軌道交通車地通信TD-LTE綜合業(yè)務承載研究

顧向鋒，孫寰宇

(1.中國通信建設集團設計院有限公司第四分公司，鄭州 450052；2.鄭州市軌道交通有限公司，鄭州 450002)

軌道交通車地通信TD-LTE綜合業(yè)務承載研究

顧向鋒1，孫寰宇2

(1.中國通信建設集團設計院有限公司第四分公司，鄭州 450052；2.鄭州市軌道交通有限公司，鄭州 450002)

為研究采用TD-LTE技術進行軌道交通綜合業(yè)務承載的可行性，分析車地通信業(yè)務的承載需求和TD-LTE的技術特點，提出一種適用于軌道交通綜合業(yè)務承載的TD-LTE車地無線技術方案，并在鄭州市軌道交通1號線一期工程上進行測試驗證，結果表明，TD-LTE技術可以滿足軌道交通綜合業(yè)務承載的需要。

TD-LTE；車地通信；綜合業(yè)務承載；Qos

1 概述

隨著我國城市化進程的加快，大量流動人口涌進城市，私家車數(shù)量迅速增長，使城市交通面臨著巨大的壓力，交通擁堵、空氣污染日益嚴重，嚴重影響了城市的經(jīng)濟發(fā)展和人們的日常生活。因此各大中城市都在積極發(fā)展大容量、快捷、準點、安全的城市軌道交通系統(tǒng)。

而車地無線通信作為保障城市軌道交通安全運營的重要環(huán)節(jié)，承載了列車控制系統(tǒng)(CBTC，Communication Based Train Control system)、列車運行監(jiān)測系統(tǒng)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)(CCTV，Closed Circuit Television)，乘客信息系統(tǒng)(PIS，Passenger Information System)等信息的傳送，可謂是軌道交通系統(tǒng)的神經(jīng)中樞。

目前，城市軌道交通中車地無線通信主要采用無線局域網(wǎng)(WLAN)技術。工程實踐證明，雖然WLAN可以滿足當前車地無線通信可用性、可靠性、安全性等要求，但其存在諸多局限性，比如：

(1)運行速度限制，仿真和研究表明，列車速度超過120 km/h時，誤碼率會急劇增加；

(2)覆蓋距離短、鏈路設計復雜，需要在沿線安裝大量的AP及附屬設備，降低系統(tǒng)的可靠性和可用性，而且頻繁的AP間切換，影響通信質量[1]；

(3)無線干擾嚴重，WLAN工作在開放頻段，容易受到便攜式WIFI等其他電子設備的干擾，影響軌道交通安全運營[2]；

(4)多業(yè)務并發(fā)時無法按照優(yōu)先級調度，無法保證高優(yōu)先級業(yè)務的實際使用帶寬，不適用于綜合業(yè)務承載。

為提高城市軌道交通運營安全性和服務水平，迫切需要整合車地無線通信生產(chǎn)業(yè)務承載需求，建立基于城市軌道交通專用無線頻段的車地通信系統(tǒng)，使得CBTC信息、列車狀態(tài)監(jiān)測信息、CCTV、PIS(含緊急文本)等能及時、準確地傳輸，為城市軌道交通系統(tǒng)的安全、高效運營提供有力支撐。

2 車地通信業(yè)務承載需求

2.1 CBTC系統(tǒng)應用需求

CBTC系統(tǒng)完成對車輛安全行駛的控制功能，需覆蓋城市軌道交通的正線(含折返線、聯(lián)絡線)、出入段/場線、段/場咽喉區(qū)、段/場車庫內、試車線。系統(tǒng)要求采用獨立的雙網(wǎng)冗余物理通信通道設計，并對傳輸數(shù)據(jù)加密，保證通信安全，試車線部分需與其他部分隔離。整條線路每列車單網(wǎng)傳輸速率不低于200 kbps，上下行各100 kbps[3]，誤碼率小于或等于10-6，越區(qū)切換時間和傳輸時延在150 ms以內，且雙網(wǎng)中同一時刻至少有一個網(wǎng)絡無中斷。

2.2 列車運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應用需求

列車運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，用于保障車輛運行期間關鍵設備系統(tǒng)的安全運轉，包含信息采集、信息傳輸、信息顯示、信息處理和分析以及信息發(fā)布等5個環(huán)節(jié)[4]。

列車運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)信息傳輸為單向傳輸，信息采集量有1 500個開關量，每個1 bit；500個模擬量，每個2字節(jié)。一次采集的信息量為9.5 kbits，采集周期為300 ms一次，按每秒4次來計算，傳輸速率為38 kbps。考慮一定的信息傳輸余量，共需要傳輸速率為100 kbps。列車運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)車到地的信息傳輸時延要求小于150 ms，丟包率要求低于1%。

2.3 CCTV系統(tǒng)應用需求

車載CCTV視頻監(jiān)控圖像回傳將車載視頻監(jiān)控圖像上傳到控制中心，在正常情況下，正線全線需向中心上傳2路客室監(jiān)控圖像信息。車載CCTV業(yè)務上行帶寬需求為2×2 Mbps=4 Mbps[5]。列車?？吭谲囕v基地時，中心可同時調取4路客室監(jiān)控圖像的錄像信息，上行帶寬需求為4×1 Mbps=4 Mbps。CCTV系統(tǒng)傳輸時延要求小于300 ms，時延抖動要求小于100 ms。

2.4 PIS系統(tǒng)應用需求

PIS系統(tǒng)(含緊急文本)需將播控中心下發(fā)的播放節(jié)目，如緊急文本信息、行車信息、新聞廣播、旅行指南、換乘信息、在線廣告等便民信息在車載PIS顯示屏上實時顯示[6]。

PIS圖像采用標清圖像質量，每列車業(yè)務信息承載帶寬為下行2 Mbps。在正常情況下，無線小區(qū)內有兩列車，PIS圖像下發(fā)播放的帶寬需求為2×2 Mbps=4 Mbps(下行信息)。在有條件時，采用高清(1 080 P)圖像質量預設業(yè)務信道帶寬，則每路圖像帶寬需求為下行4～6 Mbps。緊急文本信息帶寬需求為10 kbps。PIS系統(tǒng)傳輸時延要求小于300 ms，時延抖動要求小于100 ms。

2.5 車地無線通信需求總結

城市軌道交通生產(chǎn)業(yè)務車地無線通信需求總結見表1。

表1 車地無線通信需求

3 車地通信綜合業(yè)務LTE承載技術分析

LTE是3GPP制定的全球通用標準，在20 MHz帶寬組網(wǎng)，單天線傳輸情況下，峰值速率下行可達100 Mbps，上行可達50 Mbps，同時LTE采用扁平的網(wǎng)絡架構，降低控制面和用戶面時延，采用了OFDM(正交頻分復用)、MIMO(多入多出)、HARQ(混合自動重傳請求)等先進技術，有效提高數(shù)據(jù)速率、頻譜效率和抗干擾性能，且提供綜合業(yè)務承載的優(yōu)先級調度和高速移動性支持，并通過抗干擾技術和安全機制保證無線數(shù)據(jù)業(yè)務的安全可靠傳輸[7]。

TD-LTE是TDD(時分復用)版本的LTE技術，也是中國擁有核心自主知識產(chǎn)權的4G國際通信標準技術，是一種專門為移動高寬帶應用而設計的無線通信標準。工信部已于2013年底向3家運營商頒發(fā)了TD-LTE牌照，從當前TD-LTE網(wǎng)絡商用情況來看，TD-LTE網(wǎng)絡的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀已經(jīng)成熟，網(wǎng)絡覆蓋、連續(xù)覆蓋與切換等性能指標都已達到預期要求。

3.1 綜合業(yè)務Qos保障

LTE系統(tǒng)按照預定義的可能承載業(yè)務類型，對應不同的服務質量(延時、丟包等)要求，定義了9個QCI(服務質量類別標識)[8]，如表2所示。系統(tǒng)根據(jù)QCI對應的優(yōu)先級進行資源分配和調度，優(yōu)先級越小者優(yōu)先保障資源分配和調度。

表2 LTE的業(yè)務優(yōu)先級分類

3.2 高速移動性支持

LTE支持350 km/h的終端移動速度(在某些頻段甚至支持500 km/h)[9]。

對于移動通信系統(tǒng)而言，當移動終端速度達到200 km/h以上時，需要考慮多普勒頻移效應的影響。LTE在設計上已有所考慮，在基站側接收機采用AFC(Automatic Frequency Control，自動頻率控制)進行頻率糾偏。AFC通過快速測算高速移動帶來的頻率偏移，補償多普勒效應，改善無線鏈路的穩(wěn)定性，從而提高解調性能。

3.3 安全機制

無線網(wǎng)絡的安全隱患主要來自無線空口的惡意接入和偵聽。終端UE在接入LTE無線網(wǎng)絡時，必須首先通過LTE無線核心網(wǎng)的認證和鑒權，避免未授權終端進入網(wǎng)絡和未授權網(wǎng)絡接收終端接入。此外，LTE采用AES(高級加密標準)、SNOW-3G或者祖沖之算法對數(shù)據(jù)進行加密和保護，支持128位動態(tài)密碼，有效防止數(shù)據(jù)被竊取和篡改[10]。

3.4 抗干擾技術

LTE網(wǎng)絡采用專用頻段，針對系統(tǒng)內部存在的同頻干擾，LTE采用ICIC(Inter-Cell Interference Coordination， 小區(qū)間干擾協(xié)調)技術進行小區(qū)間的干擾協(xié)調，采用IRC(Interference Rejection Combining)技術進行干擾消除[11]，有效提高了小區(qū)邊緣的業(yè)務速率和用戶體驗。

4 車地無線通信綜合業(yè)務承載方案

4.1 組網(wǎng)架構

基于TD-LTE技術的城市軌道交通車地無線寬帶網(wǎng)絡，主要承載CBTC系統(tǒng)，列車運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、CCTV和PIS系統(tǒng)信息的傳輸。該網(wǎng)絡支持未來業(yè)務擴展，可承載語音調度和列車維護等其它業(yè)務。

網(wǎng)絡的整體邏輯架構分為3個部分：核心層、接入層、終端層[12]，如圖1所示。

圖1 LTE綜合承載總體邏輯架構

核心子系統(tǒng)：是整個無線網(wǎng)絡關鍵部分，完成無線傳輸數(shù)據(jù)的匯聚與分發(fā)，與其它業(yè)務子系統(tǒng)互聯(lián)，為它們提供可靠的雙向數(shù)據(jù)通信服務，所有的無線接入數(shù)據(jù)都需要通過核心層與外部系統(tǒng)通信。核心子系統(tǒng)同時負責整個網(wǎng)絡的管理與維護。

接入子系統(tǒng)：提供軌道沿線無線接入服務，同時上行接入地面有線網(wǎng)絡，與中心子系統(tǒng)對接，完成對各類業(yè)務的數(shù)據(jù)傳輸。

車載無線終端: 由車載無線終端組成，用于連接軌旁無線網(wǎng)絡，發(fā)送和接收業(yè)務信息。

采用TD-LTE技術建設車地無線通信系統(tǒng)時，為增強系統(tǒng)的安全性，建議采用A、B雙網(wǎng)冗余設計，兩張網(wǎng)絡完全獨立，并行工作，互不影響。A網(wǎng)絡單獨用于CBTC業(yè)務的承載，B網(wǎng)用于CBTC業(yè)務備份和列車運行狀態(tài)監(jiān)測、PIS及CCTV業(yè)務的承載，兩網(wǎng)具有自動倒換功能，當其中一個網(wǎng)絡出現(xiàn)故障期間，自動由另一張網(wǎng)絡承載所有業(yè)務。

4.2 Qos規(guī)劃

根據(jù)業(yè)務的重要性和傳輸性能要求，結合LTE對優(yōu)先級和服務質量的分類，按表3所示，定義各車地通信業(yè)務的優(yōu)先級和服務質量(延時、丟包等)。

將CBTC列車控制信號承載業(yè)務的優(yōu)先級設置為1，即系統(tǒng)中的最高優(yōu)先級。由于緊急信息在特殊需求情況下下發(fā)，因此也要求有較高的優(yōu)先級，較低的時延，丟包率也要較低。而車廂的CCTV視頻監(jiān)控回傳，PIS多媒體流則定義為低優(yōu)先級。

表3 業(yè)務優(yōu)先級和服務質量劃分

通過給不同的業(yè)務劃分不同的優(yōu)先級，可以保證CBTC業(yè)務傳輸?shù)母邇?yōu)先級及服務質量(延時、丟包等)，在此基礎上再進行其它業(yè)務的調度傳輸。

4.3 方案驗證

TD-LTE的傳輸性能和切換時延，在商用通信系統(tǒng)中已經(jīng)被廣泛測試證明，完全可以滿足軌道交通車地通信各種生產(chǎn)業(yè)務的傳輸性能需求。

為驗證TD-LTE系統(tǒng)在城市軌道交通車地無線通信多業(yè)務綜合承載的可行性，以及各廠商信號系統(tǒng)對TD-LTE傳輸通道的適應性，我們在鄭州地鐵1號線搭建了TD-LTE綜合業(yè)務承載測試平臺，方案如圖2所示。

圖2 TD-LTE網(wǎng)絡綜合業(yè)務測試方案

為簡單起見，采用單網(wǎng)系統(tǒng)進行綜合業(yè)務承載的可行性驗證，實際建設建議采用雙網(wǎng)冗余組網(wǎng)，提高可靠性。鄭州軌道交通1號線一期工程共部署24個BBU，67個射頻拉遠單元RRU和50個車載無線單元TAU。正線隧道內通過漏纜進行覆蓋，與商用通信系統(tǒng)共漏纜，RRU通過頻分合路器與商用系統(tǒng)合路出兩路信號接入2根漏纜進行無線覆蓋，車站和車輛段等特殊地段采用全向和定向天線進行覆蓋。

業(yè)務系統(tǒng)中，CBTC業(yè)務信息、列車實時狀態(tài)信息采用模擬方式進行業(yè)務數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，車載CCTV監(jiān)控圖像信息和PIS圖像信息采用真實設備進行發(fā)送和接收。

測試時，使用業(yè)務模擬器產(chǎn)生2路模擬CBTC業(yè)務，1路列車狀態(tài)信息業(yè)務，列為最高優(yōu)先級；在15 M帶寬，20 W發(fā)射功率，上下行子幀配比2∶2的條件下，上傳兩路CCTV視頻監(jiān)控，速率為2×2 Mbps；下行分發(fā)一路PIS視頻，速率為6 Mbps，使用業(yè)務模擬器產(chǎn)生1路緊急文本業(yè)務。承載測試結果如下。

(1)CBTC業(yè)務測試

列車在車速分別保持20、40、60 km/h的情況下，進行了CBTC業(yè)務數(shù)據(jù)測試，CBTC均可看到正常的數(shù)據(jù)業(yè)務流，無丟包現(xiàn)象。

(2)上行車廂視頻監(jiān)控測試

上行業(yè)務進行反復拉網(wǎng)測試，在OCC控制中心調取行車的車內視頻監(jiān)控，視頻采集碼率2.0 Mbps的情況下視頻流暢清晰，且可以同時調取多路視頻，保持拉網(wǎng)過程中清晰流暢。

(3)上下行視頻并發(fā)測試

專車拉網(wǎng)驗證，正線全線進行測試，并發(fā)業(yè)務，下行由控制中心向全網(wǎng)運行車輛播發(fā)6 Mbps高清片源保持，上行控制心中同時調取行車內視頻監(jiān)控1-3路保持。車速分別保持在20、40、60 km/h，測試表明整個拉網(wǎng)測試中上行視頻監(jiān)控和下行視頻均播放流暢無馬賽克。

將TD-LTE帶寬減小為10 MHz，功率等其他條件不變，進行同樣的測試，結果顯示，CBTC業(yè)務正常，無丟包現(xiàn)象，下行6 Mbps視頻播放流暢，而上行，同時調取2路監(jiān)控的情況下，拉網(wǎng)過程中有停頓和馬賽克現(xiàn)象，調取1路監(jiān)控時播放基本流暢。保持帶寬10 MHz，更改上下行子幀配比為3∶1，拉網(wǎng)測試結果顯示，高優(yōu)先級CBTC業(yè)務正常無丟包，上行2路視頻監(jiān)控和下行高清視頻播放均流暢，基本無馬賽克。

進一步降低帶寬到5 MHz，上下行子幀配比2∶2，測試表明，高優(yōu)先級CBTC業(yè)務正常無丟包，但上下行視頻播放均有馬賽克現(xiàn)象，尤其在相鄰RRU覆蓋的交界區(qū)域，視頻無法正常播放。

綜合測試結果顯示，在網(wǎng)絡信號覆蓋良好，帶寬不小于10 MHz的情況下，通過設置適當?shù)纳舷滦斜壤?，TD-LTE可以滿足CBTC，列車運行狀態(tài)監(jiān)測，2路CCTV監(jiān)控，PIS視頻等綜合業(yè)務承載的需求。當帶寬進一步降低，網(wǎng)絡的承載速率將不足以滿足視頻監(jiān)控及視頻下發(fā)的需求。因此建議采用TD-LTE進行車地通信綜合業(yè)務承載時，需確保10 MHz以上的帶寬，并根據(jù)上下行業(yè)務需求合理設置上下行子幀比例，以滿足多業(yè)務承載帶寬的需求。

5 結語

TD-LTE作為一種先進的無線通信技術，具有的高帶寬，高可靠性是其他無線通信技術無法比擬的，通過鄭州地鐵1號線軌道交通車地無線通信綜合業(yè)務承載的測試驗證，TD-LTE無線網(wǎng)絡具有實時性好、可靠性高、穩(wěn)定性強、丟包率低等優(yōu)點，能夠滿足軌道交通多種業(yè)務綜合承載需要，在軌道交通專用通信領域有著廣闊的應用前景。

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Study on Multi-service Fulfillment of Metro Train-Ground Communication Based on TD-LTE Technology

GU Xiang-feng1， SUN Huan-yu2

(1.The Fourth Division， China International Telecommunication Construction Group Design Institute Co.， Ltd.，Zhengzhou 450052, China; 2.Zhengzhou Metro Co.， Ltd.， Zhengzhou 450002, China)

To study the feasibility of multi-service of TD-LTE-based metro train-ground communication， the requirements of metro train-ground communication services and the advantages of TD-LTE technology are analyzed， and a TD-LTE based networking solution suitable for Metro train-ground multi-service bearing is proposed. The solution is tested and verified on Zhengzhou Metro Line 1 phase 1， and the results show that TD-LTE network is capable of fulfilling multi-service in metro train-ground communication.

TD-LTE; Train-ground communication; Multi-service fulfillment; Qos

2015-03-03；

2015-03-31

河南省科技攻關計劃項目(142102210145)

顧向鋒(1982—)，男，工程師，2006年畢業(yè)于北京郵電大學，工學碩士，E-mail:guxf5@163.com。

1004-2954(2015)11-0110-04

U231+.7

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.026