城市軌道交通LTE-M系統(tǒng)冗余配置研究

豐 磊

（北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070）

1 概述

目前城市軌道交通車地通信主要采用城市軌道交通長期演進系統(tǒng)（Long Term Evolution-Metro，LTE-M）實現(xiàn)，長期演進系統(tǒng)（Long Term Evolution，LTE）是基于3GPP標準的廣域無線技術(shù)體制，利用正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）和多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）等關(guān)鍵技術(shù)，顯著提高頻譜利用效率和數(shù)據(jù)傳輸速率，并可支持1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz多種帶寬分配方式。在抗干擾性、安全性、傳輸速率、延時、通信質(zhì)量等方面優(yōu)勢明顯。

2016年城市軌道交通協(xié)會推薦采用LTE-M技術(shù)承載基于通信的列車自動控制（Communication Based Train Control，CBTC）系統(tǒng)，這對LTE-M系統(tǒng)的安全性，設(shè)備的可靠性提出了更高要求。為保障LTE-M系統(tǒng)的穩(wěn)定性，滿足CBTC和綜合承載業(yè)務(wù)需求，降低LTE-M系統(tǒng)故障對列車運行的影響，LTE-M系統(tǒng)需考慮設(shè)備冗余配置。

2 網(wǎng)絡(luò)級冗余配置

LTE-M系統(tǒng)在進行綜合承載時，承載的主要業(yè)務(wù)包括：CBTC列車運行控制業(yè)務(wù)、集群調(diào)度語音業(yè)務(wù)、乘客緊急呼叫及列車廣播業(yè)務(wù)、列車緊急文本下發(fā)業(yè)務(wù)、列車運行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)、車載視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)、PIS視頻業(yè)務(wù)、集群調(diào)度視頻業(yè)務(wù)等。其中CBTC列車運行控制業(yè)務(wù)和列車運行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)與列車的運行直接相關(guān)。一旦這兩個業(yè)務(wù)出現(xiàn)問題，將導致列車緊急停車，嚴重影響軌道交通線網(wǎng)的行車秩序和生產(chǎn)安全。

對于列車運行直接相關(guān)的業(yè)務(wù)，LTE-M系統(tǒng)采用A、B雙網(wǎng)的建設(shè)方式進行冗余組網(wǎng)，A、B兩張網(wǎng)絡(luò)完全獨立，并行工作，互不影響。利用網(wǎng)絡(luò)級冗余保護機制，提高業(yè)務(wù)的可靠性。組網(wǎng)示意如圖1所示。

網(wǎng)絡(luò)級冗余組網(wǎng)架構(gòu)共分為4層。

1）中心設(shè)備：A、B核心網(wǎng)設(shè)備分別連接A、B傳輸網(wǎng)絡(luò)，同時連接至各自的業(yè)務(wù)平臺，A、B網(wǎng)同時承載列車運行直接相關(guān)的業(yè)務(wù)。

2）車站設(shè)備：車站設(shè)備主要為分布式基帶處理單元（Building Base band Unite，BBU），A網(wǎng)BBU通過A網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)連接到A網(wǎng)核心網(wǎng)。B網(wǎng)BBU通過B網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)連接到B網(wǎng)核心網(wǎng)。傳輸網(wǎng)絡(luò)通過VLAN劃分或物理形式相互隔離。A、B網(wǎng)BBU可采用同站址設(shè)置或隔站址設(shè)置方式。

3）軌旁設(shè)備：軌旁采用射頻拉遠單元（Remote Radio Unite，RRU）+漏泄同軸電纜方式覆蓋，RRU采用同站址方式進行設(shè)置，A、B網(wǎng)覆蓋區(qū)域完全相同。A、B網(wǎng)使用不同的頻段，實現(xiàn)異頻組網(wǎng)。A網(wǎng)RRU通過光纖接入到A網(wǎng)BBU。B網(wǎng)RRU通過光纖接入到B網(wǎng)BBU。A、B網(wǎng)RRU通過合路器將信號合路后饋入漏纜進行覆蓋。

4）車載設(shè)備：在列車上部署A、B網(wǎng)兩個車載接入單元（Train Access Unit，TAU），同時收發(fā)雙份列車運行直接相關(guān)的業(yè)務(wù)。

3 設(shè)備級冗余配置

3.1 核心網(wǎng)層配置

LTE-M系統(tǒng)A網(wǎng)核心網(wǎng)設(shè)備一般設(shè)置于主用控制中心，B網(wǎng)核心網(wǎng)設(shè)備一般放置于車輛段的備用控制中心。A、B核心網(wǎng)設(shè)備包括分組核心網(wǎng)（Evolved Packet Core，EPC）、核心路由器、核心交換機等。核心網(wǎng)層面的設(shè)備及冗余配置主要考慮因素如下。

1）全業(yè)務(wù)功能考慮

當LTE-M系統(tǒng)A網(wǎng)作為綜合承載業(yè)務(wù)網(wǎng)時，一旦發(fā)生核心網(wǎng)設(shè)備級故障，由于網(wǎng)絡(luò)級冗余配置，B網(wǎng)仍在運行。對于列車運行直接相關(guān)的業(yè)務(wù)，不會受到影響。但A網(wǎng)承載的其他類型業(yè)務(wù)，如車載視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)，PIS視頻業(yè)務(wù)等生產(chǎn)業(yè)務(wù)，將會受到影響，導致全線無法調(diào)看車載視頻，列車PIS業(yè)務(wù)出現(xiàn)花屏、卡頓等問題。

2）異地容災角度考慮

為了避免在控制中心因各種原因發(fā)生事故、造成全面癱瘓時退出運行而造成運營指揮的中斷，需考慮設(shè)置備用控制中心，以保證在主用控制中心因故退出運行后，能夠?qū)崿F(xiàn)在短期內(nèi)應急替代控制中心行使線路運營調(diào)度的基本職能。

基于以上兩點考慮，應在備用控制中心設(shè)置A’核心網(wǎng)設(shè)備，當A核心網(wǎng)設(shè)備無法正常工作。A’核心網(wǎng)設(shè)備可升級為主用核心網(wǎng)設(shè)備，并向基站發(fā)出鏈路切換通知，A’核心網(wǎng)將繼續(xù)工作，將核心網(wǎng)設(shè)備級故障影響降到最低。核心網(wǎng)層面的設(shè)備級冗余配置組網(wǎng)示意如圖2所示。

圖2 核心網(wǎng)層冗余配置組網(wǎng)示意Fig.2 Schematic diagram of core network layer networking of redundant configuration

路由器-A及路由器-A’為業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供鏈路，供業(yè)務(wù)系統(tǒng)接入使用；通過交換機-A和交換機-A’之間的高可靠性連接通道互聯(lián)，實現(xiàn)主用中心EPC-A與備用中心EPC-A’之間的心跳報文傳輸及歸屬用戶服務(wù)器（Home Subscriber Server，HSS）用戶數(shù)據(jù)的同步。交換機的狀態(tài)與本地EPC狀態(tài)保持一致；通過啟用路由器協(xié)議，主備中心兩臺路由器倒換與主備EPC倒換相互獨立，互不影響；BBU分別與EPC-A及EPC-A’兩套核心網(wǎng)建立連接，BBU根據(jù)權(quán)重選擇EPC，默認情況下主用中心的EPC權(quán)重高，為主用設(shè)備，BBU選擇主用中心的EPC進行數(shù)據(jù)傳輸。

當主備核心網(wǎng)層面的設(shè)備發(fā)生故障時，LTE-M主備核心設(shè)備工況統(tǒng)計如表1所示。

表1 LTE-M主備核心設(shè)備工況統(tǒng)計Tab.1 Operating condition statistics of LTE-M main and standby core equipment

通過以上分析，A網(wǎng)核心網(wǎng)設(shè)備采用設(shè)備級冗余配置，雖然存在增加設(shè)備投資的弊端，但從業(yè)務(wù)全功能實現(xiàn)及異地容災角度考慮，當LTE-M系統(tǒng)主用控制中心A網(wǎng)設(shè)備出現(xiàn)故障、斷電或整體退出服務(wù)時，設(shè)置在備用控制中心的A’核心網(wǎng)設(shè)備可不受影響，接替主用控制中心A網(wǎng)的全部業(yè)務(wù)。

3.2 車載接入層配置

在每一輛列車上部署兩臺A網(wǎng)TAU設(shè)備，分別設(shè)置在車頭和車尾，兩臺TAU為設(shè)備級冗余配置，互為主備，分別承載非列車運行直接相關(guān)的業(yè)務(wù)，如車載視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)，PIS視頻業(yè)務(wù)等。當主用TAU設(shè)備出現(xiàn)故障時，備用TAU繼續(xù)工作，不會影響相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸，如圖3所示。

圖3 車載接入層組網(wǎng)示意Fig.3 Schematic diagram of onboard access layer networking

4 板卡級冗余配置

4.1 核心網(wǎng)設(shè)備配置

LTE-M系統(tǒng)EPC采用先進電信計算架構(gòu)（Advanced Telecom Computing Architecture，ATCA），由電源模塊、風扇、交換板、業(yè)務(wù)板等構(gòu)成。業(yè)務(wù)板承載了數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)xGW（含S-GW、P-GW）、移動管理實體（Mobility Management Entity，MME）、HSS、集群控制實體（Trunking Control Function，TCF）、集群媒體實體（Trunking Media Function，TMF）等網(wǎng)元。EPC內(nèi)所有硬件單板均采用1+1配置方式，并且支持熱插拔功能。當其中一個板卡出現(xiàn)故障，另一塊相同功能的板卡將繼續(xù)運行，不會影響系統(tǒng)正常運行。

核心網(wǎng)交換機及路由器的板卡、電源等也采用冗余配置的方式，關(guān)鍵板卡的主備倒換不影響業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，并且支持熱插拔，全面保證系統(tǒng)的高可靠性，如表2所示。

表2 核心網(wǎng)交換機及路由器板卡冗余配置Tab.2 Redundancy configuration of core network switch and router board

4.2 基站設(shè)備配置

LTE-M系統(tǒng)基站采用分布式的架構(gòu)，其中室內(nèi)BBU單元為可擴展式設(shè)計。BBU主控板、電源板均采用1+1的冗余配置方式，基帶板采用1：1的冗余配置方式。BBU冗余配置如圖4所示。

圖4 BBU板卡冗余配置Fig.4 Redundancy configuration of BBU board

主備主控板連接至傳輸網(wǎng)絡(luò)，當主用主控板或主用S1鏈路出現(xiàn)故障時，備用主控板及備用S1鏈路啟用，繼續(xù)提供數(shù)據(jù)傳輸通道。

同樣，RRU通過Ir接口光纜連接至主備兩塊基帶板上。當主用基帶板發(fā)生故障時，備用基帶板啟用，從而提高數(shù)據(jù)承載的可靠性。

5 LTE-M系統(tǒng)冗余配置建議

結(jié)合實際城市軌道交通項目現(xiàn)狀，根據(jù)承載業(yè)務(wù)的不同，可選擇不同的LTE-M系統(tǒng)冗余配置方式。

只承載CBTC等與列車運行直接相關(guān)的業(yè)務(wù)。列車運行直接相關(guān)業(yè)務(wù)在數(shù)據(jù)傳輸時延、丟包率、上下行速率等方面均有明確的性能要求，必須保障業(yè)務(wù)的指標要求。LTE-M系統(tǒng)應采用網(wǎng)絡(luò)級及板卡級冗余配置方式，來滿足列車運行直接相關(guān)業(yè)務(wù)對LTE-M系統(tǒng)的高可靠性要求。

只承載車載視頻監(jiān)控、PIS視頻等生產(chǎn)類業(yè)務(wù)。此類業(yè)務(wù)為生產(chǎn)業(yè)務(wù)，不會直接影響列車運行。應考慮在板卡級冗余配置的基礎(chǔ)上進行設(shè)備級的冗余配置。滿足異地容災部署及核心網(wǎng)設(shè)備出現(xiàn)故障后，依然能夠保障業(yè)務(wù)功能的需求。

綜合承載類業(yè)務(wù)。此時LTE-M系統(tǒng)承載的業(yè)務(wù)既包括列車運行直接相關(guān)業(yè)務(wù)，也包括生產(chǎn)業(yè)務(wù)、維修類業(yè)務(wù)等。應根據(jù)城軌運行場景分析、可靠性分析及建設(shè)成本等綜合考慮LTE-M系統(tǒng)冗余配置。建議采用網(wǎng)絡(luò)級、設(shè)備級、板卡級3種冗余配置方式，保障所承載業(yè)務(wù)的可靠性及安全性。

6 結(jié)束語

采用LTE-M作為城市軌道交通車地無線通信技術(shù)已經(jīng)成為業(yè)界主流選擇。在LTE-M系統(tǒng)設(shè)計及建設(shè)前就應該考慮網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及系統(tǒng)冗余配置機制。LTE-M系統(tǒng)冗余配置的實施需要多種技術(shù)手段相互配合，也需要綜合考慮各個設(shè)備的故障率、系統(tǒng)宕機危害等級、故障恢復時間、投入成本等因素。在投入產(chǎn)出比合理的前提下，通過高可靠的LTE-M網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將大大提高LTE-M技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的適用性及安全性，降低運營風險及維護成本，使LTE-M系統(tǒng)更好地滿足城市軌道交通車地無線通信的需要。