城市軌道交通長期演進(LTE)綜合承載系統(tǒng)的可靠性設計

劉懂懂

(寧波市軌道交通集團有限公司建設分公司，315010，寧波//工程師)

車地通信系統(tǒng)是城市軌道交通信息通信網(wǎng)的重要組成部分。車地無線通信主要以WLAN(無線局域網(wǎng))來承載。但近年來，由于WLAN采用ISM(工業(yè)、科學和醫(yī)學)頻段，存在干擾源多、安全性差、可靠性低、切換頻繁、覆蓋難及移動場景帶寬低等問題。為此，研究人員在不斷尋求適應性更強的車地無線通信方法。

LTE(長期演進)可提供高速環(huán)境下的移動性支持以及綜合承載時的業(yè)務優(yōu)先級管理，還可采用一定的安全機制和抗干擾技術，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕哂写髱?、高移動性、強抗干擾能力、強擴展性、長區(qū)間覆蓋等特點。寧波軌道交通建設的車地寬帶無線網(wǎng)絡使用1.8 GHz(1 790 MHz～1 800 MHz)頻段，但受無線頻譜資源限制，僅允許使用10 MHz頻譜帶寬。根據(jù)寧波軌道交通的規(guī)劃，LTE通信網(wǎng)絡主要承載CBTC(基于通信的列車控制)及無線集群調(diào)度業(yè)務。

1 車地無線通信的可靠性要求

CBTC是城市軌道交通核心系統(tǒng)之一，為保障列車的安全運行起到了關鍵作用，通常稱為安全苛求系統(tǒng)(Safety Critical System)。CBTC對車地通信的可靠性和安全性要求極為苛刻。

無線集群業(yè)務主要為司機和地面調(diào)度人員提供及時、可靠、通暢的語音服務和數(shù)據(jù)通信服務，從而使城市軌道交通實現(xiàn)集中調(diào)度指揮功能。

由于無線集群和CBTC這兩大涉及行車指揮的業(yè)務均綜合承載在同一LTE系統(tǒng)上，故對網(wǎng)絡的可靠性要求極高。

2 車地無線通信的可靠性設計

2.1 網(wǎng)絡覆蓋的可靠性設計

2.1.1 CBTC業(yè)務

為確保CBTC業(yè)務的可靠性，CBTC系統(tǒng)采取A網(wǎng)、B網(wǎng)完全相互獨立的網(wǎng)絡架構，從而實現(xiàn)無線信號冗余覆蓋。A網(wǎng)、B網(wǎng)形式可為A、B無線雙網(wǎng)或A、B雙核心網(wǎng)。A、B無線雙網(wǎng)分別采用不同的頻點進行組網(wǎng)，各自網(wǎng)絡內(nèi)采用同頻組網(wǎng)。A無線網(wǎng)絡內(nèi)采用頻率為F1的同頻組網(wǎng)，B無線網(wǎng)絡內(nèi)采用頻率為F2的同頻進行組網(wǎng)。無線雙網(wǎng)的頻率規(guī)劃示意如圖1所示。同時，在每列車的車頭端、車尾端各設置1套車載無線設備，其中車頭端的無線設備接入A網(wǎng)，車尾端的無線設備接入B網(wǎng)。

CBTC數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務采用雙網(wǎng)冗余傳輸，單網(wǎng)故障狀態(tài)下，可由正常工作的另一網(wǎng)絡完成傳輸，不影響CBTC系統(tǒng)正常工作。

圖1 無線雙網(wǎng)的頻率規(guī)劃示例

2.1.2 無線集群業(yè)務

由于語音話務的特殊性，無線數(shù)字調(diào)度業(yè)務無法實現(xiàn)雙核心網(wǎng)。CBTC業(yè)務和無線集群業(yè)務均承載在LTE網(wǎng)絡系統(tǒng)上，故集群業(yè)務要充分利用雙網(wǎng)部署提高列車調(diào)度的可靠性，需考慮以下幾點：

(1) 為保證CBTC業(yè)務的安全性要求，A、B網(wǎng)需相對獨立，無傳輸交互。

(2) 語音行車調(diào)度可工作在雙網(wǎng)的雙頻點下，如1個頻點的基站發(fā)生故障，則能自動選擇另1個頻點基站接入網(wǎng)絡，進行相關的語音業(yè)務。

(3) 無論語音終端工作在哪個頻點上，集群業(yè)務都能在2個頻點上互聯(lián)互通。

根據(jù)以上要求，確定方案為集群終端(車載通信終端及手持臺)在A網(wǎng)開戶，根據(jù)信號強度隨機接入到A網(wǎng)和B網(wǎng)。如果從A網(wǎng)接入，會連接到A核心網(wǎng)，如果從B網(wǎng)接入，也會通過B網(wǎng)基站eNodeB的RAN Sharing(接入網(wǎng)共享)特性路由到A核心網(wǎng)，從而實現(xiàn)非核心網(wǎng)級別的冗余備份(如圖2所示)。雖然B網(wǎng)基站接入了2個核心網(wǎng)，但依然會根據(jù)不同的業(yè)務類型來選擇相對應的核心網(wǎng)。例如，將CBTC業(yè)務接入B網(wǎng)核心網(wǎng)，將無線集群業(yè)務接入A網(wǎng)核心網(wǎng)，從而實現(xiàn)CBTC業(yè)務和無線集群業(yè)務的相互獨立。

注:RRU為射頻單元

圖2 無線集群業(yè)務通信鏈路

2.1.3 設備布置

2.1.3.1 地下隧道區(qū)域

在地下隧道區(qū)域，車地無線通信網(wǎng)絡使用漏纜覆蓋。在車站應設置基站(BBU)設備和射頻單元(RRU)。BBU設置于車站信號設備室，RRU設置于隧道壁靠近漏纜位置。原則上每隔1.2 km應設置1套RRU，且應安裝在站臺附近，小區(qū)切換在隧道區(qū)域。為增強可靠性，可在單個隧道內(nèi)設置雙漏纜。

由于地下隧道是封閉的長條形空間，且LTE采用1 800 MHz專用頻段，故車站兩側雙隧道的2個基站小區(qū)存在相互干擾，同向隧道中前后同頻鄰區(qū)間也存在干擾。這是需重點考慮的。

首先，分析車站兩側雙隧道2個基站小區(qū)的相互干擾。當列車?？吭谡九_時，將同時接收到所處基站小區(qū)的信號和對側站臺基站小區(qū)的信號。由于室內(nèi)傳播環(huán)境與室外微蜂窩、宏蜂窩不同，因此，可選用室內(nèi)傳播模型 Keenan-Motley 進行同頻隔離度計算分析。

LIndoor=LBS+k×F(k)+p×W(k)+D(d-db)

式中:

LIndoor——室內(nèi)傳播損耗;

LBS——自由空間傳播損耗，LBS=32.5+20lgf+20lgd；其中，f為工作頻率；

d——傳播距離；

k——穿透的樓層數(shù)；

F(k)——樓層衰減因子；

p——穿透的墻壁數(shù)；

W(k)——墻壁衰減因子；

D——線性衰減因子;

db——室內(nèi)轉折點。

然后，分析同向隧道中前后同頻鄰區(qū)間的干擾。在隧道環(huán)境中，前后相鄰基站小區(qū)同頻，且在基站小區(qū)邊緣的信噪比最差可達0，若不采取相應措施使同頻干擾問題減小，基站小區(qū)邊緣的無線通信干擾將非常嚴重，無法滿足業(yè)務的正常使用需求。一般可通過功控算法、IRC(干擾抑制、合并)技術等來控制及消除。

2.1.3.2 高架橋及地面區(qū)域

高架橋及地面區(qū)域采用基站+定向天線進行定向覆蓋?；?個端口輸出分別連接到雙極化天線的2個端口，如果是需覆蓋基站兩側的情況，則每端口功分后，連接2個方向天線的端口。RRU的配置與地下隧道相同，原則上每1.2 km設置1套。

2.1.3.3 其他區(qū)域

在站廳區(qū)域，為提供LTE信號，需對站廳進行室分覆蓋，同時提供A、B網(wǎng)的無線覆蓋，將RRU放置在通信或信號設備房內(nèi)，并通過室分小天線提供無線信號。

在折返線及存車線區(qū)域，多條軌道并存于1個大隧道中，列車可能距離漏纜較遠，從而導致其信號強度變差。因此，在鏈路預算上需考慮增加隧道的寬度因子。

2.2 傳輸鏈路的可靠性設計

為確保基站同核心網(wǎng)，以及基站和核心網(wǎng)同網(wǎng)管間的傳輸可靠性，應采用SCTP(流控制傳輸協(xié)議)雙歸屬、IP路由備份、鏈路聚合及IPSec VPN(以互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議安全性實現(xiàn)遠程接入的虛擬私密網(wǎng))等多種先進技術，來提升傳輸網(wǎng)絡鏈路和網(wǎng)管通道鏈路的可靠性。

2.2.1 SCTP多歸屬

SCTP多歸屬中，1個SCTP偶聯(lián)是2個SCTP端點間的邏輯通道，1個SCTP偶聯(lián)有2條路徑(2個IP地址對)。SCTP偶聯(lián)中的2條路徑可分為主路徑和從路徑，即在2個SCTP端點間存在冗余傳輸路徑。通常，主路徑是激活的。當主路徑發(fā)生故障時，可激活從路徑以傳送數(shù)據(jù)，從而提高容錯能力。

配置的SCTP鏈路本端第1個IP地址和對端第1個IP地址構成主路徑，本端第2個IP地址和對端第2個IP地址構成從路徑。如圖3所示，IP1和IP3、IP2和IP4確定的2條路徑分別稱作主路徑和從路徑。初始建立SCTP偶聯(lián)時，一旦路徑連通，則設置路徑為激活狀態(tài)；eNodeB優(yōu)先選擇激活狀態(tài)的路徑進行傳輸；如果主路徑和從路徑都是激活狀態(tài)，則優(yōu)先選擇主路徑進行傳輸。SCTP多歸屬只支持平行模式，不支持交叉模式。

圖3 SCTP多歸屬鏈路

SCTP多歸屬鏈路狀態(tài)可分為空閑時和忙時。SCTP鏈路根據(jù)鏈路狀態(tài)有不同的通斷檢測方法，如表1所示。

表1 SCTP鏈路狀態(tài)通斷檢測

2.2.2 IP路由備份

IP路由備份功能可提升IP層的可靠性，可通過設置路由優(yōu)先級來標志2個備份路由。發(fā)送報文的時候，無線基站eNodeB優(yōu)先選擇狀態(tài)為連通的路由，再從中選擇優(yōu)先級較高的路由。當高優(yōu)先級的路由出現(xiàn)故障或中斷時，則激活優(yōu)先級較低的路由。

eNodeB支持端口中斷時，進行路由備份切換。eNodeB也支持下一跳的路由檢測，一旦檢測到路由中斷則切換路由備份。eNodeB支持的檢測手段包括IEEE 802.1ag和BFD(雙向轉發(fā)檢測)。

IP路由備份功能中，2個路由的出接口可相同，也可不同。出接口相同的情況下，接口需支持可配置多個IP。

在基站判斷主路由故障后，基站的主路由會通過動態(tài)路由協(xié)議向其他路由器發(fā)布主路由不可達信息，且切換到備用路由。當主路由恢復后，主路由需將主路由可用的信息發(fā)布給其他路由。

2.2.3 鏈路聚合

eNodeB可通過以太鏈路聚合功能增強傳輸鏈路和Ethernet端口的可靠性。IEEE 802.3ad中定義了以太鏈路聚合。以太鏈路聚合是指將2個或多個以太鏈路組合在一起，成為1條邏輯路徑，以提供更高帶寬及更大吞吐量，從而大幅度提升整體網(wǎng)絡能力。鏈路聚合中的任一鏈路斷開時，剩余鏈路可繼續(xù)正常工作，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.2.4 IPSec VPN

LTE是全IP網(wǎng)絡，而IP傳輸無法為數(shù)據(jù)提供機密性和完整性保護。這是由IP自身協(xié)議屬性決定的。在LTE網(wǎng)絡，控制器功能下移到eNodeB，終端數(shù)據(jù)在eNodeB和EPC(演進分組核心)之間是明文傳輸?shù)?，移動承載建立的過程也是明文傳輸?shù)?，在eNodeB同MME(移動管理實體)、SGW(服務網(wǎng)關)等網(wǎng)元之間，以及eNodeB和eNodeB之間采用Mesh型(網(wǎng)格型)連接，設備在傳輸層面互連互通，且沒有接入認證機制，此外，Mesh網(wǎng)絡還開放了多條接口。這些特點增大了網(wǎng)絡風險。

對于LTE傳輸?shù)陌踩{，主要依靠部署IPSec VPN技術對報文進行加密，并對接入EPC的流量作認證，進而保證進入EPC的流量都是來自真實用戶的合法流量。

(1) 在EPC與回傳網(wǎng)絡的邊界部署SGW，并終結來自eNodeB的IPSec隧道。此時，X2接口(eNodeB之間接口)的通信，也能通過SGW來建立IPSec隧道，并進行中轉。

(2) 由于城市軌道交通的LTE網(wǎng)絡中eNodeB數(shù)量較多，通過每臺設備配置預共享密鑰的方式來進行IPSec認證存在困難，通過部署PKI(公鑰基礎設施)證書系統(tǒng)，為eNodeB及SGW分發(fā)、更新證書，實現(xiàn)自動的雙向認證。

(3) 通過SGW上的GTP(通用數(shù)據(jù)傳輸平臺)安全特性，對S1-U接口(eNodeB與EPC間的通信接口)的流量進行GTP檢查、過濾和限流，從而降低由GTP協(xié)議造成安全風險；同時，開啟anti-DDoS軟件，以防范來自移動終端的大量非法流量對EPC的沖擊。

3 車地無線通信的現(xiàn)場驗證

為驗證LTE綜合承載系統(tǒng)設計是否滿足可靠性要求，在寧波市軌道交通1號線二期工程五鄉(xiāng)站—邱隘站區(qū)間進行了現(xiàn)場試驗。試驗針對無線場強、信噪比、丟包率、切換時延(地下與地下小區(qū)切換、地下與地面小區(qū)切換、地面與地面小區(qū)切換)等通信指標進行了詳細測試，并對其可靠性進行了驗證。

3.1 場強和信噪比測試

列車以正常運行速度(約為60 km/h)勻速從邱隘站運行到五鄉(xiāng)站，沿途測試參考信號接收功率(PRSR)和信噪比(RSN)，并使用車載終端Netbox平臺自帶的log文件讀取PRSR和RSN的值。測試結果如圖4所示。

a) A網(wǎng)PRSR

b) B網(wǎng)PRSR

c) A網(wǎng)RSN

d) B網(wǎng)RSN

由圖4可見，A網(wǎng)的PRSR范圍為-104～-44 dBm，A網(wǎng)的RSN范圍為0～41 dB；B網(wǎng)的PRSR范圍為-105～-44 dBm，B網(wǎng)的RSN范圍為0～43 dB。測試線路上所有位置的PRSR均高于車載無線接入設備的最小接收功率。這說明車地通信無線信號已充分覆蓋全線路，可滿足無線通信的可靠性要求。

3.2 丟包率測試

列車以正常運行速度(約為60 km/h)勻速從邱隘站運行到五鄉(xiāng)站。沿途在車頭和車尾的設備上使用iperf軟件發(fā)起UDP(用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議)業(yè)務，上下行同時各發(fā)送200 kbit/s，包長默認為400 B。

測試結果顯示：下行方向，A網(wǎng)丟包率為0.062 4%，B網(wǎng)丟包率為0.021 8%；上行方向，A網(wǎng)丟包率為0.052 2%，B網(wǎng)丟包率為0.038 6%。可見測試線路上所有位置的丟包率均低于LTE-M相關標準規(guī)定(丟包率小于1%)的要求。這說明全線車地通信無線信號未受到干擾且可靠性高。

3.3 切換時延測試

列車以正常運行速度(約為60 km/h)勻速從邱隘站運行到五鄉(xiāng)站。沿途在車頭和車尾的設備上使用Ixchariot軟件發(fā)起UDP業(yè)務，上下行流量各為100 kbit/s，時延測試發(fā)包間隔400 ms，包長默認為400 B，記錄切換時延及切換丟包率，并統(tǒng)計切換次數(shù)和平均切換時延。測試結果統(tǒng)計見圖5。

根據(jù)測試結果，A網(wǎng)平均切換次數(shù)為96次，可計算得出其平均切換時延為54 ms；B網(wǎng)平均切換次數(shù)為96次，可計算得出其平均切換時延為43 ms?？梢?，基站小區(qū)間的切換時延滿足LTE-M相關標準規(guī)定(小于150 ms)的指標要求。

a) A網(wǎng)

b) B網(wǎng)

4 結語

LTE技術不僅可滿足城市軌道交通車地通信的各方面需求，實現(xiàn)車地無線通信綜合承載，還可進行大規(guī)模組網(wǎng)，降低系統(tǒng)的總體建設投資和運營維護成本。LTE應用于城市軌道交通是行業(yè)的發(fā)展趨勢。本文為城市軌道交通LTE車地無線通信系統(tǒng)的可靠性設計提供了參考。