關(guān)于TD-LTE車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)承載城市軌道綜合業(yè)務(wù)的可行性分析

□ 文/劉宏

現(xiàn)有城市軌道車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的三大主要問題

當(dāng)前城市軌道交通中的行車指揮、列車控制、乘客資訊、列車視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)由于用戶需求的發(fā)展和技術(shù)水平的限制，只能通過窄帶無線或公共頻段獨立組網(wǎng)，解決車地通信傳輸需求，主要存在三大問題：

公共頻段易干擾，導(dǎo)致非預(yù)期停車頻發(fā)和直播視頻質(zhì)量低。CBTC（基于通信的列車控制系統(tǒng)）、PIS（乘客資訊系統(tǒng)，含車載視頻監(jiān)控）車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)主流使用2.4G WLAN覆蓋，因其為開放頻段，不可避免易受到外界2.4G系統(tǒng)干擾。無線干擾會引起車地傳輸大量丟包、數(shù)據(jù)重傳，導(dǎo)致CBTC系統(tǒng)制動停車、PIS系統(tǒng)視頻圖像出現(xiàn)馬賽克甚至卡頓。

隧道設(shè)備多維護(hù)量大，運維效率低。當(dāng)前城市軌道車地?zé)o線一般建設(shè)三張WLAN網(wǎng)絡(luò)，其中兩張用于承載CBTC系統(tǒng)，一張用于承載PIS系統(tǒng)。根據(jù)實際工程經(jīng)驗，一條20公里（上下行隧道共40公里）典型線路至少需要部署600個AP，AP數(shù)量繁多導(dǎo)致維護(hù)維修的工作量增加。

多網(wǎng)分建頻譜利用率低，建設(shè)成本高。車地?zé)o線WLAN網(wǎng)絡(luò)中CBTC業(yè)務(wù)占用2個頻點，對帶寬要求卻很低，只要求保證1M bps的帶寬，而PIS業(yè)務(wù)占用1個頻點，對帶寬的要求很高，至少要求保證10M bps以上。但是由于WLAN網(wǎng)絡(luò)分別建設(shè)的限制，CBTC網(wǎng)絡(luò)的無線資源無法和PIS系統(tǒng)共享，頻譜利用率很低。

城市軌道車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)多業(yè)務(wù)融合關(guān)鍵需求分析

城市軌道的系統(tǒng)需求及容量分析

表1 城市軌道的系統(tǒng)需求及容量分析

車地?zé)o線綜合業(yè)務(wù)關(guān)鍵需求

1、選擇專用頻點，規(guī)避其它無線系統(tǒng)干擾，建議采用1.8G行業(yè)頻段。

2、選擇抗多徑能力強(qiáng)的無線技術(shù)，適應(yīng)軌道隧道多徑環(huán)境覆蓋。

3、提供A、B雙網(wǎng)覆蓋，規(guī)避單網(wǎng)故障。

4、設(shè)備及單板提供冗余備份，規(guī)避單點故障。

5、通過避免隧道內(nèi)設(shè)備部署、減少軌旁設(shè)備數(shù)量、遠(yuǎn)程集中維護(hù)，降低運維難度和成本。

6、為實現(xiàn)多業(yè)務(wù)統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)承載，車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)需要滿足所有業(yè)務(wù)最嚴(yán)格的性能指標(biāo)。

● 傳輸時延：＜100ms。

●丟包率：靜止?fàn)顟B(tài)小于0.1%，行車狀態(tài)小于1%。

●帶寬：每列車下行9Mbps、上行7Mbps。

●移動性：越區(qū)切換時延＜100ms，支持120KM/H以上列車速度。

●可用性：可用度＞99.999%。

●空口128位的動態(tài)密碼，無線終端認(rèn)證通過后才能接入無線網(wǎng)絡(luò)。

●為不同業(yè)務(wù)分配不同的傳輸資源，并通過隧道、標(biāo)簽等技術(shù)實現(xiàn)業(yè)務(wù)安全隔離。

TD-LTE車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的總體架構(gòu)

車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)引入TD-LTE的優(yōu)勢

根據(jù)以上需求分析，建議引入TD-LTE技術(shù)組建車地?zé)o線寬帶網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)一承載車地間CBTC、PIS（含車載CCTV）和語音集群等綜合業(yè)務(wù), 實現(xiàn)真正的大帶寬高移動性車地?zé)o線傳輸。其優(yōu)勢在于：

1、自主產(chǎn)權(quán)，產(chǎn)業(yè)鏈完備：TD-LTE系統(tǒng)具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)，是公認(rèn)的移動通信主流技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)完善、公開、統(tǒng)一，產(chǎn)業(yè)鏈完備。

2、專用頻段，抗干擾強(qiáng)：采用專用頻段解決當(dāng)前CBTC系統(tǒng)易受外界干擾的問題；采用ICIC，IRC等抗干擾技術(shù)，解決系統(tǒng)內(nèi)干擾問題。

3、多網(wǎng)融合，資源共享：不同業(yè)務(wù)承載在同一張車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)上，減少網(wǎng)絡(luò)張數(shù)；對不同業(yè)務(wù)區(qū)分QoS，業(yè)務(wù)之間既能保證邏輯隔離，又能共享網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)資源，提高資源利用率。

4、高速移動狀態(tài)下大帶寬：AFC技術(shù)有效糾正快速移動下的多普勒頻偏，支持120 km/h以上高速移動，適合城市軌道大帶寬的特征需求，且滿足未來5-10年業(yè)務(wù)演進(jìn)要求。

由此可見采用TD-LTE技術(shù)組建車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)完全可以滿足系統(tǒng)先進(jìn)性、高可靠性、易維護(hù)性等要求。

TD-LTE車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)

車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)采用TD-LTE技術(shù)，提供A、B雙網(wǎng)設(shè)計，兩張網(wǎng)絡(luò)完全獨立，并行工作，互不影響。每個網(wǎng)絡(luò)包括了核心網(wǎng)（eCNS）、軌旁無線接入網(wǎng)（eNodeB）、車載無線終端 （TAU）。如圖1所示：

由于A、B網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)不同，A網(wǎng)絡(luò)獨立承載CBTC業(yè)務(wù)，帶寬需求小，B網(wǎng)承載PIS業(yè)務(wù)、語音集群業(yè)務(wù)以及CBTC備份，帶寬需求大，因此在頻段帶寬分配上，A網(wǎng)使用5M，B網(wǎng)使用10M。A、B網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部同頻組網(wǎng)，采用GPS進(jìn)行時鐘同步。

▲圖1 車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)

其中控制中心機(jī)房部署無線核心網(wǎng)和網(wǎng)管等，通過地鐵專用傳輸網(wǎng)與車站連接。無線基站(BBU)集中設(shè)置，為各車站提供無線接入服務(wù)。軌旁主要部署無線射頻單元(RRU)和漏纜。對于特殊地段（如高架段、車輛段）主要用全向天線和定向天線覆蓋。車輛中在車頭尾兩端分別部署車載無線終端，接入軌旁無線網(wǎng)絡(luò)。

TD-LTE車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)通過專頻雙網(wǎng)的可靠通信、長距離覆蓋車地統(tǒng)一運維體系、車地一網(wǎng)綜合業(yè)務(wù)承載功能，解決城市軌道車地網(wǎng)絡(luò)目前存在的問題，提高運營效率，以下將從網(wǎng)絡(luò)可靠性、抗干擾性等方面具體進(jìn)行分析。

網(wǎng)絡(luò)可靠性分析

CBTC網(wǎng)絡(luò)可靠性分析

對于CBTC業(yè)務(wù)來說，網(wǎng)絡(luò)的可靠且無單點故障才能確保業(yè)務(wù)可靠安全運行。系統(tǒng)采用了雙網(wǎng)冗余的設(shè)計，LTE無線信號冗余覆蓋，當(dāng)一張網(wǎng)絡(luò)故障后，業(yè)務(wù)系統(tǒng)能夠及時切換到另一張網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸。具體實現(xiàn)如下：

1、兩張網(wǎng)絡(luò)完全獨立，包括物理鏈路與設(shè)備，核心設(shè)備部署在控制中心，支持異地容災(zāi)部署，A、B網(wǎng)絡(luò)根據(jù)項目實際情況可以考慮異地部署。

2、基站設(shè)備冗余配置，部署在各個設(shè)備集中站, 通過不同交換機(jī)接入A、B網(wǎng)絡(luò)。

3、隧道中，A、B網(wǎng)通過合路器，使用兩根漏纜進(jìn)行信號覆蓋，消除天線單點故障。高架段A、B兩張網(wǎng)使用獨立定向天線覆蓋。

4、CBTC業(yè)務(wù)通過雙終端同時各接入A、B網(wǎng)絡(luò)，消息通過A、B網(wǎng)絡(luò)同時發(fā)送到地面業(yè)務(wù)中心。

通過雙網(wǎng)冗余覆蓋設(shè)計，消除CBTC業(yè)務(wù)的在車地?zé)o線網(wǎng)中的單點故障，確?？煽窟\行。

PIS網(wǎng)絡(luò)、語音集群網(wǎng)絡(luò)的可靠性分析

由于PIS網(wǎng)絡(luò)、語音集群網(wǎng)絡(luò)僅承載在B網(wǎng)絡(luò)中，為了保障PIS、語音集群網(wǎng)絡(luò)可靠穩(wěn)定承載，因此對于B網(wǎng)絡(luò)中的無線設(shè)備需要考慮單板級冗余配置，具體分析如下：

1、核心網(wǎng)設(shè)備單板級冗余

eCNS在軟硬件設(shè)計上，通過分布式、冗余等措施保證硬件的可靠性。采用分布式的軟硬件結(jié)構(gòu)，通過功能的模塊化設(shè)計實現(xiàn)分布式處理。各模塊功能相對獨立，并分別由不同的模塊負(fù)責(zé)控制，一個模塊的故障不會影響整個系統(tǒng)的正常運行。關(guān)鍵部件均采用多處理機(jī)冗余技術(shù)。

2、接入基站單板級冗余

eNodeB可通過基帶板間冗余備份功能，實現(xiàn)故障小區(qū)跨板重建，避免當(dāng)出現(xiàn)基帶板整體故障或基帶板部分處理資源故障時因資源限制無法實現(xiàn)板內(nèi)動態(tài)重建故障小區(qū)，保證小區(qū)業(yè)務(wù)能夠自動恢復(fù)，降低小區(qū)業(yè)務(wù)中斷時間，提高可靠性。

LTE無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過單板級冗余配置，確保設(shè)備可靠及業(yè)務(wù)穩(wěn)定運行。

車載通信網(wǎng)絡(luò)可靠性分析

在車載通信網(wǎng)絡(luò)中，為了保證通信穩(wěn)定可靠，通過部署兩個車載無線終端，業(yè)務(wù)終端與兩個車載無線終端相連。

如下圖2所示，兩TAU為主備模式，在正常情況下，主備之間有心跳檢測機(jī)制。當(dāng)備TAU檢測到主TAU故障時，備TAU接替主TAU工作，備狀態(tài)升級為主狀態(tài)，并將原先主狀態(tài)TAU重啟。TAU切換時延滿足300ms要求。

▲圖2 TAU主備檢測機(jī)制

多業(yè)務(wù)融合資源共享的可行性分析

在LTE 系統(tǒng)中，無線資源從時間和頻率兩個方面被劃分為了多個物理資源塊（PRB）。LTE 系統(tǒng)的資源調(diào)度，主要就是對這些PRB 進(jìn)行動態(tài)控制、調(diào)度及分配的過程。根據(jù)資源分配方式的不同，LTE資源調(diào)度分為集中式分配和分布式分配，集中式分配適用于非實時分組業(yè)務(wù)，分布式分配則適用于突發(fā)特征不明顯的實時性業(yè)務(wù)；按照業(yè)務(wù)類型的不同，常用分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)采用分組調(diào)度，而針對VoIP等突發(fā)包頻繁且包尺寸較小的業(yè)務(wù)，則采用半持續(xù)調(diào)度，LTE系統(tǒng)為VoIP 業(yè)務(wù)提前預(yù)留特定部分的靜態(tài)資源，從而確保了VoIP 的話音質(zhì)量。

同時LTE系統(tǒng)可提供差異化的QoS管理機(jī)制，即能夠根據(jù)業(yè)務(wù)不同的QoS要求，定義不同的資源分配、調(diào)度以及傳輸策略，通過有限的資源滿足更多用戶不同要求的服務(wù)，從而在系統(tǒng)容量與QoS之間達(dá)到最佳的平衡點。

由上可知，LTE系統(tǒng)通過時頻二維調(diào)度資源和差異化的QoS管理機(jī)制，較好的解決了多用戶間、多業(yè)務(wù)間的競爭干擾問，實現(xiàn)了多業(yè)務(wù)的融合和無線資源共享。

抗干擾分析

1、城軌隧道相鄰小區(qū)同頻干擾分析

系統(tǒng)內(nèi)干擾主要來自于同頻鄰區(qū)干擾，因而需要考慮同向隧道中前后同頻鄰區(qū)間的干擾及位于車站兩側(cè)雙隧道的兩個小區(qū)的相互干擾。下面分析兩類同頻干擾的嚴(yán)重性及抗干擾方案。

a、車站兩側(cè)雙隧道的兩個小區(qū)的相互干擾

按照下面室內(nèi)的Keenan－Motley傳播模型估算下車站兩側(cè)小區(qū)的同頻隔離度：

(f為工作頻率；D為手機(jī)到天線距離；P為墻壁損耗參考值，W為墻壁數(shù)目)

位于車站處的車輛接收本小區(qū)信號、對面小區(qū)的路損計算如下：

PL1＝32.5+20*log(1800)+20*log(2/1000)

PL2＝32.5+20*log(1800)+20*log(15/1000)＋10

其中距離天線即漏纜的距離D1按2米，無穿透損耗；D2按15米計算，P*W包含列車及屏蔽門穿透損耗，按10dB計算。

兩側(cè)小區(qū)信號隔離度＝PL2－PL1＝27.5dB，滿足下行的隔離度需求。上行不是極端的情況也可以滿足要求。

b、同向隧道中前后同頻鄰區(qū)間的干擾

前后鄰區(qū)同頻，如果不采取抗同頻干擾的措施，小區(qū)邊緣的上下行干擾嚴(yán)重，影響車地?zé)o線通信的可靠性。

TD-LTE系統(tǒng)通過調(diào)度算法、ICIC、IRC等來進(jìn)行小區(qū)間的干擾控制和協(xié)調(diào)和消除。

●調(diào)度技術(shù)：下行可采用業(yè)務(wù)異頻調(diào)度來滿足小區(qū)邊緣的告信噪比，保證小區(qū)邊緣的業(yè)務(wù)速率。

●ICIC：通過頻率規(guī)劃，達(dá)到小區(qū)中心同頻，相鄰小區(qū)邊緣異頻配置，可以得到更大的小區(qū)中心吞吐量，同時保證小區(qū)邊緣的較高信噪比，提高小區(qū)邊緣速率。

●IRC：通過基帶解調(diào)IRC(Interference Rejection Combining)算法，可以將單小區(qū)來自列車方向相反方向的干擾去除，適合地鐵場景的列車分布情況，IRC算法在系統(tǒng)中用于上行干擾消除。

2、隧道內(nèi)多徑干擾分析

TD-LTE系統(tǒng)采用為OFDM符號增加CP（循環(huán)前綴）的方式對抗多徑干擾，在信號的多徑不大于CP長度的情況下，保證了在多徑頻選信道中各子載波間的正交性，減少了子載波間干擾。

地鐵隧道采用泄漏電纜完成覆蓋，空中傳播路徑短，多徑時延差很小，避免了多徑干擾。

無線小區(qū)無損切換分析

單張LTE網(wǎng)內(nèi)，當(dāng)列車在不同小區(qū)間移動時，在列車前行的過程中，車載TAU會從一個RRU的覆蓋范圍移動到下一個RRU的覆蓋范圍，這時無線鏈路將發(fā)生切換，期間發(fā)生的無線鏈路切換操作是自動的。在TAU接入LTE網(wǎng)絡(luò)后，由網(wǎng)絡(luò)給TAU下發(fā)信號強(qiáng)度檢測測量消息，由TAU進(jìn)行信號強(qiáng)度檢測。當(dāng)信號強(qiáng)度滿足網(wǎng)絡(luò)側(cè)要求時，TAU給網(wǎng)絡(luò)上報測量報告消息，網(wǎng)絡(luò)側(cè)根據(jù)報告消息觸發(fā)切換動作，讓TAU從原先小區(qū)切換到信號強(qiáng)度較好的小區(qū)，如圖3所示。

因此TD-LTE系統(tǒng)的無損切換功能，完全可以保證TAU在兩個基站間切換時不丟包。同時TD-LTE小區(qū)切換算法支持100ms的數(shù)據(jù)緩存，在切換時通過發(fā)送緩存數(shù)據(jù)，使無線切換過程的無縫平滑，確保PIS等業(yè)務(wù)在切換

▲圖3 TAU越區(qū)切換示意圖

過程視頻不出現(xiàn)雪花或停頓等影響用戶體驗的現(xiàn)象。

綜述

綜上所述，TD-LTE車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)可以改變原有的城市軌道多張網(wǎng)絡(luò)承載多業(yè)務(wù)的局面，有效解決當(dāng)前車地?zé)o線系統(tǒng)分散建設(shè)、易受干擾、業(yè)務(wù)不連續(xù)的問題，利用一張網(wǎng)絡(luò)承載CBTC、PIS和多媒體集群業(yè)務(wù)，通過無線鏈路預(yù)算，QoS設(shè)計，時延設(shè)計確保網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，同時也充分滿足未來城市軌道業(yè)務(wù)擴(kuò)展的需求。當(dāng)然TD-LTE車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的實際運用也存在不少現(xiàn)實問題，還需要不斷的實際，結(jié)合其他新技術(shù)、新標(biāo)準(zhǔn)，使其在城市軌道行業(yè)中應(yīng)用得更加成熟性、可靠。