基于LTE綜合承載系統的城市軌道交通集群調度方案設計

戴俊杰

（上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海 200000）

TD-LTE作為我國擁有核心自主知識產權的國際通信標準技術，具有較為成熟的產業鏈。對比地鐵常用的WLAN、TETRA等無線數據傳輸制式在抗干擾能力、安全性、業務優先級策略、吞吐速率、高速切換能力等方面也具有較大技術優勢，契合軌道交通業務承載需求。文章主要研究基于LTE綜合承載系統的交通調度。

1 集群調度業務分析

專用無線集群調度系統主要用于列車運行指揮和防災應急通信，為固定人員（調度員、值班員）和流動人員（司機、維修人員、列檢人員）提供相互間的語音和數據通信服務。專用無線通信系統能夠為調度指揮提供安全可靠的無線通信，是指揮列車運行的必要專用通信工具。無線調度系統的用戶主要包括線網指揮中心調度員、行車調度員、車站值班員、外勤工作人員以及運行線路上的列車司機等。

傳統無線調度系統多采用TETRA技術，該方案因技術體制原因，數據能力弱，只能滿足日常運營的語音集群調度業務?，F階段，軌道交通行業用戶在集群語音業務的基礎上，對集群多媒體業務、高速數據業務的需求日益迫切，尤其是以視頻調度、數據調度、多媒體調度的需求最為突出。面對用戶需求的變化，既有的專用無線系統功能已無法滿足用戶需求，LTE技術作為一種專門為移動高帶寬應用設計制定的無線通信標準，可以較好實現上述功能。

2 基于LTE-M的集群調度

LTE綜合承載（LTE-M）系統采用我國具有自主知識產權的TDD（時分復用）-LTE技術，可承載的主要業務包括CBTC列控業務、集群調度業務、列車PIS緊急文本、列車實時狀態監測、車載CCTV業務等。

相較于TETRA技術，基于LTE技術的無線寬帶集群通信（B-TrunC）系統在保證語音調度服務質量的前提下，帶寬更大，能夠進一步滿足文本、圖像、高速數據等調度業務的需求。

LTE（B-TrunC）與TETRA技術對比如表1所示。

表1 LTE（B-TrunC）與TETRA技術對比

3 系統設計方案分析

3.1 系統方案

LTE-M系統需要同時承載CBTC列控業務，根據信號設計要求，LTE-M系統分A、B雙網建設。A網綜合承載CBTC列控業務、集群調度業務、列車PIS緊急文本、列車實時狀態監測、車載CCTV業務；B網承載CBTC列控業務及集群語音業務備份。數據業務的LTE核心網（EPC）由各條軌道交通線獨立冗余配置，集群業務的LTE核心網（EPC）在線網中心處統一設置，兩種業務通過基站共享方式實現業務流分離。在傳輸層和核心層，數據業務與集群業務分離，軌行區業務實行綜合承載，非軌行區業務主要為集群調度業務，覆蓋設備獨立設置。針對LTE綜合承載網的無線覆蓋部分，區間采用泄漏同軸電纜分別饋入A、B網絡信號，不進行互饋。

集群業務的LTE核心網（EPC）應實現全網LTE集群調度的互通，考慮大量線路仍使用TETRA網絡，為保證線網集群業務互通，LTE-M系統可實現與TETRA網絡的語音級互聯。A、B網組成如圖1所示。

圖1 LTE-M系統組成

（1）LTE-M組網。

LTE-M系統基站的組網方式采用基站（BBU）+射頻單元（RRU）方案。線路所有車站、控制中心、場段均設置BBU/RRU設備，車站及場段BBU通過有線傳輸網提供的傳輸通道與核心網設備相連，RRU采用光纖與BBU直接連接。為實現區間TD-LTE無線信號覆蓋，一般采用在區間增設RRU方式，通過RRU將無線信號送入收發信號的漏泄電纜，實現隧道內覆蓋。

（2）LTE雙網方案描述。

信號CBTC系統需要保證冗余以及單點的故障不影響列車位置的定位。對于行車集群調度業務，尤其是列車的司機調度可靠性，需要在正線上保證單點故障的情況下調度業務能夠正常運行。隨著全自動駕駛和無人駕駛在上海軌道交通中的應用，LTE網絡自身的穩定性、可靠性顯得更為重要。

基于需求角度分析，采用LTE系統建設車地無線通信系統時，為增強系統的安全性，建議采用A、B雙網冗余設計，兩張網絡完全獨立（包括有線傳輸網絡），并行工作、互不影響。A網用于集群調度、列車運行控制業務、集群調度、緊急文本下發、車輛關鍵視頻監控、車輛狀態信息、乘客緊急對講業務；B網絡用于列車運行控制業務、集群調度。

A/B雙網的數據業務（包括信號列車運行控制業務、車載視頻監控、車輛狀態信息、緊急文本下發等）在核心網子系統、車站子系統及車載子系統內各設備設置完全一致，各單點主要設備（車載天線、BBU/RRU、交換機、服務器等）均為兩套，雙網唯一不同是頻段的分配和承載業務的主備功能。A/B雙網的集群業務（包括集群調度、乘客緊急對講業務等）在數據業務設備部署的基礎上，由A網在站廳、站臺等需要集群業務覆蓋的區域設置設備、天饋，B網不進行增設。集群業務核心網子系統為線網級冗余設置，多線共享，以保證線網集群業務的統一管理，減少后續線路建設成本。可設置與TETRA集群系統對接接口，實現與傳統TETRA制式業務互聯。

（3）QOS設置。

根據業務的重要性和傳輸性能要求，結合LTE對優先級和服務質量的分類，定義各車地通信業務的優先級和服務質量（延時、丟包等）。將列車運行控制業務的優先級設置為1，即系統中的最高優先級，由于緊急信息在特殊需求的情況下發，因此要求有較高的優先級、較低的時延和丟包率。車輛的視頻監控回傳定義為較低優先級。

通過對不同的業務劃分不同的優先級，可以保證列車運行控制業務傳輸的高優先級及服務質量（延時、丟包等），在此基礎上再進行其他業務的調度傳輸。

（4）時鐘同步。

LTE-M系統采用TD-LTE技術，要求無線幀嚴格同步，系統同步方式主要有兩種。

①衛星時鐘同步。

北斗/GPS向全球范圍內提供定時和定位的功能，全球任何地點的北斗/GPS用戶通過低成本的北斗/GPS接收機接受衛星發出的信號，獲取準確的空間位置信息、同步時標及標準時間。系統可在每個基站BBU設置北斗/GPS天線以獲取北斗/GPS定時信息。

②傳輸網絡PTP協議同步。

IEEE 1588v2同步方式是基于分組包的同步技術，簡稱PTP協議，是一種主從同步系統。在系統的同步過程中，主時鐘周期性發布PTP時間同步協議及時間信息，從時鐘端口接收主時鐘端口發來的時間戳信息，系統據此計算出主從線路時間延遲及主從時間差，并利用該時間差調整本地時間，使設備時間與主設備時間保持一致的頻率與相位。

考慮工程的實際建設情況，一般在核心網側安裝北斗/GPS天線獲取北斗/GPS定時信息，通過支持PTP協議的有線傳輸網絡將信號傳送至站場級BBU設備。此外可在BBU設備側設置GPS天線作為備用時鐘源。

3.2 冗余保護

因系統承載了大量行車相關信息的傳輸，在設計時應考慮具有更高可靠性的方案，降低系統故障概率和有關影響正常運行的隨機性。

（1）采用冗余措施保證系統的可靠性及可用性。

（2）采用已被證明具有高可靠性的元件。

（3）采用已被證明具有高可靠性的設計。

（4）避免會中斷運行的單點故障。

（5）提供各種故障情況下的“故障操作”能力。

（6）必須具備自診斷及告警功能。

（7）系統能提供可靠的“功能后備”運行方式。

（8）各網元設備本身應具備單板級備份，保證網元內單板故障后不影響正常工作。

（9）組網方案中不允許出現單點故障，需要存在多路徑或節點備份。

3.3 頻譜規劃

2003年工信部（信部無[2003]408號）文件規定，1 785～1 805 MHz頻段主要用于本地公眾網無線接入，本地專用網也可用于無線接入。將TDD系統5 MHz帶寬擴展為20 MHz帶寬，1 800～1 805 MHz擴展為1 785～1 805 MHz。

載頻中心頻率為1 785.125 MHz∶0.25 MHz∶1 804.875 MHz或1 785.25 MHz∶0.5 MHz∶1 804.75 MHz。

LTE-M原則上采用A網（15 Mbps）+B網（5Mbps）構建，站廳集群LTE網采用15Mbps構建。

考慮到1 785～1 805 MHz頻段并非城市軌道交通單一業務專用頻段，在高架區段會存在受到其他場所同頻信號覆蓋的影響，同頻干擾會對小區吞吐量、覆蓋范圍產生影響。所以規劃LTE頻率時，應充分考慮高架區間可能存在的干擾，盡量避免其他LTE系統對軌道交通LTE系統的干擾：

（1）對高架區間預先進行掃頻，了解其他LTE系統的覆蓋情況、頻率使用情況及覆蓋功率。

（2）針對其他LTE系統覆蓋情況，選擇適當無線信號覆蓋角度以對抗干擾。

（3）通過適當增加系統輸出功率，降低周圍其他干擾源的影響。

（4）針對干擾非常嚴重區域，建議采用行政干涉控制其覆蓋范圍，降低其對軌道交通LTE系統的干擾。

對于頻譜資源協調確實存在困難的區段，以滿足集群及信號CBTC業務帶寬需求的方式建設，如A網（15 Mbps）+B網（5 Mbps）方式。此條件下區段車載PIS、車載CCTV、車輛信息等需通過其他車地無線傳輸方案進行傳輸。

4 結語

隨著軌道交通的不斷發展，除基礎的語音調度功能，軌交運營管理部門對多媒體視頻調度的需求也不斷增加。LTE技術作為一種通用移動通信技術，不僅能保證語音通信質量，也能滿足運營維保人員對圖像、視頻、文件等多媒體調度功能需求。目前LTE-M作為車地無線傳輸技術已在軌道交通建設工程中逐漸普及，在應用過程中不斷完善和改進，基于LTE-M的集群調度系統能夠更好地為軌道交通的安全運營提供服務。