TD-LTE寬帶集群技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用

張　婧

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

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TD-LTE寬帶集群技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用

張婧

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

摘要通過分析城市軌道交通無線通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀和目前方案存在的問題，提出使用TD-LTE寬帶集群技術(shù)承載軌道交通綜合業(yè)務(wù)，并給出設(shè)計方案架構(gòu)。通過與目前技術(shù)的對比，得出TD-LTE方案技術(shù)上的優(yōu)勢，并對車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)多業(yè)務(wù)融合中關(guān)鍵的TD-LTE需求進行分析。從傳輸?shù)燃?、傳輸時延和丟包率等指標(biāo)入手，對TD-LTE技術(shù)應(yīng)用于CBTC車地通信的可行性進行分析，得出結(jié)論：TD-LTE方案具備統(tǒng)一承載軌道交通綜合業(yè)務(wù)的能力，應(yīng)用在軌道交通行業(yè)具備較大可行性。

關(guān)鍵詞城市軌道交通；車地通信；TD-LTE；應(yīng)用方案

隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展，對車地通信系統(tǒng)的安全性、高效性和服務(wù)性提出了更高要求。車地通信系統(tǒng)采用的無線通信技術(shù)主要有TD-SCDMA(時分同步碼分多址)、TETRA(陸上集群無線電)、IDEN(集成數(shù)字增強型網(wǎng)絡(luò))、WCDMA(寬帶碼分多址)、WLAN(無線局域網(wǎng))等。

目前，城市軌道交通車地通信系統(tǒng)除了承載列車集群調(diào)度系統(tǒng)，還需承載PIS(包含CCTV視頻監(jiān)控)系統(tǒng)、CBTC系統(tǒng)，組成示意圖如圖1所示?，F(xiàn)階段由于技術(shù)體制上的限制，無法使用1張網(wǎng)絡(luò)承載此3種業(yè)務(wù)，需建立3張獨立的網(wǎng)絡(luò)來承載，即移動閉塞信號子系統(tǒng)使用的WLAN網(wǎng)絡(luò)、車地?zé)o線子系統(tǒng)使用的專用WLAN網(wǎng)絡(luò)、集群調(diào)度子系統(tǒng)使用的TETRA。CBTC業(yè)務(wù)對可靠性和實時性要求高，對帶寬需求低，PIS業(yè)務(wù)對丟包率要求低，對帶寬需求高，由于分別組網(wǎng)的限制，使CBTC系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)無法共享無線資源，頻譜利用率大幅降低。再者，WLAN具有很大局限性：(1)高速移動環(huán)境中無法滿足高清需求；(2)設(shè)備覆蓋范圍較小，越區(qū)切換頻繁；(3)工作在2.4GHz，干擾源多；(4)無法支持語音集群業(yè)務(wù)。因此，如何構(gòu)建一個既能保證列車運營安全又能提升旅客出行體驗、提供增值應(yīng)用的寬帶數(shù)字集群技術(shù)，將是城市軌道交通發(fā)展道路中亟待解決的問題。

圖1　城市軌道交通車地通信系統(tǒng)示意圖

1TD-LTE在軌道交通車地通信中應(yīng)用

LTE(長期演進)是由3GPP(第三代合作伙伴)組織制定的第三代通信技術(shù)的進一步演進。采用基于OFDM(正交頻分復(fù)用)的上下行多址接入和信號調(diào)制方式，以及MIMO(多輸入多輸出)、ICIC(小區(qū)干擾協(xié)調(diào))等先進技術(shù)，有效提高了系統(tǒng)的傳輸速率、頻譜利用率和抗干擾性。TD-LTE(時分長期演進)是LTE系統(tǒng)的時分雙工模式，擁有我國核心自主知識產(chǎn)權(quán)，專為移動高帶寬應(yīng)用而生，具有公開、統(tǒng)一、完善的標(biāo)準(zhǔn)和完備的產(chǎn)業(yè)鏈。

用TD-LTE寬帶集群技術(shù)承載城市軌道交通綜合業(yè)務(wù)，不僅能解決系統(tǒng)內(nèi)外干擾問題，還能提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，實現(xiàn)高移動、大帶寬的車地?zé)o線傳輸。方案采用一網(wǎng)承載多業(yè)務(wù)、雙網(wǎng)冗余設(shè)計。A網(wǎng)獨立承載CBTC業(yè)務(wù)，B網(wǎng)承載CBTC業(yè)務(wù)和PIS業(yè)務(wù)。每張網(wǎng)絡(luò)包含eCNS(核心網(wǎng))、eNodeB(軌旁無線接入網(wǎng))、TAU(車載無線終端)?；居葿BU(基帶處理單元)和RRU(射頻單元)組成，車站和隧道內(nèi)通過合路器和漏纜進行網(wǎng)絡(luò)覆蓋，高架段采用定向天線覆蓋，車輛段采用全向天線覆蓋，設(shè)計方案架構(gòu)如圖2所示。

圖2　設(shè)計方案架構(gòu)圖

2TD-LTE技術(shù)優(yōu)勢

2.1移動性

TD-LTE支持350km/h的移動性能，0～120km/h移動場景下平均吞吐率可達60Mbit·s-1。同時系統(tǒng)具備自動頻率校正能力，采用遠距離覆蓋、無縫切換算法，能更好的保證列車在高速運行下時延<50ms。而WLAN單個AP覆蓋距離約為200m，高速移動下AP間切換過于頻繁，帶來的高時延勢必會對數(shù)據(jù)傳輸造成不利影響。

2.2抗干擾性

TD-LTE系統(tǒng)物理層具有導(dǎo)頻檢測功能，能對信道的變化做出及時跟蹤。鏈路層具備AMC(自適應(yīng)調(diào)制編碼)編碼、HARQ重傳功能，可根據(jù)信道干擾情況自適應(yīng)調(diào)整調(diào)制與編碼策略或自動重傳請求。網(wǎng)絡(luò)層采取ICIC和IRC(干擾抑制合并)干擾抑制算法，能有效降低網(wǎng)絡(luò)整體干擾水平。而WLAN系統(tǒng)內(nèi)缺乏抗干擾技術(shù)，只能通過開環(huán)功控來抗干擾。兩者抗干擾對比如表1所示，可看出TD-LTE在干擾檢測、干擾避免和干擾控制3個層面均優(yōu)于WLAN。

表1　TD-LTE和WLAN抗干擾對比

2.3安全性

TD-LTE在安全性方面優(yōu)于WLAN，其安全體系架構(gòu)具備3層(應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層)和5個安全功能組，采用分層安全機制。TD-LTE通過AKA(認證與密鑰協(xié)商)協(xié)議實現(xiàn)用戶的所有操作，并對用戶設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)側(cè)進行雙向鑒權(quán)，雙向鑒權(quán)能抵御地鐵中不良偽基站的攻擊，完善的密鑰分層系統(tǒng)也能有效防止上下級密鑰相互泄露情況的發(fā)生。

2.4信道特點

TD-LTE下行信道采用OFDMA(正交頻分多址)調(diào)制技術(shù)和多用戶子載波分配相結(jié)合的傳輸技術(shù)，每個用戶使用一個二維時頻子載波集進行傳輸，可根據(jù)需求動態(tài)分配帶寬。上行信道采用SC-FDMA(單載波頻分多址)多址接入技術(shù)，不僅保持了OFDMA抗多用戶接入干擾和多徑干擾的優(yōu)勢，還降低了信號峰均比，其頻譜配置示意圖如圖3所示。

圖3　TD-LTE時域頻譜資源配置示意圖

2.5靈活性

TD-LTE上下行可靈活配比，頻段可根據(jù)業(yè)務(wù)的不同需求靈活申請，支持1.4/3/5/10/15/20MHz系統(tǒng)帶寬，充分利用了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不對稱性提高頻譜效率。WLAN在靈活性方面遠不如TD-LTE。

3無線網(wǎng)絡(luò)多業(yè)務(wù)融合關(guān)鍵需求分析

3.1安全需求

TD-LTE可為視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供高清的視頻傳輸業(yè)務(wù)，輔助公安系統(tǒng)實時監(jiān)控列車內(nèi)的動態(tài)，以有效應(yīng)對突發(fā)狀況。當(dāng)發(fā)生緊急情況時，能通過列車科室內(nèi)音、視頻播放等將服務(wù)信息有效傳遞給乘客，引導(dǎo)乘客安全、便捷的出行。

3.2寬帶需求

PIS系統(tǒng)帶寬分為上行帶寬和下行帶寬，D1標(biāo)準(zhǔn)下，上行帶寬中每路視頻圖像最高需要2Mbit·s-1，隧道安防監(jiān)控需要2Mbit·s-1(1路圖像)。每列車共有12～16個攝像機，當(dāng)列車同時上傳視頻圖像時，所需最高帶寬為16×2+2=34Mbit·s-1，下行帶寬中每路視頻圖像需要8Mbit·s-1(每列車接收2路)，則所需帶寬至少42Mbit·s-1。CBTC系統(tǒng)傳輸帶寬需求為：高速移動時傳輸速率≥100kbit·s-1，在非切換區(qū)域上下行總速率≥1Mbit·s-1。3GPP對TD-LTE網(wǎng)絡(luò)帶寬指標(biāo)：在20MHz頻譜帶寬下可提供下行100Mbit·s-1、上行50Mbit·s-1的峰值速率，完全能滿足地鐵帶寬需求。

3.3增值業(yè)務(wù)需求

TD-LTE提供公共媒體實時信息投放平臺，可細分時間段進行廣告投放，并可調(diào)節(jié)廣告投放模式，取得高效科學(xué)的盈利模式。

4可行性分析

軌道交通CBTC車地通信系統(tǒng)主要采用WLAN方案，目前該方案存在的局限性日趨明顯，因此將TD-LTE應(yīng)用到CBTC信號系統(tǒng)，對地鐵安全運營及持續(xù)發(fā)展極為重要。本文將從QoS保障、時延性和丟包率方面分別對TD-LTE承載CBTC車地通信可行性進行分析。

4.1QoS保障

TD-LTE系統(tǒng)通過對不同業(yè)務(wù)建立不同的EPS承載來滿足業(yè)務(wù)的QoS需求。EPS承載分為GBR承載和Non-GBR承載。網(wǎng)絡(luò)擁擠時，GBR會保證相應(yīng)的比特速率，而Non-GBR需要承受降速的要求。TD-LTE還定義了9個QCI等級，不同優(yōu)先級對應(yīng)不同傳輸時延和丟包率,如表2所示。CBTC業(yè)務(wù)對于時延和丟包率的要求遠高于PIS和CCTV業(yè)務(wù)，基于TD-LTE的QoS保障特性，可將CBTC業(yè)務(wù)設(shè)置為GBR承載、較高優(yōu)先級，其他業(yè)務(wù)設(shè)置為Non-GBR承載、較低優(yōu)先權(quán)，這樣即使CBTC業(yè)務(wù)和其他業(yè)務(wù)使用一張網(wǎng)絡(luò)承載，也能確保列控信息的實時性和安全性。

表2　TE-LTE QCI等級表

4.2時延性

TD-LTE特有的扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能有效降低控制面和用戶面時延，3GPP對TD-LTE時延要求如下：用戶平面單向傳輸時延<5ms，控制平面從睡眠狀態(tài)進入激活狀態(tài)遷移時延<50ms，駐留狀態(tài)進入激活狀態(tài)遷移時延<100ms。鄭州城軌1號線在動調(diào)階段，華為公司對TD-LTE網(wǎng)絡(luò)切換時延進行了測試，記錄的控制面時延平均值為19ms，最大值21ms，最小值16ms，用戶面時延平均值為59.2ms，最大值64ms，最小值54ms。測試數(shù)據(jù)表明TD-LTE能滿足地鐵各業(yè)務(wù)對無線通信時延的要求。

4.3丟包率

TD-LTE無線小區(qū)具備無損切換功能，該功能使列車在不同小區(qū)移動時發(fā)生自動的無線鏈路切換操作，讓TAU從原小區(qū)切換到信號強度較好的小區(qū)，確保TAU在基站間切換時少丟包甚至不丟包。通過華為公司在鄭州1號線動調(diào)階段對TD-LTE車地?zé)o線的實測數(shù)據(jù)顯示：在重復(fù)測試50次的條件下，TAU的RRC(無線資源控制)和E-RAB(演進的無線接入承載)連接建立成功率高達100%，動態(tài)跑車場景中切換成功率>97%。WLAN小區(qū)切換過于頻繁(約9s切換一次)且不具備切換保障功能，相比之下，TD-LTE系統(tǒng)可較大程度減少切換中丟包的概率。

通過以上分析，TD-LTE系統(tǒng)在傳輸?shù)燃?、傳輸時延和丟包率上滿足信號系統(tǒng)的指標(biāo)要求，并且優(yōu)于目前采用的WLAN系統(tǒng)。尤其是2015年工業(yè)和信息化部對1.785～1.805GHz城市軌道交通專用頻段的下發(fā)，為TD-LTE技術(shù)可靠承載CBTC無線傳輸通道提供了有力保證。綜上所述，TD-LTE技術(shù)承載CBTC車地通信網(wǎng)絡(luò)具備良好的可行性。

5結(jié)束語

隨著城市軌道交通日益增長的客流，以及對運營效率、運營體驗和運營安全保障提出的更高要求，需要利用先進的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將行車控制、乘客信息資訊、列車人員調(diào)度相連接。目前TD-LTE作為移動通信發(fā)展的最新技術(shù)，將其應(yīng)用于軌道交通勢必會帶來該領(lǐng)域的全新發(fā)展，用TD-LTE寬帶集群技術(shù)來承載城市軌道交通綜合業(yè)務(wù)也是軌道交通發(fā)展的必然趨勢。

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Application of TD-LTE Broadband Cluster Technology in Urban Rail Transit

ZHANGJing

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China)

AbstractThis paper introduces the present situation of the wireless communication system of urban rail transit and the existing problems of the current scheme, and proposes the use of TD-LTE broadband cluster technology integrated services with the scheme architecture given. the advantages of TD-LTE scheme are given by comparison with the present technology, and the key TD-LTE requirement in the multi-service integration of the train-ground wireless network is analyzed. From the transmission level, transmission delay and packet loss rate, the feasibility of the application of the TD-LTE technology in the train-ground communication of CBTC is discussed. It is concluded that the TD-LTE scheme is capable of the integrated services of urban rail transit.

Keywordsurban rail transit; train-ground communication; TD-LTE; application scheme

收稿日期:2015- 11- 17

作者簡介:張婧(1989-)，女，碩士研究生。研究方向：智能交通與信息系統(tǒng)。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.07.035

中圖分類號TN929.5；U231+.7

文獻標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)07-120-04