上海軌道交通LTE綜合承載網絡架構研究

紀文莉

(上海申通地鐵集團有限公司技術中心,201103,上海 ∥ 高級工程師)

城市軌道交通無線通信系統是其日常運營的神經系統，承擔著列車運行控制、運營調度、應急通信、企業管理等眾多業務功能，是軌道交通網絡正常運轉的重要保障。隨著城市軌道交通列車運行的自動化、智能化水平的不斷提高，無線通信傳輸對大帶寬、低時延、高移動性、高可靠安全的需求更加迫切。

LTE(長期演進)是3GPP(第三代合作伙伴計劃)組織制定的第四代無線通信技術標準。其通過扁平化的網絡結構和高集成的網元設備，減少了網絡節點和系統復雜度，從而在穩定性、切換性能、通信時延、安全性、可維護性等方面較WLAN(無線局域網)系統具有明顯優勢，能較好地滿足城市軌道交通高可靠業務的移動通信需求。在相關政策和標準的引導下，國內各城市軌道交通線路正積極建設LTE專用網絡。少部分城市僅承載車載PIS(乘客信息系統)業務，部分城市LTE用作CBTC(基于通信的列車控制)無線專網，部分城市綜合承載了CBTC、車載PIS和車載CCTV(閉路電視)等業務。

上海軌道交通14號、15號、18號線(以下簡稱“新三線”)均為全自動運行線路。目前，這3條線路都在建設基于B-TrunC(Broadband Trunked Communication,寬帶集群通信)標準的LTE網絡，且LTE網絡綜合承載CBTC、無線集群調度、車載緊急文本、車載重要的狀態監控數據等業務。較之于其他城市，上海軌道交通承載的業務種類最多、集成要求最高、接口最復雜。

1 上海軌道交通LTE網絡的要求和挑戰

城市軌道交通專網較之于公共網絡，對業務的連續性、可靠性、安全性、穩定性等方面具有更高的要求，并在網絡架構和組網方案上具有較大的差別。本文將分析上海軌道交通引入基于LTE的無線通信專網所需滿足的實施要求和業務承載，并針對上述問題，提出綜合承載CBTC、集群調度、車載重要的狀態監控數據等業務的LTE專網的總體方案及其關鍵保障技術措施。

1.1 總體要求

城市軌道交通需要無線通信支持的系統包括列車運行指揮類系統和列車運行輔助類系統兩大類。其中，列車運行指揮類系統主要包括CBTC系統和無線集群調度系統，該系統直接應用于行車指揮，以實現列車運行控制和列車運行人員間通信；列車運行輔助類系統主要包括車載PIS、車載CCTV、列車運行狀態監測系統和移動信息化系統，該系統應用于輔助列車管理、降低列車故障率、增強信息傳播和應急疏散能力等。

總體而言，列車運行輔助類的通信業務主要涉及管理、圖像監視，以及與旅客服務相關的內容，對帶寬容量要求比較高，但對RAMS(可靠性、可用性、可維護性、安全性)的要求相對較低；涉及列車運行指揮的通信業務主要包括列車運行控制和調度方面的通信業務，其對通信的可靠性、響應速度及抗干擾能力等要求很高，對帶寬容量要求較低。

LTE承載CBTC和集群調度等業務，除滿足LTE-M(基于長期演進技術的城市軌道交通車地綜合通信系統)等相關規范中的功能和性能指標外，還應滿足：

1) 系統具有合理可靠的信息安全保護能力。

2) 系統應具備高可靠性，其關鍵部件/設備冗余配置及其網絡架構應避免單節點故障等。除考慮充分的冗余外，CBTC無線通信區域應至少實現雙重無線覆蓋。

3) 系統具有高實時性，語音通話和視頻通信的時延不大于150 ms且服務連續不中斷。

4) 呼叫接通速度快，通常要求組呼建立時間小于300 ms。具備優先級設置，確保關鍵信息、指令暢通。

1.2 網絡化要求

針對無線通信，城市軌道交通網絡化提出了網絡化支撐的目標：應實現網絡無線通信系統的互聯互通，形成網絡化無線通信；結合路網和控制中心規劃，解決無線交換組網架構及其分布實施方案，實現無線頻點的統一規劃與編號計劃[1]。

目前，行業內CBTC互聯互通的場景需求主要可支持列車跨線運行。作為基礎的無線通信，則要求配置的TAU(車載接入單元)支持跨線運行，且為CC(車載控制器)連接到不同線路的ZC(區域控制器)提供穩定的傳輸通道，保證業務中斷時延小于2 s。

對于集群調度，應實現跨線路的互聯互通和用戶漫游，以服務換乘站統一管理、維護保障及應急管理等場景的調度指揮。

1.3 LTE網絡綜合承載對核心網的挑戰

新三線為全地下線路，申請到了地下20 MHz的頻段。因此，上海軌道交通LTE網絡采用A/B雙網冗余架構，其中，A網無線側配置頻率為15 MHz，綜合承載CBTC、集群調度、列車PIS緊急文本、列車實時狀態監測、2路車載CCTV等業務；B網配置頻率為5 MHz，承載CBTC、集群語音備份等業務。在承載行車指揮類業務的基礎上承載行車輔助類業務系統的部分重要數據，發揮LTE綜合承載網絡的效益，更好地服務運營指揮管理。由于無線集群和CBTC這兩大涉及行車指揮的業務均綜合承載在LTE網絡上，故對網絡的可靠性、故障情況下的影響等提出了更大挑戰。

LTE系統主要分為LTE有線通信和LTE車地無線通信兩部分。CBTC業務與LTE網絡的接口位于TAU和EPC(演進分組核心)處，主要為CBTC業務傳輸列車實時運行信息以及地面下達的列車控制信息等。數據流向如圖1所示。為滿足CBTC無線通信系統冗余性的要求，LTE建設了A、B雙網系統，兩網的核心網、接入網、終端設備均獨立。CBTC主要以本線內行車指揮控制為主，線路內配套建設LTE核心網。因CBTC系統安全性、獨立性的要求，其重要的配套設備均需獨立建設，包括傳輸網、電源等。目前未要求新三線實現CBTC互聯互通，因此從信號專業角度而言，不建議LTE核心網之間互聯，而需在線路側分流CBTC業務數據。

圖1 CBTC數據在LTE網絡中的流向示意圖

對于無線集群調度系統，上海軌道交通從2005年開始使用TETRA(陸上集群無線電)制式、線網共享主備交換核心的網絡。雖與LTE技術制式不同，但基于線網級交換核心的業務應用模式和故障切換機制已經成熟。另外，考慮到部分集群調度用戶在網絡內自由漫游的需求，系統需互聯互通。因此，集群調度系統宜共享共建線網級核心網，在減少線路間系統接口和數據交換節點的同時，實現核心網的資源共享，使得網絡化運營和維護團隊能獲得統一的集群調度通信服務，并有效提高系統資源利用率。

2 上海軌道交通LTE網絡架構和組成

城市軌道交通行業內建設的LTE綜合承載網絡大多是考慮在CBTC業務的基礎上，綜合承載車載PIS、CCTV等業務，且大多以線路內業務為主。上海軌道交通CBTC、通信兩專業在核心網互聯共享的需求存在矛盾的情況下，為保障網絡后續管理、維護界面清晰,基站共享技術提供了解決方案。

2.1 基站共享技術及模式

目前，基站共享在公眾移動通信中已有不少部署案例，如沃達豐和Orange公司在鄉村場景LTE 2 100 MHz的頻段采用獨立載頻的方案共享基站，核心網相互獨立；電訊盈科和香港電訊通過共享載頻的方式部署了共享基站。中國聯通和中國電信深度合作推進共享基站的建設，著眼于至少一方存在不良覆蓋的場景以及業務質量較低、亟待改善的場景，主要包括偏遠鄉鎮、農村等廣覆蓋區域，以及高鐵、高速公路和部分室分場景[2]。

3GPP TS 23.251中定義了基站共享架構，包括GWCN(網關核心網)和MOCN(多運營商核心網)兩種模式。MOCN模式僅僅共享RAN(無線接入網絡),而GWCN模式除了共享RAN之外，還要共享MME(移動管理單元)和核心網關。

兩種模式下，共享的RAN都可以連接到多個運營商核心網節點。需要廣播每個運營商的PLMN(公共陸地移動網絡)號，以保證不同運營商的用戶都能夠接入網絡。在共享模式下，用戶無感知，不會降低用戶業務體驗感受，對終端基本無要求。GWCN架構共享的資源更多，但核心網部分涉及到的改動量更大，用戶管理、業務計費等參數的統一配置難度非常大。而MOCN模式則不共享核心網，實施較簡單。

MOCN模式下，從載波資源配置角度，基站共享技術可進一步分為獨立載頻、共享載頻兩種模式[3]，如圖2所示。

圖2 MOCN模式基站共享示意圖

2.2 上海軌道交通LTE網絡架構

為解決CBTC和集群調度兩專業對于LTE核心網互聯共享需求的矛盾，上海軌道交通新三線分別建設LTE線路級和線網級核心網。線路級核心網由信號專業在各條線獨立配置，服務數據用戶；線網級核心網由通信專業建設，服務集群用戶。因LTE核心網可容納5萬個以上的集群用戶同時在線，基站接入容量大于1 000個，考慮到軌道交通單線的基站和集群用戶數量有限，為充分利用LTE核心網資源，線網級核心網應由多線共享。通過基站共享技術，共享使用軌行區的基站，并將不同的用戶分別接入到對應的核心網中。

按照服務不同用戶和業務配置，兩種核心網資源不需共享，因此可采用MOCN模式進行基站共享。考慮到軌道交通統一申請頻率，為提升頻率的使用效率，可將有限的頻率資源供相關業務靈活使用，且通信、信號兩專業的接口界面已較清晰，故共享基站采用共享載波模式。

共享基站綜合接入數據用戶和集群用戶，同時廣播兩個網絡的PLMN，并將兩種用戶的業務傳輸至不同核心：數據用戶的業務通過信號系統的有線網絡上傳至單線路LTE核心設備進行處理；集群用戶的業務通過通信專業傳輸網至控制中心后，再通過網絡級傳輸網(又稱高速數據網)連接至線網級LTE集群核心。A網架構如圖3所示。B網架構與A網架構類似，只是承載的業務種類更少，且沒有非軌行區的天饋系統。

圖3 上海軌道交通新三線LTE系統A網架構和組成示意圖

正常情況下，集群業務由A網進行承載。當A網發生故障時，集群用戶應能通過頻率重選快速切換到B網承載，并接入到線網級集群核心網。采用此架構，一方面共享無線接入層資源，提高了頻率和無線接入層的綜合利用率；另外，通過增加了線網級的集群核心網，解決了兩種業務在核心網互聯互通方面的矛盾；而且，保持CBTC和集群業務一定的獨立性，提高了系統的可用性，也有利于后續維護管理。除上海軌道交通外，寧波地鐵3號線的B網基站也采用了基站共享技術，但上海軌道交通在共享的范圍和深度上有了進一步提升。

2.3 系統組成

上海軌道交通LTE綜合承載網絡主要分為核心網、無線接入系統、終端3大部分。

2.3.1 核心網

核心網主要實現了網絡核心交換功能、網絡控制管理功能，以及與其他業務系統(如數據核心網和集群核心網)接口的連接。其中，數據核心網由各條軌道交通線路獨立冗余配置，即每條線路設置A、B兩套核心網，以實現數據業務的控制管理和接口連接。而集群核心網多線共享、統一設置，并異地設置備份以提高核心網的可靠性。集群核心網包括EPC設備、線網集群調度機、網管服務器、三層交換機等。

2.3.2 無線接入系統

對于正線區域，在車站機房設置BBU。在區間設置RRU，兩個RRU間距不超過1.2 km；采用2根泄漏同軸電纜分別饋入A、B網絡信號進行覆蓋，不進行合路。另外，在站廳和設備區等區域設置天線，接入至獨立的RRU。

對于車輛基地，在機房內設置BBU，在停車庫、DCC(車輛段控制中心)辦公區等區域設置RRU，并根據現場環境進行泄漏同軸電纜覆蓋或天線覆蓋，為區域內終端設備提供無線接入服務。

2.3.3 終端

終端主要包括調度臺、手持臺、固定臺、TAU及集群車載臺等。其中，TAU為信號、車載視頻等業務系統提供數據接口，且信號系統獨立設置TAU；集群車載臺用于集群調度通信。所有的車載終端應共用車載天線，車載天線安裝在車體外側，并盡量與泄漏同軸電纜保持視距。系統應為調度人員配置調度臺，為車站行車值班員配置固定臺，以及為車站管理人員、維保人員、運營管理人員配置手持臺。

另外，鑒于城市軌道交通行業調度臺和車載臺應具有特色功能和界面的要求，因此還需要在控制中心設置集群二次開發調度服務器。

2.4 系統配置

系統的主要配置包括：

1) 基站配置。BBU的版本支持基站共享功能，RRU和天饋都不需要因基站共享進行改造。但基站應配置唯一的eNodeB ID(標志)，以及統一的特性參數，統一規劃TAC(跟蹤區域碼)，以確保實現正確的位置更新和尋呼流程。

2) 傳輸方式。在3GPP的規范中，已經定義通過多個PLMN標志支持多個不同運營商。終端基于PLMN通過S1接口選擇正確的核心網。共享基站分別與線路數據、線網集群核心構建S1鏈路，基站端的S1鏈路使用獨立的S1接口IP。

3) 資源管理。RRC(無線資源控制)連接數及總的吞吐量均為基站級資源，集群、數據業務可共享使用。在共享載波配置模式下，可以考慮動態地對資源進行調配。上海軌道交通A網資源由CBTC、集群調度業務、列車PIS緊急文本、列車實時狀態監測、2路車載CCTV業務共享使用。LTE網絡綜合承載業務優先級設置如表1所示。

表1 LTE網絡綜合承載業務優先級

3 結語

本文分析了上海軌道交通 LTE網絡需求，鑒于 LTE 網絡綜合承載 CBTC和無線集群調度業務，對于網絡架構提出了新挑戰。本文介紹了基站共享技術和共享架構，提出通過MOCN模式、共享載頻實現上海軌道交通軌行區基站的共享，提出了上海軌道交通LTE網絡的架構和組成，并明確了系統的配置。從而在共享無線接入層資源的基礎上，保持CBTC和集群業務一定的獨立性，提高了系統的可用性，也有利于后續維護管理。