCTV、PIS(含緊急文本)等信息能及時、準確地傳輸，為城市軌道交通系統的安全、高效運營提供有力支撐。

圖1　LTE-M網絡物理架構

TD-LTE(time division long term evolution,分時長期演進)是TDD(時分復用)版本的LTE(long term evolution,長期演進)技術，也是中國擁有核心自主知識產權的4G國際通信標準技術，是一種專門為移動高寬帶應用而設計的無線通信標準。利用TD-LTE技術，提出基于LTE的城市軌道交通車地通信綜合承載系統(LTE for metro，LTE-M)，并組織業界主流通信、信號廠商，在北京的國家鐵道實驗中心對全球第1個LTE-M系統進行了現場測試。大量的測試結果表明，所設計的LTE-M系統具有抗干擾能力強、綜合承載能力強、頻譜利用率高的特點，能夠滿足軌道交通業務需求。LTE-M系統用于承載軌道交通綜合業務，在保障CBTC業務高可靠傳輸的同時，能夠為CCTV和PIS等業務提供有效的傳輸通道。

2　綜合承載系統(LTE-M)

2.1系統結構設計

目前，LTE- M主要存在2種組網方案。

第一種組網方案是同頻交織組網方式。在這種方式下，軌旁設備連接在同一個無線接入網下，組成2層網絡，2層網絡的基站按照站址交織放置，并采用相同的載波頻率配置。

相鄰無線射頻單元(RRU)連接不同的無線基站(BBU)，單點BBU出現故障后，相鄰的RRU也通過加大發射功率來覆蓋故障BBU下的RRU覆蓋區域。在沒有設備出現故障的情況下，通過降低發射功率避免相鄰基站干擾，在發現有基站故障后，相鄰基站加大發射功率來覆蓋故障基站的覆蓋范圍。這種組網方式的最大優點是全網只用一個頻段，非常節省頻率資源，缺點是由于軌旁設備沒有設備備份，導致其可靠性有所降低，如果相鄰兩個基站失效，那系統將不能正常工作。本文的實驗并沒有采用這種方案。

另一種組網方案是同站址雙網覆蓋方案。在該方案中，系統提供A、B雙網設計，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(TAU)。A網絡單獨用于CBTC業務的承載，B網用于CBTC業務備份和PIS業務的承載。

圖1為某條城市軌道交通線路的LTE-M網絡物理架構。控制中心機房部署無線核心網和網管等，通過軌道交通專用傳輸網與車站連接。設備集中站配備專用機房，部署BBU，提供無線接入服務。非設備集中站無配備專用機房，無線信號覆蓋通過相鄰的設備集中站BBU接入完成。軌旁是車輛通行通道，在隧道內主要部署RRU和漏纜。對于特殊地段(如高架段、車輛段)主要用全向天線和定向天線覆蓋。車輛基地主要是列車維修以及編組的地方，道岔較多，部署BBU、RRU、天線等設備，提供無線接入服務。在車輛的車頭、尾兩端分別部署車載無線終端，接入軌旁無線網絡。

2.2專用頻段選擇

目前，900 MHz頻段為GSM-R鐵路專用，難以開展TD-LTE寬帶數據移動業務，可以申請使用的城市軌道交通專網TD-LTE頻段有：1 447～1 467 MHz(固定移動用戶頻段)，1 785～1 805 MHz(行業專網頻段)，5 850～5 920 MHz(TD-LTE可用頻段)。

由于5.9 G頻段的空間傳輸損耗太大，并且硬件設備尚未完全成熟，因此比較適合應用于城市軌道交通的頻段有1.8 G和1.4 G。目前，1.8 G頻段已經被鄭州、烏魯木齊、蘭州等城市申請到并應用于城市軌道交通。但近期被一行業用戶所占用，因此我們選取了有代表性的1.4 G頻段作為LTE-M系統的工作頻段。本文的測試工作均是圍繞1 447～1 467MHz頻段展開的，其中1 447～1 452 MHz頻段用于傳輸CBTC業務，1 453～1 467 MHz頻段用于承載綜合業務。需要指出的是，1.4 G目前已經在北京政務網中使用，因此當在LTE-M中采用這一頻段時，需要在系統設計時考慮這一干擾。

2.3抗干擾能力設計

城市軌道交通1.4 GHz頻段LTE網絡的主要干擾是政務網干擾，由于軌道交通只是在軌道交通沿線需要LTE無線信號覆蓋，可以結合軌道交通特點以及從工程應用角度考慮干擾規避措施，主要采用如下2條抗干擾措施以抑制政務網的干擾。

1) 全線采用漏纜進行覆蓋。漏泄同軸電纜具有信號傳輸作用，又具有天線功能，通過對外導體開口的控制，可將受控的電磁波能量沿線路均勻地輻射出去或接收進來，實現對電磁場盲區的覆蓋。2條漏纜沿軌旁布置，離開車載天線的距離大約1.7 m。雙漏纜的覆蓋不僅很好地抵御了外界的干擾，同時可以利用MIMO(多路進，多路出)特性，提高車地通信鏈路的傳輸性能。

2) 車載天線放置于車底，利用車輛的屏蔽作用降低干擾。

3　LTE-M系統性能測試場景設計

為了進一步驗證LTE技術運用于城市軌道交通車地綜合承載業務的可行性，在中國鐵道科學研究院東郊分院開展了現場實地測試。測試是在真實的電磁環境，1.4 G政務網干擾條件中進行的。采用工程實施的組網結構，測試LTE-M系統在實際環境中的性能，判斷其是否能夠滿足當前城市軌道交通車地綜合承載生產業務的需求。

3.1測試場地

現場測試地點為中國鐵道科學研究院東郊分院的環形鐵道試驗中心，位于朝陽區東北五環，其中的城市軌道交通試驗線是我國唯一的一條用于試驗和檢驗城市軌道交通裝備的綜合試驗線(見圖2)。

圖2　測試試驗線

試驗線位于大環試驗線內側，為一條閉合的曲線，北半環與大環試驗線并行，南半環位于小環試驗線南側并與小環試驗線等高并行，與北半環封閉成環狀。試驗線正線長8 631.419 m，最高運行速度140 km/h。高架橋長785 m，隧道長925 m。試驗線建設了城市軌道交通試驗所必需的通信信號系統、電力及牽引供電系統和管理指揮系統等，能夠全面地模擬城市軌道交通運行的各種真實環境。

3.2測試網絡實施方案

試驗段測試所構建的LTE-M系統采用A、B網冗余組網方式，共同承載測試相關業務數據，其中A網采用15 MHz帶寬，承載CBTC業務信息、列車實時狀態信息、車載CCTV監控圖像信息和PIS圖像信息(含緊急文本)等業務；B網采用5 MHz帶寬，承載CBTC業務信息和緊急文本信息。每個網絡均包括了核心網EPC、基帶處理單元BBU、射頻拉遠單元RRU和車載無線終端TAU。BBU通過以太網交換機直接接入兩套LTE核心網設備，通過光纜連接到軌旁RRU設備。區間主要采用RRU+漏泄同軸電纜方式覆蓋，以減少來自無線環境的同頻干擾。

在列車車頭和車尾分別設置車載接入單元TAU，通

過車載交換機與應用系統車載設備相連，完成CBTC、PIS、CCTV和TOSM業務的接入，并實現不同業務之間的隔離與網絡安全需求。其中，位于車頭的TAU配置5 MHz帶寬，只用來傳輸CBTC業務，而位于車尾的TAU則傳輸CBTC、PIS/CCTV和余下全部業務，CBTC業務信息在2套網絡上同時傳輸。這是由于CBTC屬于安全苛求系統，為了保證其對網絡可靠性的要求，必須為CBTC業務部署冗余傳輸網絡，而針對其他業務僅配置單一網絡即可。

在測試中，試驗線軌旁共布設9個RRU，相鄰RRU之間的間距為1 km。由于上下行的業務數據速率非常接近，因此上下行子幀配置為模式1，即上行子幀與下行子幀的配比為2 ∶2。特殊子幀配置為模式7，即DwPTS、GP和UpPTS的配比為10 ∶2 ∶2。

為驗證LTE系統滿足信號系統的功能需求，需要測試BBU間切換時的LTE傳輸性能。在A、B網分別設置2臺BBU，為增加切換次數，RRU交叉接入到相應的BBU上，使得車載無線終端每經過1個RRU就產生1次BBU間的切換，增加測試樣本數。

3.3測試內容

本次實地測試是在城市軌道交通真實電磁環境下進行的，測試LTE-M系統的車地通信傳輸性能，驗證LTE-M系統傳輸CBTC、TOSM、CCTV和PIS(含緊急文本信息)業務的綜合承載能力。測試的內容包括LTE-M傳輸性能測試和綜合承載傳輸性能測試。

4　測試結果與分析

4.1傳輸性能測試

傳輸性能測試包括傳輸時延、切換時延、丟包率和吞吐量等測試。由于在LTE-M系統中，地面設備與車載TAU的時鐘不完全同步，因此在進行傳輸時延和切換時延測試時，主要關注環回時延而非單向時延。

圖3　傳輸時延的概率分布函數

傳輸時延的概率分布函數如圖3所示。由圖3可知，傳輸時延大部分集中在10 ms左右，平均傳輸時延為11.6 ms，遠遠小于CBTC業務QoS需求中規定的150 ms，其中傳輸時延低于20 ms的概率接近100%。

圖4為切換時延的概率分布函數，與傳輸時延不同，切換時延并不集中在某一固定的值周圍，而是分布變化的。其中，平均切換時延在31 ms左右，小于CBTC業務QoS需求中規定的150 ms，切換時延低于45 ms的概率接近100%。

圖4　切換時延的概率分布函數

列車駐留在一個小區內的信干噪比SINR和下行吞吐量的變化如圖5和圖6所示，顯然在大部分時間內，SINR的值大于10 dB。對于下行吞吐量，除列車處于小區邊緣的特殊情況外，吞吐量的值均在20 Mb/s左右波動。

圖5　單小區下行信干噪比SINR

圖6　單小區下行吞吐量

圖7　上行吞吐量的概率分布函數

圖8　下行吞吐量的概率分布函數

帶寬為15 MHz時，上下行吞吐量的概率分布函數分別如圖7和圖8所示，分析可得上行平均吞吐量為17.1 Mb/s，下行吞吐量為19.3 Mb/s。

此外，在丟包測試中，整個測試過程沒有發生丟包現象。

4.2綜合承載性能測試

在綜合承載性能測試中，為了研究PIS/CCTV業務對CBTC業務傳輸性能的影響，需要對LTE-M系統綜合承載CBTC、CCTV、PIS和TOSM情況下CBTC業務的傳輸時延與切換時延進行測試。

由于PIS和CCTV業務的數據速率分別為4 Mb/s和2 Mb/s，因此將1套PIS設備和2套CCTV設備連接到LTE網絡，同時使用IxChariot模擬雙路CBTC業務，通過無線網絡傳輸業務數據，進行104次循環測試。圖9和圖10分別為LTE-M系統綜合承載業務的傳輸時延與切換時延，其中傳輸時延約為100 ms，切換時延小于50 ms。由此可以得出結論，TD-LTE系統的調度算法能夠很好地工作，使得PIS/CCTV業務不會影響CBTC業務的傳輸性能。

圖9　綜合承載業務傳輸時延的概率分布函數

圖10　綜合承載業務切換時延的概率分布函數

5　結論與展望

筆者設計了基于LTE的城市軌道交通車地通信綜合承載系統(LTE-M)。在北京的國家鐵道實驗中心進行了全球第1個LTE-M系統的實地測試。試驗結果滿足預期，驗證了LTE系統抗干擾能力強、綜合承載能力強、頻譜利用率高的特點，能夠滿足軌道交通業務需求。

LTE-M系統用于承載軌道交通綜合業務，在保障CBTC業務高可靠傳輸的同時，能夠滿足緊急文本下發和列車實時狀態的傳輸需求，且能為CCTV和PIS等業務提供有效的傳輸通道。

下一步，將加快LTE-M系統在城市軌道交通的示范線建設，并同步推進LTE-M的技術規范工作，以規范和指導LTE-M系統的設計和研究工作。

[1] ZHAO H L，ZHU L，JIANG H L，et al.Design and performance tests in an integrated TD-LTE based train ground communication system[C]//2014 IEEE 17th International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC)，2014: 747-750.

[2] ZHU L，YU F R，NING B，et al.T.Cross-layer handoff design in MIMO enabled WLANs for communication-based train control (CBTC) systems[J].IEEE J.Sel.Areas Commun，2012，30(4): 719-728.

[3] HUANG Y L，SHI Y Y.Shenzhen Metro Disruption Leads to call to Ban wi-fi Devices on Subways[N].China Daily，2012-06-11(4).

[4] ZHU L，YU F R，NING B，et AL.Cross-Layer Design for Video Transmissions in Metro Passenger Information Systems[J].IEEE Transactionson Vehicular Technolocy，2011，60:1171-1181.

[5] HUSNG J，MA J，ZHONG Z.Research on handover of GSM-R network under high-speed scenarios[J].RailwayCommun.Signals，2006，42:51-53.

[6] YANG C，LU L，DI C，et al.An on-vehicle dual-antenna handover scheme for high-speed railway distributed antenna system[C]//2010 6th International Conference on Wireless Communications Networking and Mobile Computing (WiCOM)，2010.

[7] WEI Q，YU X，DU C X，et al.Design of tetra-based dedicated radio communication system for urban rail transit[C]//2012 3rd International Conference on System Science，Engineering Design and Manufacturing Informatization (ICSEM)，2012: 304-307.

(編輯：曹雪明)

An Integrated LTE-based Urban Rail Train Ground Communication System

Dai Keping1Zhang Yanbing1Zhu Li2Tang Tao2Zhao Hongli3Jiang Hailin3

(1. Beijing Rail Transit Construction and Management Co., Ltd., Beijing 100068; 2. State Key Lab. of Rail Traffic Control and Safety, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044; 3. National Eng. Research Center of Rail Transportation Operation and Control System, Beijing 100044)

To ensure the safe operation of urban rail, it is urgently needed to construct an integrated train ground communication with dedication frequency band. In this paper, we designed an integrated LTE- based train ground communication system for urban rail transit system (LTE- M) with TD- LTE technology. In order to test the integrated LTE- based train ground communication system performance, a real testing environment is set up. The testing environment includes the real train and real equipment. Real tunnels and elevated lines are used as well to represent the real urban rail transit environment. Extensive test results show that the designed LTE- M system has strong anti-interference capability. The system performance satisfies urban rail transit communication requirement. It can not only guarantee reliable transmission of CBTC traffic, but also provide efficient transmission path for CCTV and PIS traffic.

urban rail transit; train ground communication; CBTC; integrated service

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.01.017

2015-02-03

2015-04-01

戴克平，男，大學本科，部長，高級工程師，從事北京地鐵新線通信信息系統建設管理工作，daikeping@263.net

軌道交通控制與安全國家重點實驗室自主研究課題(RCS2015ZT00)；北京市科委項目(D141100000714002)

U231.7

A

1672-6073(2016)01-0069-06