LTE技術在城市軌道交通車地通信中的應用

顧蔡君

（中國鐵路通信信號上海工程局集團有限公司，上海 200436）

城市軌道的安全高效運營需要諸多系統共同協調工作，車地無線通信系統是實現列車控制與運行的重要系統之一。城市軌道交通車地無線通信系統主要由基于通信的列車運行控制（CBTC）、乘客信息系統（PIS）和閉路電視監控（CCTV）等系統組成。目前，它們絕大數依靠運行在公共開放頻段的無線局域網（WLAN）技術。實踐證明，采用WLAN技術構建的車地無線通信網絡是符合城市軌道交通運輸效率高、安全可靠性高、運營組織與控制自動化程度高等需求的最佳技術手段之一[1]。然而WLAN技術也存在某些不可避免的缺陷。例如，WLAN一般工作在2.4 G/5.8 G頻段，屬于免費頻段，很難避免同樣工作在此免費頻段的民用Wi-Fi設備造成的同頻干擾，這就直接影響正常的車地無線通信。另外，WLAN技術并不是針對高速移動而研發的技術。近些年來，深圳地鐵2號線和5號線曾因為車地無線通信系統受到干擾影響而觸發了區間內的多次緊急制動，造成諸多乘客滯留車站，給社會帶來嚴重的影響[2]。再者，WLAN網絡的覆蓋區域有限，對于單個無線接入點（AP）來說，無線信號只能覆蓋200 m的軌道區間范圍，嚴重增加施工難度和后期工程維護成本。

為從根本上解決目前車地無線通信中的干擾問題，中國城市軌道交通協會近些年來已經開始著手規劃軌道交通專用頻率的工作，一直致力于引入新技術來建立高寬帶、抗干擾能力強、高移動性、高擴展性、高可靠性的車地無線傳輸系統。伴隨第四代移動通信LTE技術的成熟應用，基于LTE技術的車地無線通信系統受到關注，并逐漸完善和成熟。LTE是由第三代合作伙伴計劃（3GPP）主導的無線通信技術的演進，主要采用正交頻分復用（OFDM）、多輸入多輸出（MIMO）、自適應調制編碼（AMC）及混合反饋重發（HARQ）等技術[3]。LTE技術依靠其業務可靠性高、抗干擾能力強、移動接入性強、長區間覆蓋、終端掉線率低、維護簡單等方面的優點[4]，可以成為適合城市軌道交通運行的通信系統。本文提出基于LTE技術的城市軌道交通車地無線通信平臺的設計方案，旨在為城市軌道交通的車地通信綜合業務承載提供更有力的指導和參考。

1 LTE的技術優勢分析

LTE的設計初衷主要著眼于滿足高帶寬的要求。在20 MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100 Mbit/s與上行50 Mbit/s的峰值速率。LTE基于MIMO、OFDM、HARQ等先進技術，顯著提高了頻譜效率、傳輸速率和抗干擾能力[5]。TD-LTE是時分復用（TDD）的LTE技術，它是一種專門為移動寬帶應用而設計的無線通信標準，是中國擁有核心自主知識產權的第四代移動通信技術（4G）國際通信技術標準。TD-LTE為減少控制平面和用戶平面的時延，采用扁平化的網絡結構，能夠提供優先級調度和高速移動性支持，并通過抗干擾技術（如小區間干擾協調（ICIC）技術、干擾抑制合并（IRC）技術等）和安全機制（如用于空口加密的國產祖沖之算法等）保證無線數據傳輸的安全性和可靠性。

目前國內進行TD-LTE產品研發生產的廠家主要有華為、中興、烽火、普天和信威等，各廠家的LTE產品已經商用化多年，并在民用通信、政務網等通信業務領域提供了優質通信服務，其產品平臺已成熟化。TD-LTE無線傳輸技術與WLAN傳輸技術相比具備完善的服務質量（QoS）保障機制。另外在數據鏈路層設計引入了不同于WLAN自由競爭的接入技術，從而使業務信息的傳輸穩定性較無線局域網技術有了較大幅度的提升。與WLAN技術相比，LTE的技術優勢具體表現在如下幾個方面。

1.1 抗干擾能力強

WLAN網絡由于工作在開放頻段，難以避免干擾；而LTE網絡運行在專有頻段，具備系統內完善的抗干擾機制。LTE主要基于IRC、ICIC等抗干擾技術，解決系統內的干擾問題，能夠發揮毫秒級的調度機制，有效提高小區吞吐率，并降低小區邊緣頻率干擾。

1.2 移動接入性強

WLAN的定位初衷是覆蓋辦公、機場、賓館等場所區域，旨在解決網絡布線的問題，其協議標準確定了支持步行運動的慢速移動；而LTE基于抗頻偏的算法，能夠支持350 km/h的高速移動速度。LTE在上海磁懸浮得到的驗證，說明其完全可以滿足地鐵移動速度的要求。

1.3 覆蓋區域廣

與WLAN相比，LTE由于工作在專有頻段且采用了先進的信號處理技術，使得LTE設備的發射功率大幅提升，從而擴大了其網絡覆蓋區域。LTE的每個基站射頻處理單元（RRU）覆蓋區域可以達到1 km以上。

與WLAN平均每200 m就要設置一個AP設備來說，1 km的覆蓋范圍大幅度減少了軌旁設備布設，設備量大大減少，便于后期的運營維護[6]。

1.4 QoS保障

LTE系統為指示不同業務的QoS（傳輸延時、丟包率、誤碼率等）特征，針對不同的業務承載類型，定義9個標準的服務質量等級標識（QCI）屬性。其中，標準QCI對應的參數是在各個設備中預先配置的，每個QCI與一組參數相對應，具體分配如表1所示。

表1 LTE系統QCI等級

表1中，保證比三特速率(Guaranteed Bit Rate，GBR)為保證帶寬，表示系統能夠保證業務承載的最小帶寬；Non-GBR則與此相反，是指沒有配置保證帶寬的承載，當網絡出現擁堵的情況下，該承載的帶寬并不能被保障。

2 城市軌道交通車地無線綜合承載需求

城市軌道交通中的車地無線通信綜合傳輸平臺一般需承載CBTC、PIS、CCTV和列車運行狀態監視系統等4項基本業務。車地無線通信傳輸系統能夠在列車高速行駛過程中，提供低時延、高寬帶、穩定性較強，并且具有QoS機制的列車運行控制信息、PIS/CCTV信息的車地無線數據業務承載。

CBTC技術主要涉及自動化控制技術、計算機技術以及無線電通信技術。CBTC車地無線通信系統支撐實現車載信號設備、軌旁信號設備、車站設備以及控制中心設備之間的點對點、點對多點的信息連續交換功能，從而實現移動閉塞系統[7-8]。CBTC系統要實現對列車運行的高效安全控制，大容量、雙向連續的車地數據通信系統應具備幾點要求：1）車地無線網絡覆蓋范圍包括正線車站及區間、折返線、存/停車線、渡線區域；2）采用A/B雙網覆蓋，物理上完全冗余，確保信號系統的安全性不受單點故障影響；3）車載無線單元與基站之間在傳遞數據前，須建立授權并關聯；4）車頭、車尾分別提供與A、B網的無線傳輸通道。單網傳輸速率上下行至少達到100 kbit/s；單網信息丟包率應低于1%，單網信息誤碼率小于10-6；單網跨區切換時間為100 ms以內，信息經有線和無線網絡的時延應在150 ms以內；應實現不低于120 km/h運行速度下車地實時雙向通信。

PIS系統主要承載車載PIS直播業務（含緊急文本業務），通過車載PIS顯示終端實時顯示媒體新聞、乘車須知、政府公告、賽事直播等服務信息。按照規范，PIS視頻信息流需采用720P以上標清碼流，每路圖像帶寬需求為下行4～6 Mbit/s，傳輸時延要求不超過300 ms。緊急文本為上行信息，按照點對點通信方式傳輸，帶寬需求為10 kbit/s。

車載CCTV系統需能保證列車車廂內部情況得到有效可靠地監控，并將相關情況以圖像方式實施錄像，同時基于車地通信網絡實時回傳給控制中心（OCC）。當列車在正線運營過程中，全線需向OCC傳送2路客室監控圖像信息，監控圖像最大分辨率不低于720P。根據使用要求和覆蓋情況，每路圖像的傳輸碼率應為1～2 Mbit/s。

列車運行狀態監視系統業務為周期性數據，需能夠進行點對點傳輸，要求傳輸時延不超過300 ms的概率不小于98%。另外，列車運行狀態監視業務要求上行每路寬帶傳輸速率不小于24 kbit/s，最大傳輸速率100 kbit/s，信息丟包率應低于1%。

城市軌道交通車地通信業務承載需求如表2所示。

表2 城市軌道交通車地通信業務承載需求匯總

3 基于LTE技術的車地無線傳輸通信

綜上所述，城市軌道交通車地無線傳輸通信系統可采用大帶寬、低時延、高可靠性的LTE技術進行構建和設計，同時滿足CBTC、CCTV、PIS等系統業務數據信息的綜合承載需求。

3.1 總體方案設計

應用LTE技術進行組建的車地無線傳輸通信系統整體架構，如圖1所示。

TD-LTE系統的基本構成包括核心網設備（EPC）、車載無線終端設備（TAU）、網管設備、基站系統、天饋系統、漏泄同軸電纜等設備，其中基站系統主要由基站基帶處理單元（BBU）和基站射頻處理單元（RRU）組成。TD-LTE采用冗余設計架構，因此考慮采用A/B雙網覆蓋方式，如圖1所示。A/B雙網采用獨立網絡方式，每張網內各有1套核心網和基站系統，完全覆蓋行車區域，因此A/B雙網共需要設置2套核心網和基站系統，A/B雙網的基站天饋接口通過合路器匯接后與泄漏電纜或天線連接，實現無線信號的覆蓋。

控制中心機房部署無線核心網和網管等設備，通過LTE軌旁以太網與車站連接。CBTC服務器基于以太網交換機接口將計算機聯鎖系統（CI）、區域控制器（ZC）、列車自動監控系統（ATS）等信號系統的相關信息通過TD-LTE無線網絡傳送到列車上。

車輛段、停車場、設備集中站以及試車線主要部署無線基站BBU，LTE基站通過以太網接入車站網絡交換機，通過LTE軌旁以太網與無線核心網和網管連接。在未部署BBU的車站，無線網信號的覆蓋主要依靠相鄰設備集中站的BBU接入實現。

在作為車輛通行通道的軌旁站臺區域，主要部署LTE的RRU設備，覆蓋站臺鄰邊區域。在高架以及隧道軌旁主要布置RRU和漏纜（1.8 GHz）等設備；車輛段分布較多道岔，是列車編組以及檢修的地方，一般布置RRU、BBU等設備，采用天線進行覆蓋。

試車線與正線共用核心網，無線側物理設備區分，分別部署1套雙網，利用虛擬專用網（VPN）隔離。

在列車車頭，車尾的司機室分別部署2個TDLTE系統的車載終端TAU，這2套TAU分別駐留在A/B網上。TAU天線安裝在司機車廂外側上方或側面，并控制與漏纜盡量短的距離以及視線的無遮擋，保持良好無線傳輸。TAU通過以太網接口與車載列車自動防護系統/列車自動駕駛系統（ATP/ATO）和PIS/CCTV連接，傳輸信號系統的控制信息、列車狀態、PIS/CCTV及票務等信息。

3.2 業務承載設計

對CBTC業務來說，需要在單點故障（核心網、基站、車載無線主機或者傳輸鏈路故障）下確保業務不間斷地傳輸。

要實現CBTC車地數據的連續穩定傳輸，CBTC業務系統需確保數據信息的雙份冗余及處理。CBTC業務系統在發送端對一樣的數據采取發送2份信息的方法，在接收端CBTC業務系統獲得2份信息，只要正確接收到其中1份信息，就可以正確獲取發送端的數據。

基于CBTC業務系統傳輸車地數據的特征，LTE網絡可以采取A/B獨立雙網的冗余設計結構來承載CBTC等系統業務。A/B獨立雙網主要由A/B雙核心網和A/B無線雙網組成。

A/B無線雙網能夠保證在軌旁由2張無線網絡進行無線信號的冗余覆蓋。A/B無線網絡分別基于不一樣的頻點F1和F2進行交織組網，如圖2所示。而A無線網絡和B無線網絡均采用同頻組網的方式。A/B雙核心網即是2個獨立的核心網。A無線網和A核心網構成能夠進行點到點通信的LTE-A 網絡，B無線網和B核心網構成能夠進行點到點通信的LTE-B網絡。無線網絡的無線信號覆蓋通過共用漏纜來完成。

根據城市軌道交通車地無線綜合業務承載不同業務的要求，結合LTE對優先級和服務質量分類，將各業務的優先級和服務質量（延時、丟包等）定義如表3所示。基于LTE網絡的QoS保障策略，需為CBTC業務分配最需要的優先級，從而滿足CBTC業務的速率、時延和丟包率要求，因此將CBTC業務設置為GBR承載類型并賦予其相對較高的優先級；CCTV和PIS業務可以設置為Non-GBR承載類型，并賦予其較低的優先級，這樣即使在一張網絡中同時傳輸CBTC、CCTV及PIS業務，當網絡通道擁塞時，也會優先保證CBTC業務信息的順利傳輸。

表3 業務QCI劃分

3.3 測試方法和手段

為了驗證采用LTE技術設計的城市軌道交通車地無線通信系統的應用可行性，需要在真實的軌道線路現場實施測試。測試基本流程：首先，LTE的組網方式基于實際工程進行構建，測試LTE系統在真實環境中的各項性能是否達標；其次，當完成LTE系統的各項性能指標測試后，分析該LTE系統是否能夠滿足當前城市軌道交通車地無線通信的綜合承載業務需求；最后，基于結果分析，判斷LTE技術在城市軌道交通車地通信中應用是否具備現實可行性。

因測試要求，基于LTE技術的車地無線傳輸通信系統采用A/B雙網、全線冗余覆蓋的組網結構進行搭建，一同承載測試CBTC等業務數據。如果能申請到20 MHz的頻寬資源，則可用15 MHz和5 MHz分成A/B雙網組網或兩個10 MHz組成A/B雙網，兩種組網方式及業務承載如表4所示。LTE系統的每個網絡都含有核心網、BBU、RRU以及車載無線終端等設備。基站基帶處理單元與2套LTE的EPC主要通過以太網交換機進行連接，與軌旁的RRU主要通過光纜進行連接。

表4 A/B組網方式及業務承載

測試手段可以采用業界著名的Ixchariot工具，服務器端設置在地面，分別在車載和地面布置測試節點。LTE的CBTC、CCTV和PIS的業務承載測試內容基本包含列車狀態信息靜態測試、傳輸延時性能測試、丟包性能測試、切換延時性能測試、切換丟包性能測試、傳輸中斷概率測試、擁塞場景性能測試、干擾性能測試和異頻異帶寬切換場景測試等。

4 結束語

綜上分析，無論是抗干擾能力、可維護性還是服務質量，LTE相比WLAN都有很大的優點和潛力。采用LTE技術設計的城市軌道交通車地無線通信系統，滿足承載CBTC、CCTV、PIS等業務信息的綜合需求，為城市軌道交通的高效運營提供有力的保障。當然，LTE近些年來才在城市軌道交通綜合承載中獲得應用，在一些方面和領域還需要改進和提高，比如各廠家互聯互通、切換邊緣速率低等問題。可以預見，未來城市軌道交通領域是LTE最重要的應用市場之一。

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