LTE系統(tǒng)在地鐵專網(wǎng)中的應用與發(fā)展

潘 文

（南京地鐵運營有限責任公司，江蘇 南京 210012）

0 引 言

地鐵通信是保證城市軌道交通行車組織和安全的重要手段，主要完成調(diào)度員與列車司機之間溝通、行車指令下達、監(jiān)視列車運行、客流情況分析及票務數(shù)據(jù)分析等。

地鐵通信主要是傳送語音業(yè)務、數(shù)據(jù)業(yè)務及視頻業(yè)務，早期都是通過2 M通道和以太網(wǎng)通道進行傳輸，需要的帶寬小。近年來，由于視頻信號由原來的模擬信號發(fā)展成現(xiàn)在的高清數(shù)字信號、模擬語音發(fā)展成現(xiàn)在的數(shù)字視頻通話等，因此需要的帶寬越來越大，對穩(wěn)定性的需求也越來越高。隨著4G網(wǎng)絡技術的不斷成熟，LTE系統(tǒng)慢慢進入了地鐵通信行業(yè)。2017年，南京地鐵寧高線首次引入LTE系統(tǒng)，主要為信號CBTC、車載視頻、車載PIS及TCMS業(yè)務提供無線傳輸通道。

1 系統(tǒng)組成

南京地鐵寧高線LTE系統(tǒng)設備為滿足信號CBTC的高可靠性要求，設計了A、B雙網(wǎng)，因此由2套設備組成，每套系統(tǒng)設備主要由控制中心設備、車站/車輛段設備及車載終端設備組成。

1.1 控制中心設備

A、B網(wǎng)中心設備主要由核心網(wǎng)設備、路由器、LAN交換機、網(wǎng)管設備、U2000服務器、CBTC服務器及ATOM GPS組成[1]。

核心網(wǎng)設備主要由交換單元、操作維護單元及機框管理單元組成，提供簽約數(shù)據(jù)、鑒權(quán)、會話、承載設備管理及數(shù)字集群業(yè)務等相關功能。

路由器主要連接外接的專業(yè)設備，如集中告警服務器、CBTC服務器、CBTC交換機及時鐘系統(tǒng)等，用于不同網(wǎng)絡之間的通信。同時，路由器需與LAN交換機相接。

LAN交換機主要連接LTE系統(tǒng)內(nèi)部的設備，如核心網(wǎng)設備、網(wǎng)管服務器、網(wǎng)管終端及車站設備等。

網(wǎng)管設備包含網(wǎng)管服務器和網(wǎng)管終端，主要負責對無線系統(tǒng)網(wǎng)絡核心網(wǎng)設備、BBU、RRU及車載專用終端設備TAU進行集中監(jiān)控和操作維護管理。

U2000服務器主要是為滿足對LTE系統(tǒng)中的路由器、LAN交換機、車站接入交換機進行實時管理和監(jiān)測設置，主要完成路由器和交換機設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控、歷史告警記錄的統(tǒng)計及網(wǎng)絡管理用戶的管理等功能。

CBTC服務器主要是對信號CBTC業(yè)務流進行抓包，出現(xiàn)故障時可進行數(shù)據(jù)核對。

ATOM GPS將GPS模擬信號轉(zhuǎn)變成1588V2光信號傳輸給網(wǎng)絡設備，滿足無線幀嚴格同步的要求。

1.2 車站/車輛段設備

A網(wǎng)車站/車輛段設備主要由交換機、BBU及RRU組成，B網(wǎng)車站/車輛段設備主由BBU和RRU組成。

交換機的主要功能是將所有車站/車輛段與中心連接起來組成A網(wǎng)環(huán)網(wǎng)，完成BBU與核心網(wǎng)之間的通信。

BBU基帶處理單元主要完成業(yè)務接入、基帶信號處理及操作維護控制等功能。

RRU射頻拉遠單元一般安裝在區(qū)間軌旁，每隔1.2 km安裝一臺，主要完成信號的變頻和功率的放大等功能。

1.3 車載終端設備

車載終端設備主要安裝在列車的車頭和車尾，主要由交換機、AB網(wǎng)TAU、合路器及天線組成。

交換機主要用于連接B網(wǎng)的車載監(jiān)控、車載PIS及TCMS業(yè)務。

TAU作為寬帶接入終端設備，通過TD-LTE網(wǎng)絡連接地面和列車，完成CBTC、車載PIS及TCMS車載監(jiān)控等業(yè)務的可靠傳輸。

合路器主要用于將車頭AB網(wǎng)TAU和車尾兩個B網(wǎng)TAU過來的信號進行合路，并分別送至車頭車尾的天線。

天線安裝在車頭車尾的左右兩邊，同時與TETRA系統(tǒng)共用車頭車尾的車頂天線，主要完成信號的發(fā)送和接收。

2 設備組網(wǎng)

2.1 控制中心設備組網(wǎng)

控制中心有兩套設備，一套是A網(wǎng)設備，一套是B網(wǎng)設備，設備組成基本一致。A、B雙網(wǎng)相互獨立工作，如圖1所示。

A網(wǎng)主要單獨為信號CBTC提供通道，LAN交換機與各車站交換機組成的網(wǎng)絡為A網(wǎng)車站BBU與中心A網(wǎng)核心網(wǎng)提供鏈路通道。

B網(wǎng)主要為信號CBTC、車載PIS、車載視頻及TCMS提供通道。由中心傳輸Xtran節(jié)點箱與車站/車輛段傳輸Xtran節(jié)點箱組成的傳輸網(wǎng)絡為B網(wǎng)車站BBU與中心B網(wǎng)核心網(wǎng)提供鏈路通道。

2.2 車站設備組網(wǎng)

車站設備A、B網(wǎng)組網(wǎng)的區(qū)別在于A網(wǎng)是通過車站NE05E交換機將各站的BBU設備進行連接組網(wǎng)，而B網(wǎng)通過傳輸Xtran節(jié)點箱將各站的BBU設備進行連接組網(wǎng)。車站BBU與區(qū)間的RRU通過光纜進行連接組網(wǎng)，如圖2所示。

圖1 控制中心設備組網(wǎng)圖

圖2 車站設備組網(wǎng)圖

區(qū)間A網(wǎng)和B網(wǎng)RRU的信號通過合路器進行合路，然后通過漏纜進行信號覆蓋。寧高線區(qū)間存在U梁、箱梁及路基土建。U梁區(qū)間采用上下行共用一個A網(wǎng)RRU和一個B網(wǎng)RRU，設備放至上下行中間。箱梁和路基段區(qū)間上下行各安裝一個A網(wǎng)RRU和一個B網(wǎng)RRU，設備分別放至上下行兩邊。

A網(wǎng)在其中一個車站安裝了ATOM GPS，提供1588V2時鐘信號。

2.3 車載設備組網(wǎng)

車載設備主要分為車頭和車尾兩部分，并通過工業(yè)級交換機進行連接。車頭為奇數(shù)端，主要由兩臺B網(wǎng)TAU設備、車載合路器、工業(yè)級交換機及天線組成。其中，一臺B網(wǎng)TAU專用于連接CBTC業(yè)務，另一臺B網(wǎng)TAU用于連接工業(yè)級交換機；工業(yè)級交換機用于連接TCMS業(yè)務、PIS業(yè)務及車載CCTV業(yè)務；車載合路器用于連接兩個B網(wǎng)TAU設備、車底天線以及與800 M無線共用的車頂天線。車尾為偶數(shù)端，設備數(shù)量與車頭一致，唯一不同的是兩臺TAU設備分A網(wǎng)、B網(wǎng)各一臺，A網(wǎng)TAU專用于連接CBTC業(yè)務，B網(wǎng)TAU用于連接工業(yè)級交換機，如圖3所示。

2.4 與其他業(yè)務系統(tǒng)之間的接口

LTE系統(tǒng)與PIS系統(tǒng)之間的接口：（1）在控制中心，LTE系統(tǒng)通過標準的10/100 Mb/s以太網(wǎng)電口與PIS系統(tǒng)互聯(lián)；（2）在列車上，LTE系統(tǒng)通過標準的10/100 Mb/s以太網(wǎng)電口與PIS系統(tǒng)互聯(lián)。

LTE系統(tǒng)與車輛TCMS系統(tǒng)之間的接口：（1）在控制中心，LTE系統(tǒng)通過標準的10/100 Mb/s以太網(wǎng)電口與車輛TCMS系統(tǒng)互聯(lián)；（2）在列車上，LTE系統(tǒng)通過標準的10/100 Mb/s以太網(wǎng)電口與車輛TCMS系統(tǒng)互聯(lián)。

LTE系統(tǒng)與CBTC系統(tǒng)之間的接口：（1）在控制中心，LTE系統(tǒng)通過標準的100/1 000 Mb/s以太網(wǎng)光口與CBTC系統(tǒng)互聯(lián)；（2）在列車上，LTE系統(tǒng)通過標準的10/1 00 Mb/s以太網(wǎng)電口與CBTC系統(tǒng)互聯(lián)。

LTE系統(tǒng)與車載視頻系統(tǒng)之間的接口：（1）在控制中心，LTE系統(tǒng)通過標準的10/100 Mb/s以太網(wǎng)電口與車載視頻系統(tǒng)互聯(lián)；（2）在列車上，LTE系統(tǒng)通過標準的10/100 Mb/s以太網(wǎng)電口與車載視頻系統(tǒng)互聯(lián)。

圖3 車載設備組網(wǎng)圖

3 在南京地鐵應用過程中發(fā)現(xiàn)的優(yōu)缺點

3.1 應用過程中發(fā)現(xiàn)的優(yōu)點

第一，更高的帶寬，業(yè)務傳輸無卡頓現(xiàn)象。例如，地鐵其他線路采用非LTE系統(tǒng)通信方式上傳車載視頻，圖像會出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，圖像數(shù)量也受到限制。采用LTE系統(tǒng)上傳車載視頻時，基本不存在圖像卡頓現(xiàn)象，即使上傳圖像數(shù)量達到8路，也能正常上傳。

第二，采用漏纜覆蓋，區(qū)間信號穩(wěn)定。地鐵其他線路采用AP天線通信方式，受線路彎曲和震動等因素的影響，信號的專業(yè)無線業(yè)務丟失現(xiàn)象較嚴重。采用漏纜進行覆蓋，信號傳輸穩(wěn)定。

第三，組網(wǎng)方式簡單。中心與車站設備房硬件設備少，設備組網(wǎng)比較簡明，方便硬件故障的原因查找和維護。

第四，實現(xiàn)綜合業(yè)務承載。傳統(tǒng)地鐵建設中，區(qū)間一般要建設多個無線網(wǎng)絡用于各種業(yè)務傳輸。寧高線PIS、CBTC、TCMS及車載監(jiān)控都通過LTE網(wǎng)絡進行傳輸，節(jié)約了大量成本。

3.2 應用過程中發(fā)現(xiàn)的缺點

第一，區(qū)間設備多，維護保養(yǎng)困難。區(qū)間基本每隔1.2 km就要設置RRU設備，寧高線基本為高架和路基段，且區(qū)間線路長，當區(qū)間設備發(fā)生故障時，夜間處理時間不充足。

第二，室外RRU設備防水級別不夠。正常地鐵都是在隧道里安裝設備，未涉及到防水問題。但是地面和高架的設備防水不能按照隧道的標準來執(zhí)行，應該按照室外防水標準執(zhí)行。使用寧高線過程中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)長時間的氣候因素影響，出現(xiàn)射頻線接口防水膠開裂進水現(xiàn)象，進而導致駐波比變大。

第三，高架和路基段易受同頻段干擾。中華人民共和國工業(yè)和信息化部發(fā)布1 785～1 805 MHz頻段應用于交通（城市軌道交通等）、電力及石油等行業(yè)。如果地鐵都是地下區(qū)間，基本不存在干擾問題。寧高線是高架和路基段組成，因此存在同頻干擾問題。目前，通過區(qū)間信號檢測，發(fā)現(xiàn)明覺站附近存在同頻信號，經(jīng)查找發(fā)現(xiàn)是電力的無線基站。由于距離遠，電力無線基站的信號強度沒有地鐵的信號強度強，尚未給地鐵運行造成影響。但是隨著4G網(wǎng)絡的普及，后期還會有更多其他行業(yè)在地鐵附近使用同頻信號，需溝通好干擾頻段避讓。

4 LTE系統(tǒng)未來在地鐵行業(yè)的其他功能

目前，地鐵普遍采用的是800 M集群系統(tǒng)來實現(xiàn)無線調(diào)度功能。當LTE系統(tǒng)應用到地鐵行業(yè)后，需研究和開發(fā)以LTE系統(tǒng)設備為基礎適應地鐵行業(yè)使用的控制中心調(diào)度臺、服務器、車載臺及車載固定臺等來實現(xiàn)無線調(diào)度功能，進而達到降低建設成本和簡化設備組網(wǎng)的目的。

針對業(yè)務要求，需滿足以下基本功能。

（1）手臺與手臺之間、調(diào)度臺與手臺之間、調(diào)度臺與車載臺之間及調(diào)度臺與調(diào)度臺之間的個呼和組呼。

（2）調(diào)度臺對單列列車和調(diào)度臺對多列列車進行廣播。（3）調(diào)度臺、手持臺及車載臺具有短消息功能。（4）接收ATS信號，在調(diào)度臺軟件上顯示列車位置信息。

由于LTE系統(tǒng)頻帶寬，可對調(diào)度設備進行研究和開發(fā)，以實現(xiàn)控制中心調(diào)度員與列車司機視頻對話和列車廣播監(jiān)聽等功能。

5 結(jié) 論

LTE系統(tǒng)具有頻帶寬、成本低及承載業(yè)務多等優(yōu)點。當?shù)罔F列車實現(xiàn)無人駕駛時，需滿足大量的列車視頻上傳、列車狀態(tài)信息上傳及自動控制信號的穩(wěn)定傳輸?shù)刃枨螅琇TE系統(tǒng)是最好的選擇。目前，該系統(tǒng)在地鐵上的應用還處于摸索階段，需根據(jù)地鐵現(xiàn)場需求進行改進，以實現(xiàn)更多的功能。