基于TDD-LTE技術的城市軌道交通車地無線通信網絡化技術

黃 輝

(卡斯柯信號有限公司,200071,上海∥工程師)

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基于TDD-LTE技術的城市軌道交通車地無線通信網絡化技術

黃 輝

(卡斯柯信號有限公司,200071,上海∥工程師)

近年來,我國城市軌道交通發展迅速,已步入網絡化建設和運營階段。在無線通信系統網絡化方面,TDD-LTE(時分雙工-長期演進)技術在城市軌道交通車地無線通信中的應用也是時下的熱點。分析了TDD-LTE技術的優勢和特點，基于TDD-LTE技術在城市軌道交通車地無線通信系統中的應用,提出建立互聯互通車地無線通信網絡的方案，并從上層傳輸網絡的建立、LTE核心網的布置、LTE網絡的互聯互通和列車的互聯互通等四個方面,對這一方案進行初步研究,為城市軌道交通無線通信網絡的長期技術演進提供參考。

城市軌道交通； 車地無線通信; 互聯互通； TDD-LTE技術

Author′s address CASCO Signal Co.,Ltd.,200071,Shanghai,China

由于我國各城市的規模、社會經濟發展水平不同,使得各城市的軌道交通建設發展有較大差異,但在行業發展的趨勢下,在建及擬建軌道交通的城市目前都已樹立了網絡化建設的理念,編制了城市軌道交通網絡規劃。截止2010年底,我國已有近50個城市編制了軌道交通網絡規劃,并陸續編制建設規劃,用以指導軌道交通的網絡化建設。本文基于TDD-LTE(時分雙工-長期演進)技術在軌道交通車地無線通信系統中的應用分析，提出利用LTE技術優勢和特點建立城市軌道交通互聯互通無線通信網絡，并討論其可行性，從而為城市軌道交通無線通信網絡的長期技術演進提供參考。

1 城市軌道交通無線通信系統網絡化目標及內容

城市軌道交通網絡化的主要內容是形成網絡規劃、建設、運營、城市發展的良性循環。文獻[2]中關于無線網絡技術支撐體系方面的目標和內容為:

(1) 解決網絡無線通信系統的互聯互通；

(2) 結合各城市軌道交通路網和控制中心規劃,解決無線交換組網架構、分布實施方案，以及基于系統網絡架構的路網無線頻點的統一規劃、編號計劃、網絡無線通信的互聯互通技術標準。

軌道交通網絡化，要求無線通信系統也實現互聯互通,最終形成網絡化。因為CBTC(基于通信的列車控制)信號系統中,無線通信系統的主要功能是為軌旁和車載CBTC系統提供可靠、持續、雙向的冗余通信通道。

2 TDD-LTE技術在軌道交通無線通信系統中的應用分析

2.1 城市軌道交通無線通信系統現狀

當前,軌道交通無線通信系統主要由TETRA(地面集群無線電)和WiFi(無線局域網)網絡來承載。其中，TETRA主要提供語音調度；WiFi負責信號CBTC系統承載和PIS(乘客信息系統)等數據業務。CBTC系統、PIS、CCTV(閉路電視)監控系統使用的無線通信制式是基于IEEE 802.11a/b/g系列標準,在工作頻段上使用的是開放、免授權的2.4 GHz ISM(工業，科學，醫療)頻段。由于各CBTC系統廠商使用的無線技術標準不同,有跳頻擴頻(FHSS)、直接序列擴頻(DSSS)及正交頻分復用(OFDM)技術,使得無線通信系統網絡的互聯互通無法實現。

2.2 LTE技術特點

2013年底,工信部向國內移動通信運營商頒發了LTE/第四代數字蜂窩移動通信業務(TDD-LTE)經營許可,由此揭開了LTE技術在我國商用的大幕。TDD-LTE作為我國具有自主知識產權的技術,具有以下優勢[3]:

(1) 通信速率有了提高,下行峰值速率為100 Mbit/s、上行為50 Mbit/s;

(2) 提高了頻譜效率,下行鏈路5 (bit/s)/ Hz,上行鏈路2.5 (bit/s)/ Hz;

(3) 由于使用專用頻段規避干擾,以及采用ICIC(小區間干擾協調)等專業技術,系統抗干擾能力顯著提高;

(4) QoS(業務服務質量)保證,通過系統設計和嚴格的QoS機制,保證CBTC信號業務或者實時業務(如VoIP)的服務質量;

(5) 系統部署靈活,能夠支持5 MHz、10 MHz、15 MHz和20 MHz等多種系統帶寬;

(6) 高速度適應性,滿足更高速度(大于200 km/h)下的系統吞吐量性能。

正是因為LTE具有眾多的技術優勢,使得其替代WiFi技術服務于城市軌道交通車地無線通信業務成為一種發展趨勢。

2.3 基于TDD-LTE技術的城市軌道交通車地無線通信綜合承載網絡

目前，在城市軌道交通業務中,CBTC系統、PIS系統以及CCTV系統是各自建立獨立的WiFi網絡來進行承載,建設成本較大,維護管理較為分散。圖1為LTE與WiFi的對比，可見LTE相比WiFi更適用于車地無線通信綜合承載。

隨著車地無線通信業務的發展需求,可利用LTE技術建立車地無線通信綜合承載網絡,在此網絡上可承載CBTC、PIS(包括緊急文本的下發)、CCTV和列車狀態信息等業務,甚至還可兼容數字集群業務(TETRA系統),如圖2所示。該網絡以精細化分級業務管理QoS機制保證CBTC系統重要數據高優先級,確保進行低時延、低丟包率的端到端傳輸；各城市在建設軌道交通無線網絡時,可根據需求選擇具體承載的業務,使用靈活性高；其融合了多個WiFi網絡,可以較好地降低建設成本,提高管理效率。

圖1 LTE與WiFi技術對比示意圖

CBTC、PIS和CCTV等系統對數據傳輸的安全性和可靠性要求不同,應考慮各系統的特點及性能要求,通過LTE的QoS機制對其進行分級管理。表1給出了各業務的優先級建議,作為參考。

3 應用TDD-LTE的互聯互通無線通信網絡

隨著新一代通信技術的發展,當LTE技術在城市軌道交通新線建設和既有老線改造中的車地無線通信網絡中得到廣泛應用時,就具備條件進行無線通信網絡互聯互通的規劃和建設。

注：BBU—基帶處理單元；TAU—列車接入單元；LCD—液晶顯示器；ATO—列車自動運行；ATP—列車自動防護

序號業務類型QCI(業務質量等級標志)資源類型優先級分組數據最大延時/ms分組數據誤碼率1CBTC1GBR(保證比特率)210010-22CCTV6Non-GBR(非保證比特率)630010-63PIS6Non-GBR630010-6

建立城市軌道交通互聯互通的無線通信系統網絡需要長期詳細的規劃,首先需在各條線路之間建立一張連通的上層傳輸網絡,其次需考慮LTE核心網的布置,以及如何實現同時管理各條線路的基站,進而實現無線網絡的互聯互通。

3.1 各條線路之間的連通網絡

在TDD-LTE技術應用于城市軌道交通車地無線通信系統的基礎上,結合城市軌道交通路網和控制指揮中心規劃,建立上層傳輸網絡,將城市軌道交通路網中各條線路的運營控制中心(OCC)連通起來。為了實現以上網絡規劃,在一些大城市,已經開始建設網絡運營監控中心(COCC)項目,將各條線路的OCC連接起來,便于統一管理。如圖3所示。

在上海,為了適應軌道交通網絡化發展的目標,建立了滿足網絡化運營管理要求的綜合系統。隨著COCC一期、二期工程的建設,COCC已接入了上海軌道交通1～11號線,尚有新建線路和延伸線路的正線信息需要接入COCC和備用COCC中,這些新建線路的停車場信息也要接入COCC[5]。 LTE系統的上層傳輸網絡建設可以參照COCC項目。

圖3 連通的COCC網絡

3.2 LTE核心網的布置

核心網的布置也是一個逐步規劃的過程。在無線通信系統網絡化初期,為了便于實現各線路的互聯互通,在各條線路的OCC設置一臺LTE核心網,管理各條線路的無線基站和車載終端。各線路OCC的LTE核心網之間可通過建設類似于COCC項目的上層傳輸網絡實現互聯互通。雖然在城市軌道交通建設中各條線路的LTE網絡供應商可能不同,但各廠商都按照LTE標準開發,車載終端接入不同的核心網是可以實現的,就如同手機終端可在不同運營商網絡或同一運營商的不同地方網絡之間進行漫游。車載終端的典型漫游架構如圖4所示。

注：VPLMN—拜訪公眾陸地移動網；HPLMN—本地公眾陸地移動網；EPC—演進型分組核心網；S-GW—業務網關；eNodeB—演進的NodeB；MME—移動性管理實體；P-GW—PDN(公用數據網)網關；UE—用戶終端

圖4 車載終端的漫游架構

3.3 LTE網絡的互聯互通

在各條線路互聯互通建設過程中,各線路還是需要分別設立LTE核心網(見圖4)。若是能解決不同廠商核心網與基站eNodeB(簡為“eNB”)之間的互聯互通問題,就可以在類似于COCC的項目中設置一套核心網,同時管理各條線路的基站。從核心網側來說,其容量比較大；而對于基站設備,因其發射功率較大,配合使用漏纜傳輸,一個基站的無線覆蓋距離相比WiFi技術下一個AP(無線接入點)的無線覆蓋距離有明顯提高,可達到1 km以上,因此每條線路需設置的基站數量并不多。基于以上分析,一套核心網設備完全可同時管理各條線路的基站,主要問題是各廠商對于核心網與基站之間的接口有一些自定義開發,導致不同廠商的核心網與基站之間的互聯效果不好。而在國內公網運營商4G網絡中,都是通過核心網互聯來實現的。基于目前LTE產品現狀,各廠商均需在COCC設置一套核心網絡,管理本線路的基站設備,如圖5所示。從長遠發展來看,隨著LTE技術在軌道交通中應用標準的制定,出于對各條線路的運營維護和互聯互通問題的考慮,必須要實現基站與核心網之間的互聯互通功能。

3.4 列車的互聯互通

無線通信系統的互聯互通,還要解決移動列車的互聯互通。即列車在跨不同線路移動過程中的切換。可開放各廠商核心網之間的接口,就如同公網中的漫游切換,或者將廠商A和廠商B的設備設置為相同PLMN(公眾陸地移動網)組網,如圖6所示。

圖5 LTE網絡的互聯互通

圖6 列車的互聯互通

車載終端連接在廠商A基站上,并獲得廠商A基站下發的臨區測量列表,其中包括廠商B基站的小區測量信息。車載終端移動到廠商A基站和廠商B基站的重疊覆蓋區域,并測量重選到廠商B基站。以開放核心網之間接口來實現跨線切換的組網方案,其切換效果與同一LTE網絡中基站間的切換效果類似,可滿足軌道交通車地無線業務的需求。

4 結語

在城市軌道交通領域,TDD-LTE技術給多個系統的融合提供了統一平臺的可能性,綜合業務的承載將促使軌道交通無線通信網絡更加便捷、經濟、高效。本文基于TDD-LTE技術在城市軌道交通車地無線通信系統中的應用,提出建設城市軌道交通互聯互通無線網絡方案,并討論其可行性,從而為軌道交通無線通信網絡的長期技術演進提供參考。

[1] 李繼成.上海市的延安路、西藏路上或建設現代有軌電車[N].東方早報,2014-05-31(A02).

[2] 利敏.我國城市軌道交通關鍵技術對策研究報告[EB/OL].(2013-06-27)[2015-02-19].http:∥wenku.baidu.com/view/1a7b5253b307e87101f69674.html.

[3] 韓濤.4G技術TD-LTE無線通信在信號系統中的應用研究報告[R].上海:卡斯柯信號有限公司,2013.

[4] 劉輝.基于TD-LTE的GoTa 4G地鐵解決方案[R].南京:中興高達技術有限公司,2014.

[5] 司培河.上海軌道交通新五線與COCC接入項目ATS技術方案[R].上海:卡斯柯信號有限公司,2012.

Networking of Metro Wireless Communication System Based on TDD LTE Technology

HUANG Hui

In recent years, the development of urban rail transit construction in China has entered the network construction and operation stage. In wireless communication system networking, the application of TDD LTE technology in rail transit wireless communication has become a hot topic. In this paper, the advantages and features of TDD LTE technology are analyzed, on this basis, a train/ground wireless communication scheme is proposed, a preliminary research to this solution is conducted from 4 aspects: the establishment of upper transport network, the core network layout, the LTE network interconnection and the train/ground communication interconnection. This research could provide some

for the long term technology evolution (LTE) in rail transit wireless communication network.

urban rail transit; train/ground wireless communication; interconnection; TDD LTE technology

U 231.7

10.16037/j.1007-869x.2016.04.007

2015-02-19)