基于TDD-LTE技術(shù)的城市軌道交通車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)

黃 輝

(卡斯柯信號(hào)有限公司,200071,上?！喂こ處?

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基于TDD-LTE技術(shù)的城市軌道交通車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)

黃 輝

(卡斯柯信號(hào)有限公司,200071,上?！喂こ處?

近年來(lái),我國(guó)城市軌道交通發(fā)展迅速,已步入網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)和運(yùn)營(yíng)階段。在無(wú)線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化方面,TDD-LTE(時(shí)分雙工-長(zhǎng)期演進(jìn))技術(shù)在城市軌道交通車地?zé)o線通信中的應(yīng)用也是時(shí)下的熱點(diǎn)。分析了TDD-LTE技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，基于TDD-LTE技術(shù)在城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用,提出建立互聯(lián)互通車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)的方案，并從上層傳輸網(wǎng)絡(luò)的建立、LTE核心網(wǎng)的布置、LTE網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通和列車的互聯(lián)互通等四個(gè)方面,對(duì)這一方案進(jìn)行初步研究,為城市軌道交通無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)期技術(shù)演進(jìn)提供參考。

城市軌道交通； 車地?zé)o線通信; 互聯(lián)互通； TDD-LTE技術(shù)

Author′s address CASCO Signal Co.,Ltd.,200071,Shanghai,China

由于我國(guó)各城市的規(guī)模、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不同,使得各城市的軌道交通建設(shè)發(fā)展有較大差異,但在行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)下,在建及擬建軌道交通的城市目前都已樹立了網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)的理念,編制了城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。截止2010年底,我國(guó)已有近50個(gè)城市編制了軌道交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃,并陸續(xù)編制建設(shè)規(guī)劃,用以指導(dǎo)軌道交通的網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)。本文基于TDD-LTE(時(shí)分雙工-長(zhǎng)期演進(jìn))技術(shù)在軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用分析，提出利用LTE技術(shù)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)建立城市軌道交通互聯(lián)互通無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，并討論其可行性，從而為城市軌道交通無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)期技術(shù)演進(jìn)提供參考。

1 城市軌道交通無(wú)線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化目標(biāo)及內(nèi)容

城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化的主要內(nèi)容是形成網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、城市發(fā)展的良性循環(huán)。文獻(xiàn)[2]中關(guān)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支撐體系方面的目標(biāo)和內(nèi)容為:

(1) 解決網(wǎng)絡(luò)無(wú)線通信系統(tǒng)的互聯(lián)互通；

(2) 結(jié)合各城市軌道交通路網(wǎng)和控制中心規(guī)劃,解決無(wú)線交換組網(wǎng)架構(gòu)、分布實(shí)施方案，以及基于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的路網(wǎng)無(wú)線頻點(diǎn)的統(tǒng)一規(guī)劃、編號(hào)計(jì)劃、網(wǎng)絡(luò)無(wú)線通信的互聯(lián)互通技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

軌道交通網(wǎng)絡(luò)化，要求無(wú)線通信系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通,最終形成網(wǎng)絡(luò)化。因?yàn)镃BTC(基于通信的列車控制)信號(hào)系統(tǒng)中,無(wú)線通信系統(tǒng)的主要功能是為軌旁和車載CBTC系統(tǒng)提供可靠、持續(xù)、雙向的冗余通信通道。

2 TDD-LTE技術(shù)在軌道交通無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

2.1 城市軌道交通無(wú)線通信系統(tǒng)現(xiàn)狀

當(dāng)前,軌道交通無(wú)線通信系統(tǒng)主要由TETRA(地面集群無(wú)線電)和WiFi(無(wú)線局域網(wǎng))網(wǎng)絡(luò)來(lái)承載。其中，TETRA主要提供語(yǔ)音調(diào)度；WiFi負(fù)責(zé)信號(hào)CBTC系統(tǒng)承載和PIS(乘客信息系統(tǒng))等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。CBTC系統(tǒng)、PIS、CCTV(閉路電視)監(jiān)控系統(tǒng)使用的無(wú)線通信制式是基于IEEE 802.11a/b/g系列標(biāo)準(zhǔn),在工作頻段上使用的是開放、免授權(quán)的2.4 GHz ISM(工業(yè)，科學(xué)，醫(yī)療)頻段。由于各CBTC系統(tǒng)廠商使用的無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不同,有跳頻擴(kuò)頻(FHSS)、直接序列擴(kuò)頻(DSSS)及正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù),使得無(wú)線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

2.2 LTE技術(shù)特點(diǎn)

2013年底,工信部向國(guó)內(nèi)移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商頒發(fā)了LTE/第四代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信業(yè)務(wù)(TDD-LTE)經(jīng)營(yíng)許可,由此揭開了LTE技術(shù)在我國(guó)商用的大幕。TDD-LTE作為我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù),具有以下優(yōu)勢(shì)[3]:

(1) 通信速率有了提高,下行峰值速率為100 Mbit/s、上行為50 Mbit/s;

(2) 提高了頻譜效率,下行鏈路5 (bit/s)/ Hz,上行鏈路2.5 (bit/s)/ Hz;

(3) 由于使用專用頻段規(guī)避干擾,以及采用ICIC(小區(qū)間干擾協(xié)調(diào))等專業(yè)技術(shù),系統(tǒng)抗干擾能力顯著提高;

(4) QoS(業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量)保證,通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的QoS機(jī)制,保證CBTC信號(hào)業(yè)務(wù)或者實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)(如VoIP)的服務(wù)質(zhì)量;

(5) 系統(tǒng)部署靈活,能夠支持5 MHz、10 MHz、15 MHz和20 MHz等多種系統(tǒng)帶寬;

(6) 高速度適應(yīng)性,滿足更高速度(大于200 km/h)下的系統(tǒng)吞吐量性能。

正是因?yàn)長(zhǎng)TE具有眾多的技術(shù)優(yōu)勢(shì),使得其替代WiFi技術(shù)服務(wù)于城市軌道交通車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)成為一種發(fā)展趨勢(shì)。

2.3 基于TDD-LTE技術(shù)的城市軌道交通車地?zé)o線通信綜合承載網(wǎng)絡(luò)

目前，在城市軌道交通業(yè)務(wù)中,CBTC系統(tǒng)、PIS系統(tǒng)以及CCTV系統(tǒng)是各自建立獨(dú)立的WiFi網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行承載,建設(shè)成本較大,維護(hù)管理較為分散。圖1為L(zhǎng)TE與WiFi的對(duì)比，可見LTE相比WiFi更適用于車地?zé)o線通信綜合承載。

隨著車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)的發(fā)展需求,可利用LTE技術(shù)建立車地?zé)o線通信綜合承載網(wǎng)絡(luò),在此網(wǎng)絡(luò)上可承載CBTC、PIS(包括緊急文本的下發(fā))、CCTV和列車狀態(tài)信息等業(yè)務(wù),甚至還可兼容數(shù)字集群業(yè)務(wù)(TETRA系統(tǒng)),如圖2所示。該網(wǎng)絡(luò)以精細(xì)化分級(jí)業(yè)務(wù)管理QoS機(jī)制保證CBTC系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)高優(yōu)先級(jí),確保進(jìn)行低時(shí)延、低丟包率的端到端傳輸；各城市在建設(shè)軌道交通無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí),可根據(jù)需求選擇具體承載的業(yè)務(wù),使用靈活性高；其融合了多個(gè)WiFi網(wǎng)絡(luò),可以較好地降低建設(shè)成本,提高管理效率。

圖1 LTE與WiFi技術(shù)對(duì)比示意圖

CBTC、PIS和CCTV等系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃砸蟛煌?應(yīng)考慮各系統(tǒng)的特點(diǎn)及性能要求,通過(guò)LTE的QoS機(jī)制對(duì)其進(jìn)行分級(jí)管理。表1給出了各業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)建議,作為參考。

3 應(yīng)用TDD-LTE的互聯(lián)互通無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)

隨著新一代通信技術(shù)的發(fā)展,當(dāng)LTE技術(shù)在城市軌道交通新線建設(shè)和既有老線改造中的車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用時(shí),就具備條件進(jìn)行無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的規(guī)劃和建設(shè)。

注：BBU—基帶處理單元；TAU—列車接入單元；LCD—液晶顯示器；ATO—列車自動(dòng)運(yùn)行；ATP—列車自動(dòng)防護(hù)

序號(hào)業(yè)務(wù)類型QCI(業(yè)務(wù)質(zhì)量等級(jí)標(biāo)志)資源類型優(yōu)先級(jí)分組數(shù)據(jù)最大延時(shí)/ms分組數(shù)據(jù)誤碼率1CBTC1GBR(保證比特率)210010-22CCTV6Non-GBR(非保證比特率)630010-63PIS6Non-GBR630010-6

建立城市軌道交通互聯(lián)互通的無(wú)線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)需要長(zhǎng)期詳細(xì)的規(guī)劃,首先需在各條線路之間建立一張連通的上層傳輸網(wǎng)絡(luò),其次需考慮LTE核心網(wǎng)的布置,以及如何實(shí)現(xiàn)同時(shí)管理各條線路的基站,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。

3.1 各條線路之間的連通網(wǎng)絡(luò)

在TDD-LTE技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,結(jié)合城市軌道交通路網(wǎng)和控制指揮中心規(guī)劃,建立上層傳輸網(wǎng)絡(luò),將城市軌道交通路網(wǎng)中各條線路的運(yùn)營(yíng)控制中心(OCC)連通起來(lái)。為了實(shí)現(xiàn)以上網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃,在一些大城市,已經(jīng)開始建設(shè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)監(jiān)控中心(COCC)項(xiàng)目,將各條線路的OCC連接起來(lái),便于統(tǒng)一管理。如圖3所示。

在上海,為了適應(yīng)軌道交通網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的目標(biāo),建立了滿足網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)管理要求的綜合系統(tǒng)。隨著COCC一期、二期工程的建設(shè),COCC已接入了上海軌道交通1～11號(hào)線,尚有新建線路和延伸線路的正線信息需要接入COCC和備用COCC中,這些新建線路的停車場(chǎng)信息也要接入COCC[5]。 LTE系統(tǒng)的上層傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)可以參照COCC項(xiàng)目。

圖3 連通的COCC網(wǎng)絡(luò)

3.2 LTE核心網(wǎng)的布置

核心網(wǎng)的布置也是一個(gè)逐步規(guī)劃的過(guò)程。在無(wú)線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化初期,為了便于實(shí)現(xiàn)各線路的互聯(lián)互通,在各條線路的OCC設(shè)置一臺(tái)LTE核心網(wǎng),管理各條線路的無(wú)線基站和車載終端。各線路OCC的LTE核心網(wǎng)之間可通過(guò)建設(shè)類似于COCC項(xiàng)目的上層傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。雖然在城市軌道交通建設(shè)中各條線路的LTE網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商可能不同,但各廠商都按照LTE標(biāo)準(zhǔn)開發(fā),車載終端接入不同的核心網(wǎng)是可以實(shí)現(xiàn)的,就如同手機(jī)終端可在不同運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)或同一運(yùn)營(yíng)商的不同地方網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行漫游。車載終端的典型漫游架構(gòu)如圖4所示。

注：VPLMN—拜訪公眾陸地移動(dòng)網(wǎng)；HPLMN—本地公眾陸地移動(dòng)網(wǎng)；EPC—演進(jìn)型分組核心網(wǎng)；S-GW—業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)；eNodeB—演進(jìn)的NodeB；MME—移動(dòng)性管理實(shí)體；P-GW—PDN(公用數(shù)據(jù)網(wǎng))網(wǎng)關(guān)；UE—用戶終端

圖4 車載終端的漫游架構(gòu)

3.3 LTE網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通

在各條線路互聯(lián)互通建設(shè)過(guò)程中,各線路還是需要分別設(shè)立LTE核心網(wǎng)(見圖4)。若是能解決不同廠商核心網(wǎng)與基站eNodeB(簡(jiǎn)為“eNB”)之間的互聯(lián)互通問題,就可以在類似于COCC的項(xiàng)目中設(shè)置一套核心網(wǎng),同時(shí)管理各條線路的基站。從核心網(wǎng)側(cè)來(lái)說(shuō),其容量比較大；而對(duì)于基站設(shè)備,因其發(fā)射功率較大,配合使用漏纜傳輸,一個(gè)基站的無(wú)線覆蓋距離相比WiFi技術(shù)下一個(gè)AP(無(wú)線接入點(diǎn))的無(wú)線覆蓋距離有明顯提高,可達(dá)到1 km以上,因此每條線路需設(shè)置的基站數(shù)量并不多。基于以上分析,一套核心網(wǎng)設(shè)備完全可同時(shí)管理各條線路的基站,主要問題是各廠商對(duì)于核心網(wǎng)與基站之間的接口有一些自定義開發(fā),導(dǎo)致不同廠商的核心網(wǎng)與基站之間的互聯(lián)效果不好。而在國(guó)內(nèi)公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商4G網(wǎng)絡(luò)中,都是通過(guò)核心網(wǎng)互聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)的?；谀壳癓TE產(chǎn)品現(xiàn)狀,各廠商均需在COCC設(shè)置一套核心網(wǎng)絡(luò),管理本線路的基站設(shè)備,如圖5所示。從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來(lái)看,隨著LTE技術(shù)在軌道交通中應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的制定,出于對(duì)各條線路的運(yùn)營(yíng)維護(hù)和互聯(lián)互通問題的考慮,必須要實(shí)現(xiàn)基站與核心網(wǎng)之間的互聯(lián)互通功能。

3.4 列車的互聯(lián)互通

無(wú)線通信系統(tǒng)的互聯(lián)互通,還要解決移動(dòng)列車的互聯(lián)互通。即列車在跨不同線路移動(dòng)過(guò)程中的切換?？砷_放各廠商核心網(wǎng)之間的接口,就如同公網(wǎng)中的漫游切換,或者將廠商A和廠商B的設(shè)備設(shè)置為相同PLMN(公眾陸地移動(dòng)網(wǎng))組網(wǎng),如圖6所示。

圖5 LTE網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通

圖6 列車的互聯(lián)互通

車載終端連接在廠商A基站上,并獲得廠商A基站下發(fā)的臨區(qū)測(cè)量列表,其中包括廠商B基站的小區(qū)測(cè)量信息。車載終端移動(dòng)到廠商A基站和廠商B基站的重疊覆蓋區(qū)域,并測(cè)量重選到廠商B基站。以開放核心網(wǎng)之間接口來(lái)實(shí)現(xiàn)跨線切換的組網(wǎng)方案,其切換效果與同一LTE網(wǎng)絡(luò)中基站間的切換效果類似,可滿足軌道交通車地?zé)o線業(yè)務(wù)的需求。

4 結(jié)語(yǔ)

在城市軌道交通領(lǐng)域,TDD-LTE技術(shù)給多個(gè)系統(tǒng)的融合提供了統(tǒng)一平臺(tái)的可能性,綜合業(yè)務(wù)的承載將促使軌道交通無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)更加便捷、經(jīng)濟(jì)、高效。本文基于TDD-LTE技術(shù)在城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用,提出建設(shè)城市軌道交通互聯(lián)互通無(wú)線網(wǎng)絡(luò)方案,并討論其可行性,從而為軌道交通無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)期技術(shù)演進(jìn)提供參考。

[1] 李繼成.上海市的延安路、西藏路上或建設(shè)現(xiàn)代有軌電車[N].東方早報(bào),2014-05-31(A02).

[2] 利敏.我國(guó)城市軌道交通關(guān)鍵技術(shù)對(duì)策研究報(bào)告[EB/OL].(2013-06-27)[2015-02-19].http:∥wenku.baidu.com/view/1a7b5253b307e87101f69674.html.

[3] 韓濤.4G技術(shù)TD-LTE無(wú)線通信在信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究報(bào)告[R].上海:卡斯柯信號(hào)有限公司,2013.

[4] 劉輝.基于TD-LTE的GoTa 4G地鐵解決方案[R].南京:中興高達(dá)技術(shù)有限公司,2014.

[5] 司培河.上海軌道交通新五線與COCC接入項(xiàng)目ATS技術(shù)方案[R].上海:卡斯柯信號(hào)有限公司,2012.

Networking of Metro Wireless Communication System Based on TDD LTE Technology

HUANG Hui

In recent years, the development of urban rail transit construction in China has entered the network construction and operation stage. In wireless communication system networking, the application of TDD LTE technology in rail transit wireless communication has become a hot topic. In this paper, the advantages and features of TDD LTE technology are analyzed, on this basis, a train/ground wireless communication scheme is proposed, a preliminary research to this solution is conducted from 4 aspects: the establishment of upper transport network, the core network layout, the LTE network interconnection and the train/ground communication interconnection. This research could provide some

for the long term technology evolution (LTE) in rail transit wireless communication network.

urban rail transit; train/ground wireless communication; interconnection; TDD LTE technology

U 231.7

10.16037/j.1007-869x.2016.04.007

2015-02-19)