TD-LTE技術(shù)承載地鐵CBTC系統(tǒng)應(yīng)用研究

焦鳳霞

（北京通號(hào)國鐵城市軌道技術(shù)有限公司，北京 100070）

TD-LTE技術(shù)承載地鐵CBTC系統(tǒng)應(yīng)用研究

焦鳳霞

（北京通號(hào)國鐵城市軌道技術(shù)有限公司，北京 100070）

介紹TD-LTE技術(shù)在地鐵CBTC系統(tǒng)中的應(yīng)用，對關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行分析，并找出解決方案。

TD-LTE；地鐵應(yīng)用；關(guān)鍵技術(shù)；解決方案

1 概述

目前的地鐵CBTC系統(tǒng)應(yīng)用中，大部分采用基于ISM（2.4 GHz）頻段的WLAN設(shè)備，2.4 GHz頻段為開放頻段，隨著民用WLAN設(shè)備使用規(guī)模的擴(kuò)大，地鐵WLAN設(shè)備的穩(wěn)定性面臨更大風(fēng)險(xiǎn)，CBTC系統(tǒng)的運(yùn)營安全受到更大的挑戰(zhàn)。

隨著TD-LTE技術(shù)市場化的不斷推進(jìn)，基于TD-LTE技術(shù)的4G網(wǎng)絡(luò)在公共通信領(lǐng)域快速發(fā)展，與地鐵CBTC車地通信試驗(yàn)也證明TD-LTE能夠滿足業(yè)務(wù)需求。TD-LTE技術(shù)相比WLAN技術(shù)，在地鐵CBTC應(yīng)用中具有更加強(qiáng)大的優(yōu)勢，特別是專用頻點(diǎn)的特性，可以提高地鐵通信網(wǎng)絡(luò)的抗干擾指標(biāo)，避免開放頻段用戶對CBTC專用無線網(wǎng)絡(luò)的影響，提高CBTC系統(tǒng)運(yùn)營的可靠性。但是作為一種新的技術(shù)應(yīng)用，TD-LTE技術(shù)在地鐵環(huán)境應(yīng)用中，同樣存在一些問題，包括基站布點(diǎn)、時(shí)鐘同步以及同站臺(tái)換乘等，需要根據(jù)地鐵實(shí)際情況加以分析，并得以解決。

2 TD-LTE技術(shù)在地鐵CBTC系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

CBTC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)部分稱為DCS（Data Communication System）系統(tǒng)，包括地面網(wǎng)絡(luò)和車地通信網(wǎng)絡(luò)，其車地通信網(wǎng)絡(luò)主要為軌旁ATP設(shè)備與車載ATP提供通信通道，DCS網(wǎng)絡(luò)采用冗余雙網(wǎng)設(shè)計(jì)，分別為A網(wǎng)和B網(wǎng)，兩張網(wǎng)絡(luò)完全獨(dú)立，互不影響。根據(jù)CBTC系統(tǒng)組網(wǎng)的特點(diǎn)，LTE系統(tǒng)劃分為中心設(shè)備（EPC）、車站設(shè)備（BBU）、軌旁設(shè)備（RRU）以及車載設(shè)備（TAU），LTE網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)如圖1所示。

2.2 功能劃分

LTE設(shè)備從邏輯上可以分為3個(gè)部分：核心層、接入層、終端層，各部分介紹如下。

核心層：包括核心網(wǎng)EPC設(shè)備，是整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵部分，完成無線傳輸數(shù)據(jù)的匯聚與分發(fā)，為它們提供可靠的雙向數(shù)據(jù)通信服務(wù)，所有的無線接入數(shù)據(jù)都需要通過核心層與外部系統(tǒng)通信；同時(shí)負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理與維護(hù)。

接入層：包括BBU和RRU設(shè)備，提供沿線無線接入服務(wù)，同時(shí)上行接入地面有線網(wǎng)絡(luò)，與核心層對接，完成對各業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸。

車載終端：由車載無線終端TAU組成，用于連接軌旁無線網(wǎng)絡(luò)。

另外，LTE設(shè)備需要使用漏泄電纜/天線方式發(fā)射/接收射頻信號(hào)；LTE設(shè)備工作需要嚴(yán)格的時(shí)鐘同步，確保基站射頻信號(hào)的時(shí)鐘和空口TDD同步。

3 TD-LTE系統(tǒng)地鐵應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 工程設(shè)計(jì)原則

CBTC系統(tǒng)對車地通信網(wǎng)絡(luò)需求，包括傳輸速率、傳輸時(shí)延、丟包率、切換中斷等，具體內(nèi)容如表1所示。

圖1 墓干TD-LTE的DCS車地通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)

表1 CBTC系統(tǒng)車地通信網(wǎng)絡(luò)需求分析

為確保車輛正常運(yùn)行，LTE信號(hào)需要覆蓋正線、出入段線、折返線、停車線、車輛段、試車線等，LTE系統(tǒng)需要按照以下原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

為保證車地?zé)o線通信不中斷，要求無線覆蓋的區(qū)域無線基站布置不應(yīng)有盲區(qū)，還應(yīng)考慮一定的重疊區(qū)；

為便于工程實(shí)施，雙網(wǎng)無線基站采用同站址組網(wǎng)方式；

在單洞單軌線路，上下行應(yīng)分別布置基站；

在單洞雙軌線路和地面線路，上下行可以采用同一個(gè)基站；

無線基站布置應(yīng)考慮其他系統(tǒng)的無線干擾；

隧道內(nèi)有效站臺(tái)區(qū)域無線基站布置應(yīng)避免遮擋信號(hào)機(jī)；

由于地鐵線路大多數(shù)存在隧道，在高架段為了降低干擾，在正線采用漏泄電纜作為LTE設(shè)備的發(fā)射載體；

在地鐵車輛段以及咽喉區(qū)，由于漏泄電纜安裝受到限制，可以根據(jù)實(shí)際安裝條件，采用天線方式發(fā)射信號(hào)；

對于折返線、停車線使用功分器，將正線信號(hào)引入需要覆蓋的區(qū)域，并且適當(dāng)縮短正線覆蓋距離。

3.2 頻率規(guī)劃

工信部無［2015］65號(hào)文件已重新發(fā)布1 785～1 805 MHz頻段的使用規(guī)定，可用于本地城市軌道交通等，各城市可以根據(jù)實(shí)際情況，規(guī)劃頻點(diǎn)使用。LTE系統(tǒng)的頻段寬度可選參數(shù)為1.4、3、5、10、15、20 M，可以選擇以上參數(shù)使用，但是頻率資源作為一種稀缺資源，1 785～1 805 MHz中的部分頻段可能已經(jīng)被電力、石油等行業(yè)使用，當(dāng)?shù)罔FCBTC應(yīng)用單獨(dú)組網(wǎng)時(shí)，可以結(jié)合地鐵CBTC應(yīng)用傳輸速率低的特點(diǎn)，使用3 M或者5 M組網(wǎng)，降低對頻率資源的使用率，更好的適配線路當(dāng)?shù)厥褂们闆r。

3.3 同站臺(tái)換乘

換乘車站分為兩種情況，同層換乘和非同層換乘。對于不是同層換乘的車站，因?yàn)檐壍谰€路不在同一層，具備空間隔離，不存在不同線路的LTE系統(tǒng)之間的干擾問題，在這里不做贅述。本方案重點(diǎn)考慮同層換乘情況下實(shí)施方案，核心的思想是工程與系統(tǒng)相結(jié)合，主要有3種方式來實(shí)現(xiàn)同層換乘下的無線部署。

1）空間隔離

同層換乘時(shí)，盡量采用空間隔離，不同線路的LTE發(fā)射信號(hào)采取等電平配置來解決干擾問題，此時(shí)空間隔離的干擾裕量為20 lg（D/d），如果取d=2 m，D=10 m，20 lg（D/d）=14 dB。設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮降低車載天線安裝位置到站臺(tái)下方，或安裝到車頂上方隧道頂部，有效利用站臺(tái)地面、天花板、屏蔽門、車體等障礙實(shí)現(xiàn)空間隔離，一般情況下隔離度可以達(dá)到10～15 dB，那么總體上的隔離度可以達(dá)到25 dB，滿足LTE系統(tǒng)對SINR裕量的要求。

2）異頻配置

在一些條件下，可以將同層兩條線路的頻率帶寬縮小，采用異頻配置以減少頻率干擾，如圖2所示。

圖2 異頻隔離示意圖

例如，地下線路可以申請20 MHz頻率，圖2 中F1可以設(shè)置為20 MHz，F(xiàn)2和F3可以設(shè)置為兩個(gè)10 MHz異頻。異頻配置會(huì)降低小區(qū)容量，可以通過縮小站臺(tái)小區(qū)半徑來避免涌入過多車輛，這里將F2和F3覆蓋半徑設(shè)計(jì)比站臺(tái)長度略大，可以按照300～400 m考慮，這樣只需要考慮容納一輛列車，對帶寬要求降低，F(xiàn)1都是正常半徑的小區(qū)。

3）系統(tǒng)間切換

如圖3所示，線路1首先建成，車站同層換乘的站臺(tái)層全部采用線路1基站覆蓋。在建設(shè)線路2時(shí)，站臺(tái)層不部署覆蓋，線路2的區(qū)間覆蓋與線路1形成的站臺(tái)覆蓋之間有一定重疊區(qū)，在重疊區(qū)內(nèi)車載LTE設(shè)備切換到線路1的站臺(tái)覆蓋上，由線路1的LTE系統(tǒng)提供業(yè)務(wù)通道。

圖3 漫游切換示意圖

使用此方案，需要線路之間的互聯(lián)互通，隨著LTE-M標(biāo)準(zhǔn)化工作的推進(jìn)，這一方案的可行性將逐步提高。

3.4 時(shí)鐘同步

在TD-LTE系統(tǒng)中，為了保證基站無線信號(hào)的時(shí)鐘和空口TDD同步，基站需要接入同步時(shí)鐘源。基站工作在多時(shí)鐘同步模式下，可以方便、靈活的選取系統(tǒng)時(shí)鐘源。當(dāng)一個(gè)時(shí)鐘源失效時(shí)，系統(tǒng)時(shí)鐘可以手動(dòng)或自動(dòng)切換到另一個(gè)可用時(shí)鐘源上。LTE系統(tǒng)對時(shí)鐘的要求很高，要求時(shí)鐘精度達(dá)到納秒級別。

目前常用的時(shí)鐘為GPS，但隨著城市的發(fā)展，以及地鐵建設(shè)的特點(diǎn)，樓宇等高層建筑越來越多，而地鐵站出口往往都修建在較低的地段，GPS天線的安裝受到影響，在天氣較差的情況下，GPS設(shè)備的可靠性受到影響。

1588V2時(shí)鐘同步模式能夠解決這一問題，基于分組包的同步技術(shù)（簡稱PTP協(xié)議）是一種主從同步系統(tǒng)，只需在主鐘位置設(shè)置GPS/北斗接收天線，通過交換網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散同步信息至從鐘，從而為異地設(shè)備提供時(shí)鐘信號(hào)。主時(shí)鐘周期性發(fā)布PTP時(shí)間同步協(xié)議及時(shí)間信息，從時(shí)鐘端口接收主時(shí)鐘端口發(fā)來的時(shí)間戳信息，系統(tǒng)據(jù)此計(jì)算出主從線路時(shí)間延遲及主從時(shí)間差，并利用該時(shí)間差調(diào)整本地時(shí)間，使從設(shè)備時(shí)間保持與主設(shè)備時(shí)間一致的頻率與相位，確保TD-LTE設(shè)備時(shí)鐘同步。

使用1588V2設(shè)備，需要在中心/車輛段等空間相對開闊的地段設(shè)置主鐘，加設(shè)GPS天線；在車站設(shè)置從鐘，為LTE基站設(shè)備提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。1588V2協(xié)議的使用，需要使用能夠支持1588V2協(xié)議傳播的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備。

由于GPS技術(shù)應(yīng)用成熟，而1588V2時(shí)鐘設(shè)備商用較少，缺少維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，因此可采用GPS為主用時(shí)鐘，1588V2作為備用時(shí)鐘，當(dāng)GPS失效時(shí)，由1588V2時(shí)鐘為TD-LTE設(shè)備提供時(shí)鐘。

3.5 互聯(lián)互通

隨著地鐵控制技術(shù)的不斷發(fā)展，地鐵線路間的互聯(lián)互通需求成為發(fā)展趨勢，而車地通信層面的互聯(lián)互通，是地鐵互聯(lián)互通中不可或缺的一環(huán)。

線路間的互聯(lián)互通，要求線路A的列車，能夠在不切換模式并且不緊急制動(dòng)的情況下，正常進(jìn)入線路B，實(shí)現(xiàn)線路A/B之間的互聯(lián)互通。在這種條件下，車載TAU設(shè)備在不同線路的RRU之間切換，切換中斷時(shí)間需要小于2.4 s，以保證CBTC系統(tǒng)不觸發(fā)緊急制動(dòng)。

跨線組網(wǎng)方案涉及的網(wǎng)元有PGW、SGW、MME、HSS、eNodeB、TAU及VOBC，共用一個(gè)HSS，其中核心網(wǎng)包括PGW、SGW、MME、HSS四個(gè)單元模塊。TAU跨線切換時(shí)，eNodeB、MME、SGW需要切換，PGW保持不變。

CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通數(shù)據(jù)示意如圖4所示。

圖4 TD-LTE跨線運(yùn)行數(shù)據(jù)流

4 結(jié)論

TD-LTE與地鐵CBTC技術(shù)的結(jié)合，能夠提高CBTC的抗干擾性，降低民用通信設(shè)備對CBTC系統(tǒng)的影響，提高運(yùn)行安全性。與WLAN產(chǎn)品相比，主流通信廠商的LTE產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通，各線路的無線網(wǎng)絡(luò)，不僅能夠接入本線車輛，還能夠?yàn)槠渌€路的車輛提供無線接入服務(wù)，為線路間的互聯(lián)互通提供通信基礎(chǔ)。TD-LTE技術(shù)與CBTC系統(tǒng)的組合，能夠有效提高CBTC系統(tǒng)的可靠性及通用性。

因此，TD-LTE技術(shù)相對于既有的WLAN技術(shù)，具有不可比擬的優(yōu)勢，LTE技術(shù)將在地鐵CBTC系統(tǒng)建設(shè)中，充當(dāng)更加重要的角色。

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This paper introduces the application of TD-LTE technology in metro CBTC system， analyzes the key technical problems， and presents the solutions accordingly.

TD-LTE； application in CBTC system； key technical； solution

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.05.017

（2016-04-06）