上海城市軌道交通LTE-M系統建設規劃研究

王 盛

(上海地鐵維護保障有限公司通號分公司， 200235， 上海∥工程師)

隨著無線通信的快速發展，各類不同體系的無線制式在各行業中有著不同程度的應用。隨著無線通信技術從2G(第2代移動通信技術)、3G(第3代移動通信技術)逐漸發展為4G(第4代移動通信技術)、5G(第5代移動通信技術)，其技術發展的總體趨勢一定是朝著高速化、大帶寬、高安全性方向演進。

在無線通信技術不斷快速發展的前提下，選擇一個合適的無線通信技術，為城市軌道交通的各類業務服務非常重要。從總體上看，城市軌道交通存在窄帶集群通信、寬帶數據通信等業務需求，為CBTC(基于通信的列車控制)、集群調度、乘客信息、視頻監控等系統等提供數據傳輸平臺。

目前，以LTE(長期演進)系統為代表的4G已全面商用，LTE-M (城市軌道交通用長期演進)是城市軌道交通未來的發展方向。中國城市軌道交通協會于2016年發布了《關于推薦城軌交通新線CBTC系統使用1.8 G專用頻段和LTE綜合無線通信系統的通知》(以下簡稱“通知”)。2018年，中國城市軌道交通協會發布了《城市軌道交通車地綜合通信系統(LTE-M)總體規范》(以下簡稱“規范”)。該規范規定了LTE-M系統的總體架構及系統功能，為今后的城市軌道交通車地綜合通信提供了建設的依據、標準和規范。

基于上述的通知與規范，在上海軌道交通14號線、15號線、18號線的建設中已經采用了基于TD-LTE(分時長期演進)技術的LTE-M系統的綜合承載方案。本文旨在對在通知與規范指導下建設的上海城市軌道交通LTE-M系統進行分析，總結該系統在建設過程中及投入使用后取得的經驗和遇到的問題，并根據存在的問題提出今后上海城市軌道交通LTE-M系統的建設規劃方案。

1 上海城市軌道交通LTE-M系統的業務需求及組網方案

根據通知與規范，結合上海城市軌道交通自身LTE-M網絡承載業務的特點與需求，形成了適合上海城市軌道交通的LTE-M組網方案。

1.1 無線通信業務在帶寬、安全性、冗余度上的需求

根據上海城市軌道交通目前存在的業務及未來需要承載的業務，結合通知與規范的要求，本文總結了無線通信系統的主要業務類型、功能及帶寬需求，如表1所示。其中，集群調度業務需滿足單個小區5路組呼、2路單呼，以及1路視頻呼叫(帶寬需求為512 kbit/s)、1路緊急車輛廣播的需求。單戶、組呼、視頻呼叫為長發性需求，緊急廣播為偶發性需求。集群調度的總體帶寬需求約為1 Mbit/s。冗余通道提供的呼叫需求為語音呼叫。

表1 上海城市軌道交通無線通信業務帶寬、安全性、冗余度的需求

1.2 LTE-M系統頻段分配及組網方案

根據工業和信息化部發布的工信部無[2015]65號《關于重新發布1 785～1 805 MHz頻段無線接入系統頻率使用事宜的通知》，城市軌道交通內LTE系統可申請1.8 GHz頻段(1 785～1 805 MHz)，共20 MHz帶寬。

上海城市軌道交通區域范圍內申請使用的專用頻段為5 MHz(頻率區段為1 800～1 805 MHz)。

在高架和地面區域剩余的15 MHz頻段為與其他行業共用的頻段，在地下區域剩余15 MHz頻段為城市軌道交通行業專用。

對于信號CBTC系統，需要能夠保證其系統的冗余以及單點的故障不影響列車位置的定位。而且，由于信號CBTC業務的特殊性，需要保證信號CBTC業務最大可能地避免受到同頻干擾。而對于行車集群調度業務，也需要保證在正線發生單點故障時調度業務的正常運作。此外，隨著全自動運行在上海城市軌道交通中的進一步應用，LTE網絡自身的穩定性、可靠性也顯得更為重要。

在上海市無線電委員會正式批復給上海城市軌道交通專用的5 MHz頻段(1 800～1 805 MHz)基礎上，為了充分利用有限的頻率資源、最大程度降低干擾，結合上海城市軌道交通無線通信業務帶寬、安全性、冗余度需求，LTE-M系統的頻段分配及組網方案如下：在建設LTE-M系統時可采用A、B雙網冗余設計，2個網絡完全獨立、并行工作、互不影響。表2為LTE-M系統頻段的具體分配情況，其中：A網用于列車運行控制、列車狀態數據傳送、集群調度(主用)、緊急文本下發、車輛視頻監控等業務，使用的公共頻段為1 785～1 800 MHz，頻率帶寬為15 MHz；B網絡用于列車運行控制和集群調度(備用)業務，使用的城市軌道交通專用頻段為1 800～1 805 MHz，頻率帶寬為5 MHz。這樣的頻段分配方式解決了高架車站有15 MHz頻段屬于公共頻段的問題，即使高架站的公共頻段受到同頻干擾，列車運行控制業務與集群調度業務也能承載在專用的5 MHz頻段內。

表2 LTE-M系統頻段分配表Tab.2 LTE-M system frequency band allocation table

1.3 線路高架區域同頻干擾的解決方案

考慮到LTE系統頻段較為緊張，可能會在部分線路高架區域存在同頻干擾的情況，而不同LTE系統之間的干擾會對小區吞吐量、覆蓋范圍產生影響，所以在建設時應考慮高架區域不同LTE系統間同頻鄰區的干擾。

為此，可以預先對高架區域進行掃頻，了解高架區間其他LTE系統的覆蓋情況、使用頻率及覆蓋功率。應根據掃頻結果，與相關先建LTE系統的使用單位進行溝通，協調各自公共頻段的頻點使用情況。協調后如仍無法避免使用公共頻點，則可以適當縮小小區半徑、提升小區邊緣信號的接收功率，以避免相互干擾；也可以針對先建LTE系統天線布點的具體情況，選擇適當的覆蓋方式及漏纜輻射角度，以對抗干擾。

2 上海城市軌道交通現有LTE-M系統存在的問題

上海軌道交通14號線、15號線、18號線無線通信系統的綜合承載基于規范要求進行建設。這3條線路采用了LTE-M技術的無線綜合承載，該技術在城市軌道交通業內已得到了成功的應用。但在實際的建設與使用中，LTE-M系統還存在一些問題，主要體現為以下幾個方面。

2.1 存在接入隱患

上海城市軌道交通管轄的線路多，單條線路建設的時間跨度大，今后的新線建設與老線改造時間跨度也較大，完成新老所有線路LTE-M系統的建設和改造可能需要20年以上的時間，而LTE-M系統設備壽命周期一般為10～15年。

現有的集群EPC(核心網)需要接入全線網的集群業務，以及除CBTC以外的其他數據業務中。隨著時間的推移，可能會出現因產品迭代導致今后的接入網設備無法接入現有集群EPC的情況。為了兼容新的接入網設備，集群EPC被迫換代，進而增加了建設費用。

目前,數據EPC設備采用各線路均獨立組網的方式，但由于城市軌道交通建設的特殊性，線路的延伸線一般會比正線晚幾年開通，屆時也將可能產生因產品迭代而導致的接入網設備無法接入數據EPC的問題。

2.2 部分設備受供應商管控

由于全線網共用一個主備冗余的集群EPC，這使得今后所有線路的A、B網接入層設備均需與此集群EPC對接。集群EPC與接入網設備如果不是同一供應商，不同供應商設備間的匹配性可能比較差，雖然可以完成互聯互通的基本功能，但其互聯互通穩定性和可靠性存在隱患。若為避免類似隱患，又存在著接入網設備被單一供應商壟斷的風險，導致造成后期續約成本偏高。

2.3 LTE-M系統統一網管有待完善

現有LTE-M系統的網管是按照業務各自設置的。對1條城市軌道交通線路而言，A、B網CBTC業務的EPC網管分別管理其接入網設備與CBTC業務的配置；而集群調度業務、除CBTC以外其他數據業務，以及站廳層接入網設備的管理與配置由集群調度業務核心的網管管理。從系統整體管理的角度看，缺少了統一管理LTE-M核心及接入網設備的網管。

2.4 線路聯絡線信號覆蓋不完整

聯絡線作為線路與線路之間的橋梁，使得列車跨線運行成為可能。隨著信號與車輛系統互聯互通要求的提高，今后列車的跨線運行也將可能實現。而既有的聯絡線區域只完成了A網的覆蓋，雖然可以滿足集群調度業務與除CBTC業務以外其他數據業務的正常使用，但不滿足CBTC業務的雙冗余需求，也可能會對列車跨線運行造成阻礙。

3 上海城市軌道交通LTE-M系統建設規劃方案

綜上所述，LTE-M系統的建設規劃不僅僅需要考慮新線的建設需要，更需要考慮老線改造的實際情況。

上海城市軌道交通應建設一個基于TD-LTE技術的城市軌道交通綜合無線寬帶網絡，采用LTE-M綜合承載方案，主要用以承載信號CBTC、集群調度、車載視頻重要圖像(1～2幅圖像)、乘客緊急按鈕視頻對講、乘客信息緊急文本通知、車輛狀態信息(影響行車安全的部分信息)等業務，其拓撲結構如圖1所示。

上海城市軌道交通LTE-M系統建設應從集群EPC和數據EPC、接入網和天饋設備、終端設備3個方面，結合CBTC、集群、車載視頻等業務發展與需求，整體考慮其建設規劃。

3.1 集群EPC的建設規劃

為了實現上海城市軌道交通線路LTE寬帶集群的互聯互通功能，應在主、備線網中心分別設置1套主備冗余的集群EPC，并且共享設置1套用戶歸屬服務器，以實現對多線LTE集群通信各類終端的注冊，從而實現覆蓋范圍內的用戶漫游通話、跨線通信等功能。

考慮到各線路LTE-M系統的建設周期長，存在著因產品迭代導致系統接入的隱患，建議在第1套集群EPC(主備冗余)進入半生命周期以后，開始引入第2套集群EPC(主備冗余)的建設。待第2套集群EPC建設完成后，后續開通的新線或大修改造的老線的集群調度業務均接入第2套集群EPC。而當第2套集群EPC進入半生命周期后，第1套集群EPC正好進入到大修周期，開始大修改造。

注：BBU——基帶處理單元；RRU——射頻拉遠單元；OCC——運營控制中心。

增加1套集群EPC雖然增加了建設的成本，但2套集群EPC分擔了今后上海城市軌道交通線網20余條線路的集群調度業務，可以很好地降低出現全線網集群調度業務中斷的可能性，減小了單套集群EPC的負擔；而且2套集群EPC的運營周期正好處在設備半生命周期上，大大增加了集群EPC設備的可維護性，也降低了今后集群EPC進入大修周期后大修改造的難度。

3.2 數據EPC的建設規劃

各城市軌道交通線路應分別設置A、B網2個數據EPC，以分別完成A、B網的數據業務的承載。為了滿足信號CBTC業務的冗余度要求，A、B網的數據EPC可分別設置在每條線路的OCC與車輛基地。由于A、B網的接入網設備分別接入2個數據EPC，為保證單線設備的一致性，建議單線路的數據EPC與其對應的接入網設備應采用相同的供應商設備。

隨著技術的不斷發展，信號系統今后也有互聯互通需求，因此各線路的A、B網的數據EPC應預留有線鏈路的互聯接口，今后如有必要，則可通過有線鏈路連接各個線路的A網和B網，最終形成2張線網級的A網、B網。

3.3 接入網、天饋及終端設備的建設規劃

接入網設備包括接入交換機設備、BBU設備和RRU設備；天饋設備主要包括泄漏同軸電纜、全向/定向天線；終端設備主要包括網管、手持終端、調度臺；車載設備包括TAU(車載接入單元)、集群車載臺、車載天線等。

考慮到今后信號系統的互聯互通需求，應在聯絡線完成A、B網的覆蓋，布設相應的接入網設備和天饋設備，以保證聯絡線CBTC業務的正常使用。

3.3.1 接入網設備的設置規劃

接入交換機應按A、B網分別獨立設置。BBU設備部署可參照信號系統中信號集中站的位置進行，布置在信號集中站內，其中：區間行車區域覆蓋BBU設備設置在車站的信號機房內；車站內覆蓋BBU設備設置在車站的通信機房內。

RRU的 A、B網設備在區間軌旁均勻部署，應包含聯絡線部分；集群業務需要覆蓋的區域，若與信號系統列車控制業務覆蓋區域重疊的，則共享其接入網設備，若不重疊，則單獨部署RRU的A網設備。

3.3.2 天饋設備設置規劃

站臺及正線區間的天饋設備通過泄漏同軸電纜進行覆蓋，正線上、下行線路的外側各敷設2條漏泄同軸電纜，分別饋入A、B網，以完成網絡覆蓋。

站廳的天饋設備由全向/定向天線進行覆蓋。由于站廳層無數據業務需求，僅有集群調度業務，因此至布設1套全向/定向天線，饋入A網，以完成站廳層的網絡覆蓋。

3.3.3 車載設備設置規劃

TAU由信號系統專用TAU設備、綜合承載TAU設備等組成。每列車兩側車頭位置應分別設置1套信號專用的TAU設備和1套綜合承載TAU設備，兩側信號/綜合承載TAU設備應互為主備，冗余熱備配置。信號專用TAU設備可同時接收且只接收A、B網中的列車運行控制信息。綜合承載TAU設備接收A網的綜合承載業務。

集群車載臺由車載主機、車載臺控制終端組成。每列車兩側車頭位置應分別設置1套集群車載臺，兩側設備應可同時運行但在同一時段內只有列車前進方向的一側處于激活狀態。

車載天線安裝于車輛兩端司機室外部，每列車的兩端司機室外部各設置1組(A、B網)，通過合路器及射頻饋線與TAU、集群車載臺相連接。

3.3.4 網管、調度臺設置規劃

LTE-M作為一個綜合承載系統，可以根據不同業務需求配置多個專項網管。

由于設計理念的差異，LTE原裝網管無法通過接口相互對接，且TAU與無線車載臺終端一般都采用二次開發設備，原裝網管也無法管理這些終端設備。

在線路級OCC通信機房設置線路級網管終端，分別接入集群EPC原裝網管和集群車載臺二次開發網管數據，以管理、配置本線路集群業務。

在線路級OCC信號機房設置線路級網管終端，分別接入線路數據EPC原裝網管和TAU網管數據，以管理、配置本線路數據業務。

可在線網中心設置1個LTE統一綜合網管，以獲取全線網所有EPC、RRU、BBU、TAU及集群車載臺的狀態信息，統一綜合網管只監不控。此外，還可進一步接入漏纜監測、接口監測等網管數據，最終實現1個網管統一管理全線網LET-M設備的目的。

各線路調度臺分別設置在各自OCC內，接入主線網中心集群EPC。各線路調度臺同時通過交換機和通信骨干網接入備線網中心集群EPC。調度臺設置浮動IP(互聯網協議)，保證任何單個集群EPC發生故障均不會影響調度臺的工作。

4 結語

上海城市軌道交通LTE-M系統的建設目的是為了實現綜合承載CBTC、集群調度以及和行車密切相關的業務。LTE-M應逐漸取代目前運行的窄帶集群、Wi-Fi(無線保真)等系統，最終建設成1個統一的城市軌道交通綜合無線寬帶網絡。