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LTE技術(shù)在城市軌道交通車地通信中的應(yīng)用

顧蔡君

（中國鐵路通信信號(hào)上海工程局集團(tuán)有限公司，上海 200436）

摘要：分析無線局域網(wǎng)作為城市軌道交通車地傳輸系統(tǒng)存在的一些重要問題；介紹LTE的技術(shù)特點(diǎn)，提出將LTE應(yīng)用到城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)是很有必要的；針對(duì)城市軌道交通車地?zé)o線通信的綜合承載需求，設(shè)計(jì)基于LTE的城市軌道交通車地通信傳輸系統(tǒng)，并給出相應(yīng)的LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和測試方案，為城市軌道交通進(jìn)行車地信息綜合承載提供較為全面的視角和參考。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；車地通信；LTE；綜合承載

中圖分類號(hào)：U231.7；U285.5+5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-4440(2018)03-0051-06

DOI

10.3969/j.issn.1673-4440.2018.03.010

Application of LTE Technology in Train-Ground Communication for Urban Rail Transit

Gu Caijun

(China Railway Signal & Communication Shanghai Engineering Bureau Group Ltd., Shanghai 200436)

Abstract:This paper analyzes some important issues of using WLAN system as urban rail transit train-ground communication system, introduces the technical features of LTE technology, and puts forward the necessary of applying LTE in urban rail transit wireless communication system. Considering the integrated service capacity requirements in urban rail transit wireless communication, the paper presents the design of an urban rail transit wireless communication system based on LTE technology, as well as the LTE network architecture and test scheme accordingly. And it provides an overall perspective and reference for integrated train-ground communication in urban rail transit.

Keywords:

urban rail transit; train-ground communication; LTE; integrated service capacity

1 LTE的技術(shù)優(yōu)勢分析

1.1 抗干擾能力強(qiáng)

WLAN網(wǎng)絡(luò)由于工作在開放頻段，難以避免干擾；而LTE網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在專有頻段，具備系統(tǒng)內(nèi)完善的抗干擾機(jī)制。LTE主要基于IRC、ICIC等抗干擾技術(shù)，解決系統(tǒng)內(nèi)的干擾問題，能夠發(fā)揮毫秒級(jí)的調(diào)度機(jī)制，有效提高小區(qū)吞吐率，并降低小區(qū)邊緣頻率干擾。

1.2 移動(dòng)接入性強(qiáng)

WLAN的定位初衷是覆蓋辦公、機(jī)場、賓館等場所區(qū)域，旨在解決網(wǎng)絡(luò)布線的問題，其協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)確定了支持步行運(yùn)動(dòng)的慢速移動(dòng)；而LTE基于抗頻偏的算法，能夠支持350 km/h的高速移動(dòng)速度。LTE在上海磁懸浮得到的驗(yàn)證，說明其完全可以滿足地鐵移動(dòng)速度的要求。

1.3 覆蓋區(qū)域廣

與WLAN平均每200 m就要設(shè)置一個(gè)AP設(shè)備來說，1 km的覆蓋范圍大幅度減少了軌旁設(shè)備布設(shè)，設(shè)備量大大減少，便于后期的運(yùn)營維護(hù)[6]。

1.4 QoS保障

表1中，保證比三特速率(Guaranteed Bit Rate，GBR)為保證帶寬，表示系統(tǒng)能夠保證業(yè)務(wù)承載的最小帶寬；Non-GBR則與此相反，是指沒有配置保證帶寬的承載，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁堵的情況下，該承載的帶寬并不能被保障。

2 城市軌道交通車地?zé)o線綜合承載需求

城市軌道交通中的車地?zé)o線通信綜合傳輸平臺(tái)一般需承載CBTC、PIS、CCTV和列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)等4項(xiàng)基本業(yè)務(wù)。車地?zé)o線通信傳輸系統(tǒng)能夠在列車高速行駛過程中，提供低時(shí)延、高寬帶、穩(wěn)定性較強(qiáng)，并且具有QoS機(jī)制的列車運(yùn)行控制信息、PIS/CCTV信息的車地?zé)o線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載。

CBTC技術(shù)主要涉及自動(dòng)化控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及無線電通信技術(shù)。CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)支撐實(shí)現(xiàn)車載信號(hào)設(shè)備、軌旁信號(hào)設(shè)備、車站設(shè)備以及控制中心設(shè)備之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的信息連續(xù)交換功能，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)[7-8]。CBTC系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)列車運(yùn)行的高效安全控制，大容量、雙向連續(xù)的車地?cái)?shù)據(jù)通信系統(tǒng)應(yīng)具備幾點(diǎn)要求：1）車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍包括正線車站及區(qū)間、折返線、存/停車線、渡線區(qū)域；2）采用A/B雙網(wǎng)覆蓋，物理上完全冗余，確保信號(hào)系統(tǒng)的安全性不受單點(diǎn)故障影響；3）車載無線單元與基站之間在傳遞數(shù)據(jù)前，須建立授權(quán)并關(guān)聯(lián)；4）車頭、車尾分別提供與A、B網(wǎng)的無線傳輸通道。單網(wǎng)傳輸速率上下行至少達(dá)到100 kbit/s；單網(wǎng)信息丟包率應(yīng)低于1%，單網(wǎng)信息誤碼率小于10-6；單網(wǎng)跨區(qū)切換時(shí)間為100 ms以內(nèi)，信息經(jīng)有線和無線網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延應(yīng)在150 ms以內(nèi)；應(yīng)實(shí)現(xiàn)不低于120 km/h運(yùn)行速度下車地實(shí)時(shí)雙向通信。

PIS系統(tǒng)主要承載車載PIS直播業(yè)務(wù)（含緊急文本業(yè)務(wù)），通過車載PIS顯示終端實(shí)時(shí)顯示媒體新聞、乘車須知、政府公告、賽事直播等服務(wù)信息。按照規(guī)范，PIS視頻信息流需采用720P以上標(biāo)清碼流，每路圖像帶寬需求為下行46 Mbit/s，傳輸時(shí)延要求不超過300 ms。緊急文本為上行信息，按照點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式傳輸，帶寬需求為10 kbit/s。

列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)業(yè)務(wù)為周期性數(shù)據(jù)，需能夠進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，要求傳輸時(shí)延不超過300 ms的概率不小于98%。另外，列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視業(yè)務(wù)要求上行每路寬帶傳輸速率不小于24 kbit/s，最大傳輸速率100 kbit/s，信息丟包率應(yīng)低于1%。

城市軌道交通車地通信業(yè)務(wù)承載需求如表2所示。

3 基于LTE技術(shù)的車地?zé)o線傳輸通信

綜上所述，城市軌道交通車地?zé)o線傳輸通信系統(tǒng)可采用大帶寬、低時(shí)延、高可靠性的LTE技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建和設(shè)計(jì)，同時(shí)滿足CBTC、CCTV、PIS等系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息的綜合承載需求。

3.1 總體方案設(shè)計(jì)

應(yīng)用LTE技術(shù)進(jìn)行組建的車地?zé)o線傳輸通信系統(tǒng)整體架構(gòu)，如圖1所示。

車輛段、停車場、設(shè)備集中站以及試車線主要部署無線基站BBU，LTE基站通過以太網(wǎng)接入車站網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，通過LTE軌旁以太網(wǎng)與無線核心網(wǎng)和網(wǎng)管連接。在未部署B(yǎng)BU的車站，無線網(wǎng)信號(hào)的覆蓋主要依靠相鄰設(shè)備集中站的BBU接入實(shí)現(xiàn)。

在作為車輛通行通道的軌旁站臺(tái)區(qū)域，主要部署LTE的RRU設(shè)備，覆蓋站臺(tái)鄰邊區(qū)域。在高架以及隧道軌旁主要布置RRU和漏纜（1.8 GHz）等設(shè)備；車輛段分布較多道岔，是列車編組以及檢修的地方，一般布置RRU、BBU等設(shè)備，采用天線進(jìn)行覆蓋。

在列車車頭，車尾的司機(jī)室分別部署2個(gè)TD-LTE系統(tǒng)的車載終端TAU，這2套TAU分別駐留在A/B網(wǎng)上。TAU天線安裝在司機(jī)車廂外側(cè)上方或側(cè)面，并控制與漏纜盡量短的距離以及視線的無遮擋，保持良好無線傳輸。TAU通過以太網(wǎng)接口與車載列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)/列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（ATP/ATO）和PIS/CCTV連接，傳輸信號(hào)系統(tǒng)的控制信息、列車狀態(tài)、PIS/CCTV及票務(wù)等信息。

3.2 業(yè)務(wù)承載設(shè)計(jì)

對(duì)CBTC業(yè)務(wù)來說，需要在單點(diǎn)故障（核心網(wǎng)、基站、車載無線主機(jī)或者傳輸鏈路故障）下確保業(yè)務(wù)不間斷地傳輸。

要實(shí)現(xiàn)CBTC車地?cái)?shù)據(jù)的連續(xù)穩(wěn)定傳輸，CBTC業(yè)務(wù)系統(tǒng)需確保數(shù)據(jù)信息的雙份冗余及處理。CBTC業(yè)務(wù)系統(tǒng)在發(fā)送端對(duì)一樣的數(shù)據(jù)采取發(fā)送2份信息的方法，在接收端CBTC業(yè)務(wù)系統(tǒng)獲得2份信息，只要正確接收到其中1份信息，就可以正確獲取發(fā)送端的數(shù)據(jù)。

基于CBTC業(yè)務(wù)系統(tǒng)傳輸車地?cái)?shù)據(jù)的特征，LTE網(wǎng)絡(luò)可以采取A/B獨(dú)立雙網(wǎng)的冗余設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來承載CBTC等系統(tǒng)業(yè)務(wù)。A/B獨(dú)立雙網(wǎng)主要由A/B雙核心網(wǎng)和A/B無線雙網(wǎng)組成。

A/B無線雙網(wǎng)能夠保證在軌旁由2張無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線信號(hào)的冗余覆蓋。A/B無線網(wǎng)絡(luò)分別基于不一樣的頻點(diǎn)F1和F2進(jìn)行交織組網(wǎng)，如圖2所示。而A無線網(wǎng)絡(luò)和B無線網(wǎng)絡(luò)均采用同頻組網(wǎng)的方式。A/B雙核心網(wǎng)即是2個(gè)獨(dú)立的核心網(wǎng)。A無線網(wǎng)和A核心網(wǎng)構(gòu)成能夠進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)通信的LTE-A 網(wǎng)絡(luò)，B無線網(wǎng)和B核心網(wǎng)構(gòu)成能夠進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)通信的LTE-B網(wǎng)絡(luò)。無線網(wǎng)絡(luò)的無線信號(hào)覆蓋通過共用漏纜來完成。

根據(jù)城市軌道交通車地?zé)o線綜合業(yè)務(wù)承載不同業(yè)務(wù)的要求，結(jié)合LTE對(duì)優(yōu)先級(jí)和服務(wù)質(zhì)量分類，將各業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)和服務(wù)質(zhì)量（延時(shí)、丟包等）定義如表3所示。基于LTE網(wǎng)絡(luò)的QoS保障策略，需為CBTC業(yè)務(wù)分配最需要的優(yōu)先級(jí)，從而滿足CBTC業(yè)務(wù)的速率、時(shí)延和丟包率要求，因此將CBTC業(yè)務(wù)設(shè)置為GBR承載類型并賦予其相對(duì)較高的優(yōu)先級(jí)；CCTV和PIS業(yè)務(wù)可以設(shè)置為Non-GBR承載類型，并賦予其較低的優(yōu)先級(jí)，這樣即使在一張網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)傳輸CBTC、CCTV及PIS業(yè)務(wù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通道擁塞時(shí)，也會(huì)優(yōu)先保證CBTC業(yè)務(wù)信息的順利傳輸。

3.3 測試方法和手段

為了驗(yàn)證采用LTE技術(shù)設(shè)計(jì)的城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)的應(yīng)用可行性，需要在真實(shí)的軌道線路現(xiàn)場實(shí)施測試。測試基本流程：首先，LTE的組網(wǎng)方式基于實(shí)際工程進(jìn)行構(gòu)建，測試LTE系統(tǒng)在真實(shí)環(huán)境中的各項(xiàng)性能是否達(dá)標(biāo)；其次，當(dāng)完成LTE系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)測試后，分析該LTE系統(tǒng)是否能夠滿足當(dāng)前城市軌道交通車地?zé)o線通信的綜合承載業(yè)務(wù)需求；最后，基于結(jié)果分析，判斷LTE技術(shù)在城市軌道交通車地通信中應(yīng)用是否具備現(xiàn)實(shí)可行性。

因測試要求，基于LTE技術(shù)的車地?zé)o線傳輸通信系統(tǒng)采用A/B雙網(wǎng)、全線冗余覆蓋的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建，一同承載測試CBTC等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。如果能申請(qǐng)到20 MHz的頻寬資源，則可用15 MHz和5 MHz分成A/B雙網(wǎng)組網(wǎng)或兩個(gè)10 MHz組成A/B雙網(wǎng)，兩種組網(wǎng)方式及業(yè)務(wù)承載如表4所示。LTE系統(tǒng)的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都含有核心網(wǎng)、BBU、RRU以及車載無線終端等設(shè)備。基站基帶處理單元與2套LTE的EPC主要通過以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行連接，與軌旁的RRU主要通過光纜進(jìn)行連接。

測試手段可以采用業(yè)界著名的Ixchariot工具，服務(wù)器端設(shè)置在地面，分別在車載和地面布置測試節(jié)點(diǎn)。LTE的CBTC、CCTV和PIS的業(yè)務(wù)承載測試內(nèi)容基本包含列車狀態(tài)信息靜態(tài)測試、傳輸延時(shí)性能測試、丟包性能測試、切換延時(shí)性能測試、切換丟包性能測試、傳輸中斷概率測試、擁塞場景性能測試、干擾性能測試和異頻異帶寬切換場景測試等。

4 結(jié)束語

綜上分析，無論是抗干擾能力、可維護(hù)性還是服務(wù)質(zhì)量，LTE相比WLAN都有很大的優(yōu)點(diǎn)和潛力。采用LTE技術(shù)設(shè)計(jì)的城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)，滿足承載CBTC、CCTV、PIS等業(yè)務(wù)信息的綜合需求，為城市軌道交通的高效運(yùn)營提供有力的保障。當(dāng)然，LTE近些年來才在城市軌道交通綜合承載中獲得應(yīng)用，在一些方面和領(lǐng)域還需要改進(jìn)和提高，比如各廠家互聯(lián)互通、切換邊緣速率低等問題。可以預(yù)見，未來城市軌道交通領(lǐng)域是LTE最重要的應(yīng)用市場之一。

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（收稿日期：2017-09-06）

（修回日期：2017-10-20）