TD-LTE技術在城軌信號系統(tǒng)車-地通信中的應用分析

李 晶

TD-LTE技術在城軌信號系統(tǒng)車-地通信中的應用分析

李 晶

城市軌道交通信號系統(tǒng)中的車-地無線通信是基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)的關鍵技術之一，傳輸涉及行車安全的重要數(shù)據(jù)信息。而針對目前被CBTC信號系統(tǒng)廣泛應用的WLAN技術存在的干擾風險、不適應高速移動環(huán)境等實際情況，TD-LTE（分時長期演進）技術的崛起及發(fā)展為車-地無線通信提供了新的思路。分析WLAN技術和TDLTE技術的應用現(xiàn)狀，著重闡述TD-LTE技術應用于城市軌道交通信號系統(tǒng)的可行性，并對基于TD-LTE技術承載多業(yè)務傳輸平臺的車-地通信方案進行了詳細分析。

TD-LTE；WLAN；車-地無線通信；綜合承載網(wǎng)絡

0 引言

車-地無線通信是城市軌道交通信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)（DCS）的重要組成部分，是實現(xiàn)軌旁信號設備與車載信號設備之間雙向、可靠、安全的數(shù)據(jù)信息交換的傳輸通道。當前，市場上能提供的和使用中的基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)均采用IEEE802.11系列標準的無線局域網(wǎng)絡（WLAN）技術。

而現(xiàn)在，隨著TD-LTE（分時長期演進）技術的快速發(fā)展和在乘客信息系統(tǒng)（PIS）中的成功應用，TD-LTE技術是否也能為城市軌道交通信號系統(tǒng)的車-地通信提供另一種選擇方案，若將TD-LTE技術應用在信號系統(tǒng)中，還需做哪些工作，這一系列問題已經(jīng)成為被廣泛關注的問題。本文從梳理信號系統(tǒng)的車-地通信需求出發(fā)，同時對WLAN技術的應用現(xiàn)狀進行剖析，著重闡述TD-LTE技術應用于城市軌道交通信號系統(tǒng)的可行性，并給出具體的實施方案。

1 信號系統(tǒng)車-地無線通信的需求分析

城市軌道交通信號系統(tǒng)的車-地無線通信可實現(xiàn)列車與地面的雙向、實時通信。列車將自身的車次號、運行方向、列車位置和實際速度實時傳遞給地面軌旁設備；地面軌旁設備根據(jù)正線所有列車的位置信息，經(jīng)過計算生成列車的運行權限，并傳遞給列車，內(nèi)容包括停車點位置、最大允許速度、運行方向和車門控制信息等。

由于車-地無線通信系統(tǒng)的傳輸信息量較大，且CBTC對傳輸通道的可靠性、安全性要求較高，所以，行業(yè)內(nèi)的相關標準及規(guī)范對信號系統(tǒng)車-地通信的性能指標有著較為嚴格的規(guī)定，具體指標如下[1～2]。

（1）車-地通信每列車信息的傳輸速率不應低于1 Mbit/s。

（2）車-地通信單網(wǎng)絡信息的丟包率應小于1%。

（3）車-地通信單網(wǎng)絡信息的誤碼率小于或等于10-6。

（4）車-地通信單網(wǎng)絡的越區(qū)切換時間應在100 ms以內(nèi)。

（5）車-地通信信息經(jīng)有線和無線網(wǎng)絡傳輸延遲時間應小于150 ms之內(nèi)。

（6）應實現(xiàn)線路最高運行速度下車-地實時雙向通信的要求。

（7）車-地通信設備的平均故障間隔時間（MTBF）＞2×104h。

（8）車-地通信設備的平均故障修復時間（MTTR）＜30 min。

（9）信號系統(tǒng)的可用性指標不小于99.98%。

（10）應保證車-地通信可靠連接，雙網(wǎng)中同一時刻至少有1個網(wǎng)絡無中斷。

2 WLAN技術應用現(xiàn)狀分析

工程實踐證明，目前被廣泛應用的基于WLAN的車-地無線通信的可靠性、可用性、安全性等均能滿足當前城市軌道交通運營的需要，是實現(xiàn)城市軌道交通高安全和高密度的關鍵技術之一。

但是，目前的CBTC信號系統(tǒng)大部分采用IEEE802.11標準（龐巴迪和日本信號除外）進行無線傳輸，并均工作于2.4 GHz ISM頻段。由于2.4 GHz ISM頻段為開放頻段，隨著無線通信技術的發(fā)展推廣，應用范圍不斷擴大，CBTC系統(tǒng)車-地通信受到民用WIFI設備等同頻干擾的風險日益增加，在部分城市軌道交通線路中已經(jīng)發(fā)生過車-地通信受干擾，導致車-地通信中斷，影響列車正常運營的事件。

另外，隨著我國城市軌道交通的發(fā)展，多個城市對于市域快速軌道交通進行了規(guī)劃，這類線路的顯著特點是速度快（最高速度均在120 km/h以上）、線路長、站間距大等。WLAN在開發(fā)之初是基于靜態(tài)無線局域網(wǎng)設計的，在列車低速運行的情況下可滿足信號系統(tǒng)車-地通信的需要，但是隨著車速的提高，無線通信會因衰落、干擾和列車的高速移動在性能上受到影響，造成丟包率上升和傳輸帶寬下降，而現(xiàn)階段尚沒有實際的工程案例來檢驗WLAN在高速環(huán)境下是否能達到車-地通信的傳輸性能要求。因此，WLAN在快速市域等有著較高速運營需求的線路中可能將無法滿足。

3 TD-LTE技術應用現(xiàn)狀分析

T D-L T E技術是3G P P（第三代合作伙伴計劃）組織制定的通用移動通信系統(tǒng)技術標準的長期演進，它改進并增強了3 G的空中接入技術，引入了正交頻分復用（O F D M）和多輸入多輸出（MIMO）等關鍵技術，顯著增加了頻譜效率和傳輸速率[3～4]。在20M帶寬組網(wǎng)的情況下，下行峰值速率為100 Mbit/s，上行為50 Mbit/s。而且，TD-LTE技術支持多種帶寬分配，且支持全球主流2G/3G頻段和一些新增頻段，因而頻譜分配更加靈活，系統(tǒng)容量和覆蓋也顯著提升。同時，TD-LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡架構更加扁平化、簡單化，減少了網(wǎng)絡節(jié)點和系統(tǒng)復雜度，這種結構有利于簡化網(wǎng)絡和減小延遲，實現(xiàn)了低時延、低復雜度和低成本的要求[5～6]。TD-LTE技術與WLAN技術關鍵性能分析見表1。

表1 TD-LTE技術與WLAN技術關鍵性能分析

由表1可見，TD-LTE技術在抗干擾能力、可維護性、支持高速移動及服務質(zhì)量上均有一定的優(yōu)勢，而且TD-LTE已經(jīng)有成熟的產(chǎn)品在民用通信運營商中使用，國內(nèi)有數(shù)十家廠商能夠提供整套的TD-LTE解決方案，產(chǎn)品成熟度較高，可選擇范圍大，但TD-LTE技術在城市軌道交通項目中的應用尚處在起步階段，截至目前，TD-LTE還沒有城市軌道交通信號系統(tǒng)的工程應用經(jīng)驗。

目前，朔黃重載鐵路已開始將TD-LTE用于列車控制的信息傳輸。2013年，鄭州地鐵1號線利用基于TD-LTE的無線通信系統(tǒng)，實現(xiàn)了乘客信息系統(tǒng)（PIS）和車載視頻監(jiān)控（CCTV）的綜合傳輸。

北京、鄭州等城市軌道交通建設單位正組織國內(nèi)主要的信號系統(tǒng)設計單位和通信、信號及PIS系統(tǒng)供貨商研究基于TD-LTE技術承載多業(yè)務傳輸平臺的車-地通信方案，完成了車-地通信系統(tǒng)需求分析、方案設計、實驗室試驗和現(xiàn)場測試工作。測試結果證明，基于TD-LTE的城市軌道交通車-地通信綜合承載方案可完全滿足信號、PIS、CCTV的業(yè)務傳輸需要。北京地鐵燕房線工程將開展TD-LTE技術的示范應用。2015年烏魯木齊地鐵1號線工程已經(jīng)完成信號系統(tǒng)招標工作，也將把TD-LTE技術應用于信號系統(tǒng)的車-地無線傳輸中。上述應用及研究、試驗已初步證明TD-LTE技術能夠滿足城市軌道交通車-地通信技術要求。

4 TD-LTE實施方案

在城市軌道交通各系統(tǒng)中，信號系統(tǒng)、PIS、CCTV系統(tǒng)要求實現(xiàn)車-地雙向?qū)崟r連續(xù)通信。構建統(tǒng)一的車-地無線通信平臺，綜合承載多個專業(yè)的車-地信息是城市軌道交通的發(fā)展趨勢。由通信系統(tǒng)統(tǒng)一建設基于TD-LTE技術承載多業(yè)務傳輸平臺，實現(xiàn)在高速移動狀態(tài)下，提供滿足帶寬、穩(wěn)定、具有QoS保障和實時性要求的信號列控信息（雙向）、車載PIS實時播放（下行）、車載視頻監(jiān)控圖像回傳（上行）等車-地無線數(shù)據(jù)多業(yè)務承載。

采用基于TD-LTE技術承載多業(yè)務傳輸平臺的車-地通信方案，信號、P I S、CCTV系統(tǒng)共用車-地通信設備完成車-地雙向信息傳輸，具有如下優(yōu)勢。

（1）信號系統(tǒng)不需要單獨組建車-地無線通信網(wǎng)絡，減少了1套車-地通信設備，可以節(jié)省工程建設的投資，減少運營維護工作量及運營維護費用，從而降低系統(tǒng)全壽命周期成本。

（2）共用1套車-地通信傳輸平臺，可以有效避免城市軌道交通內(nèi)部系統(tǒng)相互間的干擾。

（3）實現(xiàn)資源整合，節(jié)省安裝空間，同時減少施工、配合、協(xié)調(diào)工作量，有利于工程實施。

4.1 組網(wǎng)方案

TD-LTE網(wǎng)絡采用A、B網(wǎng)冗余組網(wǎng)方式承載信號、PIS、CCTV等綜合業(yè)務，信號系統(tǒng)業(yè)務在2套網(wǎng)絡上同時傳輸，保證其對網(wǎng)絡可靠性的要求。

采用TD-LTE技術的車-地通信綜合業(yè)務傳輸方案的構成見圖1。其中：

圖1 采用TD-LTE技術的車-地通信綜合業(yè)務傳輸方案的構成示意圖

A網(wǎng)承載信號系統(tǒng)業(yè)務（CBTC業(yè)務信息、列車狀態(tài)信息）；

B網(wǎng)承載信號系統(tǒng)業(yè)務（CBTC業(yè)務信息、列車狀態(tài)信息）、車載CCTV監(jiān)控圖像信息和PIS圖像信息（含PIS緊急文本信息）等業(yè)務；

T D-L T E每個網(wǎng)絡均由核心網(wǎng)（E P C）及網(wǎng)管、基帶處理單元（B B U）、遠端射頻模塊（RRU）、車載無線終端（TAU）組成。

TD-LTE網(wǎng)絡在車輛段通信設備室集中設置核心網(wǎng)設備、路由器和BBU設備。通過路由器實現(xiàn)信號系統(tǒng)、PIS、CCTV系統(tǒng)業(yè)務的接入，同時實現(xiàn)不同業(yè)務之間的隔離和網(wǎng)絡安全需求。BBU設備通過以太網(wǎng)交換機連接到EPC；通過通用公共無線接口（CPRI）協(xié)議連接到設置在軌旁和車輛段/停車場覆蓋區(qū)的RRU設備。BBU與RRU采用光纜連接方式，行車線路采用漏纜覆蓋，車輛段/停車場相關單體采用室分小天線覆蓋。

在列車的車頭和車尾，分別設置TAU，通過車載交換機與應用系統(tǒng)車載設備相連，傳輸接收PIS圖像、上傳列車內(nèi)實時監(jiān)控信息、信號系統(tǒng)的控制信息和列車的狀態(tài)信息。

信號系統(tǒng)與TD-LTE系統(tǒng)在地面通過路由設備進行連接，承載信號的車-地傳輸業(yè)務。在列車車頭和車尾的承載業(yè)務通過承載設備以太網(wǎng)交換機與TD-LTE網(wǎng)絡車載接入單元TAU連接。車頭承載B網(wǎng)的信號系統(tǒng)業(yè)務、PIS和CCTV業(yè)務；車尾A網(wǎng)承載信號系統(tǒng)業(yè)務，B網(wǎng)承載PIS和CCTV業(yè)務。

4.2 抗干擾措施

TD-LTE網(wǎng)絡干擾包括外部干擾和內(nèi)部干擾。TD-LTE網(wǎng)絡的內(nèi)部干擾主要體現(xiàn)在A、B雙網(wǎng)間的干擾和同頻組網(wǎng)情況下小區(qū)間的同頻干擾2個方面。外部干擾主要來自于其他網(wǎng)絡的同頻干擾。

4.2.1 A、B雙網(wǎng)間干擾分析

A、B雙網(wǎng)異頻組網(wǎng)，當2個網(wǎng)絡頻段相鄰，如果2個網(wǎng)絡發(fā)射和接收不同步，則會由于雜散和帶外輻射的原因互相干擾，導致網(wǎng)絡性能下降甚至阻塞。為了避免該類干擾的發(fā)生，需保證：A、B雙網(wǎng)必須嚴格保證時隙配比和特殊時隙配比一致；雙網(wǎng)必須嚴格保證時鐘同步。

4.2.2 小區(qū)間同頻干擾

由于采用同頻組網(wǎng)，處于小區(qū)邊緣的用戶下行業(yè)務由于受到鄰區(qū)導頻和業(yè)務的干擾導致信噪比較低，從而影響下行吞吐量。為了緩解同頻干擾的影響，可以通過下列手段進行優(yōu)化：通過參數(shù)優(yōu)化，提升業(yè)務信道的功率，使處于邊緣用戶的信噪比得到改善，從而提升吞吐量；通過修改切換參數(shù)，使用戶及早切換到目標小區(qū)，優(yōu)化邊緣用戶切換時的吞吐量；引入新的無線管理算法，使互為鄰區(qū)的2個小區(qū)下行頻帶錯開，減小處于邊緣用戶業(yè)務信道的干擾，提升邊緣用戶的吞吐量。

4.2.3 外部網(wǎng)絡的同頻干擾

若存在外部同頻干擾（如北京的政務網(wǎng)等），為了滿足TD-LTE接收信號SINR（信號與干擾加噪聲比）的要求，可采取如下措施：全線采用漏纜進行覆蓋；增強無線信號接收強度，包括增大天線增益，提高功率，減少覆蓋半徑；車載天線放置車底；無線參數(shù)調(diào)優(yōu)；降低外部網(wǎng)的覆蓋。

4.3 專用頻段申請

根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會與國家無線委員會的協(xié)商結果，確定用于城市軌道交通的測試專用頻段有4個：406 MHz、1.4 GHz、1.8 GHz和5.9 GHz（表2）。

表2 城市軌道交通可用的專用頻段比較

綜上所述，在這4個可能的頻段中，406 MHz頻段只有3 MHz帶寬，不能做綜合承載；5.9 GHz頻段頻率高、損耗大；剩下的1.8 GHz、1.4 GHz都可以在城市軌道交通工程中應用，具體頻段需根據(jù)各城市的實際使用及分配情況，向國家無線委員會申請確定。

5 結論

綜合上述對T D-L T E技術和WLAN技術應用現(xiàn)狀及結構、性能特點的分析可知，TD-LTE在城市軌道交通信號系統(tǒng)車-地通信應用方面具有抗干擾能力強、可維護性能好、支持列車高速運行下雙向通信等多方面優(yōu)勢，而且通過采用綜合承載網(wǎng)絡的方式可以減少設備，節(jié)省安裝空間，更有效地實現(xiàn)資源整合，降低成本。

同時，應明確T D-L T E技術在城市軌道交通項目中的應用尚處在起步階段，截至目前為止，并沒有城市軌道交通信號系統(tǒng)的工程應用經(jīng)驗。但是，從長遠來看，尤其是對于市域快軌等高速運營項目而言，T D-L T E技術已經(jīng)顯得十分迫切。相信通過大量的開發(fā)、試驗及在示范性工程的應用實踐，將為TD-LTE技術在城市軌道交通信號系統(tǒng)中的應用打下堅實的基礎。

[1] GB50157-2013 地鐵設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[2] 中國交通運輸協(xié)會城市軌道交通專業(yè)委員會. 城市軌道交通CBTC信號系統(tǒng)行業(yè)技術規(guī)范——需求規(guī)范（暫行版）[S]. 2013.

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[5] 陶宇龍，賈萍，趙東霞. 寬帶數(shù)字集群在城市軌道交通中的應用[J]. 都市快軌交通，2014， 27(6)：1-4，8.

[6] 許昆. LTE技術在城市軌道交通車地無線通信系統(tǒng)中的應用[J].數(shù)字技術與應用，2012(8)：33，35.

責任編輯 冒一平

Application Analysis of TD-LTE Technology in Train-Ground Wireless Communication for Transit Signaling System

Li Jing

In urban rail transit signaling system, the train-ground wireless communication is one of key technologies of communication based train control (CBTC) system, transmitting the important data information concerning traffic operation safety. In view of the fact that WLAN technology widely used in CBTC signal system has interference risks, it is not suitable for high speed and mobile environment, while the development of TD-LTE technology has provided a new concept for train-ground wireless communication. The paper analyzes the present application of WLAN technology and TD-LTE technology, and mainly describes the feasibility of TD-LTE technology to be used in transit signaling system, and analyzes in details of train-ground wireless communication scheme based on TD-LTE technology for multi service transmission platform.

TD-LTE, WLAN, train-ground wireless communication, integrated services digital network

U231.7

2015-02-27

李 晶：北京城建設計研究總院軌道院第十設計所信號設計室，工程師，北京 100045