城軌車地LTE-M系統能力受限原因探討

王立銳

（安徽電信規劃設計有限責任公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

我國城市軌道交通（以下簡稱城軌）行業蓬勃發展，據中國城市軌道交通協會（以下簡稱協會）在《城市軌道交通2020年度統計和分析報告》指出，截至2020年底，大陸地區共有45個城市開通城市軌道交通運營線路244條，運營線路總長度7 969.7 km，日均客運總量達到5 131.7萬人次。軌道公司以及乘客對城市軌道交通的運營要求不斷提高，列車與地面之間的信息交互需求也在逐漸增加。目前城軌行業車地無線通信系統主要由基于通信的列車控制系統（CBTC）、視頻監控系統（CCTV）、乘客信息系統（PIS）、列車運行狀態監測系統、專用通信系統等多個部分內容共同構成。車地無線通信系統主要采用數字集群通信（TETRA）、無線局域網（WLAN）、長期演進（LTE）等通信網絡制式技術[1-2]。

而當前車地無線通信系統面臨著一個重要問題是，受限于移動性支持、傳輸速率、抗干擾等多種原因，多個車地無線通信系統能力均受到嚴重制約。具體表現有：視頻類數據實時傳輸性能不好，經常性出現卡頓、花屏、黑屏等現象；其他行業、公眾用戶等均可能對軌道交通通信系統形成干擾，造成列車緊急停車、大面積晚點等事件，影響軌道交通行車安全；無法實現新聞、天氣、通告等多媒體信息的實時畫面顯示。這些情況的發生在給乘客造成諸多不便的同時，更給軌道運營方帶來巨大挑戰。

關于城軌行業車地無線通信系統能力受限制的研究還有很多，如文獻[3]中對 IEEE 802.11ac版本的測試研究；文獻[4]中對不同帶寬下LTE網絡在中低量軌道交通上業務承載的方案建議；文獻[2]、文獻[5]探討了5G技術在城軌行業的應用前景。但大多均為討論城軌車地無線通信的可行性，均未能反映出LTE-M系統為什么在實際應用中受到諸多制約限制。

如何解決當前車地無線通信系統能力受限情況，適應全自動運行（FAO）線路需求及智慧城軌的發展方向，是城軌行業需要重點關注的課題。

1 車地無線通信系統需求測算

當前城軌車地無線通信系統主要有以下需求。

（1）帶寬。上行方向（車-地）。一般軌道交通列車為6節編組，每節車廂客室及列頭、列尾的司機室內部均設置2個監控攝像頭，此外第一節客室還設置 1個 LCD屏顯示狀態監測，共計17個視頻攝像頭；所有攝像頭均為720 P高清數字攝像頭，采用MPEG-2格式編碼，單路視頻傳輸帶寬需求約為2 Mbps；因此，若單列車所有監控視頻均需實時上傳總計約 34Mbps帶寬需求。目前城軌行業并不要求每個攝像頭的圖像實時上傳，通常為2路或4路即可；但究其原因還是由于 LTE-M 系統并不能很好的支持全部上傳帶寬需求，因此在實際應用時不得不對CCTV等大流量的部分業務予以舍棄。實際上，未來城軌行業運營服務的高效化、低成本、高安全性等發展趨勢，必然要求所有攝像頭均要能夠適時上傳。

此外，軌道路面監測、緊急呼叫視頻圖像、列車狀態監測及火災報警系統（FAS）等信息上傳預計需6Mbps帶寬需求。

下行方向（地-車）。為提供 PIS車載子系統的高可靠性，實現冗余管理，每列車需接收2路占用帶寬為8 Mbps的高清視頻信號；同時考慮到緊急文本、調度、車輛狀態信息等業務下行占用帶寬約1 Mbps。

綜上，單列列車車地無線通信帶寬需求詳見表1。

表1 單列列車車地無線通信帶寬需求Tab.1 train-ground wireless communication bandwidth requirements of single train

由表1可知，在不考慮乘客上網業務時，單列整車上行帶寬需求不小于 40 Mbps，下行帶寬需求不小于17 Mbps，合計吞吐率應不小于57 Mbps。按照通信系統設計一般冗余量25%考慮，城軌車地無線通信系統吞吐率應不低于72 Mbps。

（2）時延及丟包率。時延及丟包率對視頻播放等業務存在較大影響，時延及丟包率如果過大，會產生視頻播放卡頓、花屏甚至黑屏等現象。依據《城市軌道交通車地綜合通信系統（LTE-M）總體規范》（T/CAMET 04005-2018）要求，LTE-M系統支持的各類網絡業務丟包率均不超過1%、時延一般應控制在500 ms以內，其中CBTC業務的相關要求更高，單路單向傳輸時延不超過 150ms的概率不小于98%等。

（3）干擾。車地無線通信系統網絡環境復雜，包括PIS、CBTC、專用無線通信、公安/消防無線通信、公眾無線通信、緊急文本、列車行車綜合自動化系統（TIAS）信息等多個系統及業務。各系統、各業務無線網絡不能相互干擾，尤其是CBTC列車控制系統，安全性要求非常高。

（4）系統可維護性。部分系統如PIS等直接面向旅客，其系統好壞直接關系到軌道公司的企業形象，無形中也關系著當地及省份的形象；部分系統如CBTC等事關行車安全，對系統穩定性要求極高。因此車地無線通信系統應具備高可維護性。同時，在列車運營期間，因行車需要，隧道內部不能通過人工方式進行檢修，因此車地無線通信系統內所有設備均應具備網管在線管理功能，通過遠程方式實時查看設備運行狀態及告警等信息，從而快速定位并給出解決方案。

2 LTE-M

對于WLAN技術有兩個顯著問題：時延、干擾，這是由WLAN技術本身的特性決定，目前基于該制式下已應用的多個版本并無很好的解決方案；而且由于其調制方式、編碼方式、多址接入、天線分集、信道帶寬等原因，802.11、802.11a、802.11b、802.11g、802.11n等版本也無法滿足車地無線通信系統容量的需求。行業內關于WLAN技術的原因分析及解決方案的研究非常豐富，但更多以優化為主，偶見的從原理出發的解決方案如TD-Wifi等存在著技術私有化、產業鏈不豐富等問題。

對于TETRA技術，其主要應用于調度、公安消防等。由于其使用專有頻率資源，且一般其系統吞吐量較小，因此對城軌車地無線通信系統整體影響較小。

綜上，本文僅針對車地綜合通信系統（LTEM）技術，從技術原理出發進行詳細分析，最終得出LTE-M系統能力瓶頸的具體原因。

2.1 系統簡介

LTE-M 是針對城軌綜合業務承載需求的基于具有我國自主知識產權的分時長期演進（TD-LTE）網絡系統，可滿足 CBTC、CCTV、PIS、列車運行狀態監測、集群調度業務等運營安全需要。

2014年開通的鄭州地鐵1號線是國內第一條采用 LTE技術作為車地無線通信系統的線路。2016年5月，協會發布《關于推薦城軌交通項目新建CBTC系統使用1.8GHz專用頻段和LTE綜合無線通信系統的通知》（中城軌〔2016〕003號文），建議在2016年及以后新招標的工程項目中采用LTE-M技術規范。

截至目前，協會編制的LTE-M系列規范共由總體規范[T/CAMET 04005-2018]，接口規范[T/CAMET 04006-2018]，設備技術規范[T/CAMET 04007-2018]，測試規范[T/CAMET 04008-2018]，設計、工程規范[T/CAMET 04009-2018]等共計5部分19項組成。

LTE技術是由 3GPP組織制定的通用移動通信系統技術標準的長期演進，是 WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA等 3G（第三代移動通信）技術的后繼者，被大眾通俗地稱為4G，其主要存在時分雙工（TDD）和頻分雙工（FDD）兩種模式，其中我國軌道交通車地綜合通信系統使用的是TD-LTE。

2.2 帶寬

LTE技術具有高移動速度下保持較高性能（最高可支持350 km/h）；靈活的QoS等級策略設計；頻譜設置靈活、頻譜效率更高；小區干擾協調（ICIC）抑制算法；20 MHz帶寬內上下行峰值速率可分別達到50 Mbit/s、100 Mbit/s等優點。

但LTE技術使用授權頻譜，帶寬資源成為其系統能力的主要限制因素。

2015年2月，工業和信息化部《關于重新發布1785-1805 Mhz頻段無線接入系統頻率使用事宜的通知》（工信部無〔2015〕65號）規定，將1785-1805 MHz頻段用于滿足交通（城市軌道交通等）、電力、石油等行業專用通信網和公眾通信網的應用需求，接入系統采用時分雙工（TDD）方式，信道帶寬包括250 kHz、500 kHz、1 MHz、1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz。這一文件規定間接促成了城軌交通項目中 LTE-M 技術的規模應用，同樣，該規定中的最大10 MHz帶寬要求也是造成LTE-M系統能力瓶頸的關鍵原因。

2018年9月，協會發布的LTE-M系統規范中，總體規范（T/CAMET 04005-2018）及設計、工程規范（T/CAMET 04009-2018）均同樣規定，LTE-M系統配置的信道帶寬最大僅為10 MHz。

以上兩個文件從根本上造成了全國各城軌行業無論其具有何種頻率資源，但LTE-M系統均最大僅能使用10 MHz帶寬。

眾所周知，依據香農公式，信道容量與信道帶寬成正比。而車地無線通信系統需要承載的業務眾多，其中事關行車安全的CBTC系統的保障優先級最高，優先占用頻段資源，此時，CCTV及PIS等視頻業務的大數據流則難以保障。

2.3 系統容量計算

依據3GPP TS36系列協議，LTE系統名義帶寬與資源塊（RB）數量對應如表2。

表2 LTE系統名義帶寬與RB數量對應明細Tab.2 transmission bandwidth configuration NRB in E-UTRA channel bandwidths

LTE系統采用10 MHz帶寬，則對應RB數量為50個。每個RB中包括12個子載波，每個子載波占用1個子幀（2個時隙），每個時隙包括7個OFDM符號，每個OFDM符號包含6bit信息（下行64QAM最高調制方式）。

因此，在10 MHz帶寬情況下，LTE系統的理論峰值速率為：50（RB數）×12（子載波）×2（時隙）×7（OFDM符號）×6（承載信息bit）×2（多天線MIMO技術）bit/1 ms，即100.8 Mbps。TD-LTE系統無線幀結構，如圖1所示。

圖1 TD-LTE系統無線幀結構Fig.1 transmission bandwidth configuration NRB in E-UTRA channel bandwidths

每個10 ms無線幀包括2個長度為5 ms的半幀，每個半幀由4個數據子幀和1個特殊子幀組成，總計10個子幀，每個子幀上下行配比方式詳見表3。

表3中，“D”、“DL”代表下行傳輸，“U”、“UL”代表上行傳輸，“S”代表由DwPTS、GP、UpPTS組成的特殊子幀。

表3 TD-LTE系統無線子幀上下行配比方式Tab.3 transmission bandwidth configuration NRB in E-UTRA channel bandwidths

由此可見，同一帶寬下，不同的時隙配比方式對應著不同的上行和下行速率。不同帶寬不同的時隙配比對應上下行理論速率詳見表 4（因實際最大帶寬限制以及使用需求，僅測算 10 MHz和5 MHz情況，其他信道帶寬對應的峰值速率可同理計算得出）。

表4 不同帶寬不同的時隙配比對應的上下行理論速率Tab.4 theoretical uplink and downlink rates under different conditions

2.4 瓶頸原因分析

由第1章可知，城軌車地無線通信系統單列整車上行帶寬需求不小于 50 Mbps，下行帶寬需求不小于22 Mbps。

據此查表4可知：若采用TD-LTE系統，應主要考慮配置 0、1、6，同時其帶寬至少應為10 MHz。

但實際情況是，3GPP協議規定，LTE系統信道帶寬只能是固定的1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz，而允許用于城軌行業的10 MHz需要進行拆分，其中5 MHz用于保障CBTC系統，那么在剩余5 MHz信道帶寬的前提下，城軌車地無線通信系統需求無法得到全部滿足，尤其是CCTV、PIS等系統中包含視頻業務的大數據流量需求，而這也正是LTE-M系統能力瓶頸的具體原因所在。

實際上，由于最為寶貴的專用頻率資源的稀缺性，導致了城軌行業車地無線通信系統的改進和優化具有極大挑戰，甚至不得不因頻率不足而選擇其他折中方案或路線。

3 解決思路

如前述，當前城軌行業LTE-M系統的應用因帶寬問題產生能力瓶頸。為此，在綜合考慮車地無線系統的速率要求、移動性、安全性、實用性、系統復雜程度、產業鏈豐富程度等因素，提出以下解決思路。

一是推薦5G+LTE方案，即CBTC業務仍由LTE網絡承載；其他業務，尤其是高清視頻業務，改由5G承載。5G作為下一代通信技術的演進方向，具有大帶寬、低時延、高可靠等特性，是LTE技術的更高層次發展，其網絡性能能夠完全滿足軌道交通行業車地無線通信系統各類指標要求；同時 5G也是未來城軌行業智慧城軌領域建設的重要依托，軌道公司可以依托 5G網絡切片、邊緣計算等能力進行差異化定制組網，采用本方案完全吻合城軌行業的發展方向。

二是建議WLAN+LTE方案，即WLAN承載CBTC業務，通過采取5.8 GHz組網、加裝專用濾波器等防護措施以滿足CBTC安全性要求；LTE承載大流量業務，使用全部的10 MHz帶寬資源。但總體上看該方案是一種倒退，不能適應當前城軌行業的運營發展需要；而且WLAN網絡的安全性實現較為復雜。

三是考慮繼續采用LTE方案，但頻率分配進行重新調整。文獻[6]通過測試得出在1.4 MHz帶寬配置時，在滿足丟包和時延的條件下可承載 3路CBTC業務。此時，可以考慮就剩余頻率資源采用5 MHz、3 MHz作帶內載波聚合（CA）方式實現近似于8 MHz帶寬的效果，從而滿足車地無線通信系統需求。本方案實現形式較為簡單，組網技術在公用通信運營商層面已有非常豐富的實踐經驗，但一個顯著的問題是帶內載波聚合頻譜利用率較低，其實際速率需要進一步驗證。當然，也可以考慮引入其他頻譜資源進行帶外CA，但同樣存在著需要引入雙 RRU+漏纜方式進行復雜的系統部署等問題。

4 結論

本文通過對 LTE-M 的技術原理進行詳細分析，得出該系統能力受到制約的具體原因，對目前軌道公司運營服務的改進及發展方向的確定具有參考意義。

對于該系統能力受限可能的解決方案，由于其內容豐富，因此本文僅給出了一些可能的解決思路，各方案的具體內容還需要城軌行業內從業人員持續深入研究討論。