LTE-M在城市軌道交通線網中搭建方案的研究

晉云功

(北京通號國鐵城市軌道技術有限公司，北京 100070)

LTE-M在城市軌道交通線網中搭建方案的研究

晉云功

(北京通號國鐵城市軌道技術有限公司，北京 100070)

介紹LTE-M的基本技術，論證LTE-M在城市軌道交通線網中的搭建方案，分析各個方案之間的優(yōu)缺點。

LTE-M；基本技術；軌道交通線網；搭建方案

1 概述

目前，隨著我國城鎮(zhèn)化進程的不斷推進，城市人口不斷增加，交通擁堵、尾氣污染、停車難等問題日漸明顯，大力建設城市軌道交通的需求在日益增加，與此同時部分城市單線運營存在的問題也在逐步凸顯，無法統(tǒng)一調度不同線路上裝備不同信號廠家的列車，無法共享運力資源，造成較大的浪費。因此各大中城市加快城市軌道交通路網建設已經成為必然，城市軌道交通現(xiàn)狀將從單一線路建設逐步走向多線路并行建設，并初步形成線網軌道交通格局?！笆濉逼陂g，共建成投運線路2 019 km，預計“十三五”期末，建成投運線路超過3 000 km，在建城市將達到80個，運營城市將達到50個。

在城市軌道交通網絡化運營的背景下，基于LTE-M的互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)正在逐步成為主流信號系統(tǒng)。而其中作為互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)數(shù)據通信載體的核心骨干通信網絡LTE-M的網絡搭建方案就顯得尤為重要，本文旨在研究城市軌道交通網絡化運營、各線互聯(lián)互通需求旺盛的趨勢下，LTE-M網絡的搭建方案，通過對比分析方案間差異，推薦后續(xù)規(guī)劃建設方案。

2 LTE標準演進

LTE（Long Term Evolution，長期演進）是一項長期演進的無線通信技術，通信技術標準由國際3GPP組織制定。自誕生之日起，此標準就在不斷引入新的特性，2009年發(fā)布Release 8版本，至今已發(fā)布至Release 14版本。

建立一個能夠獲得高傳輸速率、低時延，支持增強型多媒體廣播組播業(yè)務（e-MBMS）、基于優(yōu)化可演進的無線接入架構是LTE移動通信技術的目標。為了實現(xiàn)這一目標，LTE系統(tǒng)采用接近于全IP化的扁平化網絡結構，集成了眾多適用于寬帶移動通信傳輸?shù)南冗M技術：小區(qū)間干擾協(xié)調（ICIC）、正交頻分復用（OFDM）、自適應調制編碼（AMC）、多輸入多輸出（MIMO）、混合自動請求重傳（HARQ）等。

LTE在技術上已經成熟，通用的TDD和FDD兩種工作模式在國內、外均已在公網大規(guī)模商用。LTE作為先進的4G通信技術，具有傳輸速率快、頻譜利用率高、容量大、帶寬配置靈活、抗干擾能力強、高速移動接入能力強、QoS機制完善、可實現(xiàn)高質量的多媒體通信等優(yōu)勢。

在高鐵、普速鐵路通信專網領域，國際鐵路聯(lián)盟（International Union of Railway，UIC） 已確定原有的GSM-R技術將向LTE方向發(fā)展，中國鐵總目前已成立LTE-R工作組，啟動頻率申請、鐵路移動通信需求研究、LTE-R試驗段方案以及標準制定工作。

在城市軌道交通領域，既有多數(shù)地鐵CBTC系統(tǒng)采用基于ISM（2.4 GHz）頻段的WLAN設備，隨著2.4 GHz頻段WLAN設備使用規(guī)模的不斷擴大，地鐵WLAN設備的穩(wěn)定性面臨更大的風險，CBTC系統(tǒng)的運營安全受到更大的挑戰(zhàn)。中國城市軌道交通協(xié)會（以下簡稱中城協(xié)）已成立LTE-M工作組，著手進行相關需求研究及標準制定工作，同時推進頻率申請等工作。

3 LTE-M基本技術

3.1 系統(tǒng)構成

地鐵信號系統(tǒng)的數(shù)據通信網絡部分被稱為DCS （Data Communication System）系統(tǒng)，包括地面網絡和車地通信網絡，車地通信網絡主要為軌旁ATP設備與車載ATP設備提供通信通道，DCS網絡采用冗余雙網設計，分A網和B網，兩張網絡完全獨立，互不影響。具體組網結構如圖1所示。

圖1 基于LTE-M的DCS車地通信網絡組網架構

3.2 功能劃分

根據CBTC系統(tǒng)組網的特點，LTE系統(tǒng)劃分為中心設備（EPC）、車站設備（BBU）、軌旁設備（RRU）以及車載設備（TAU）。其中，EPC屬于核心層、BBU/RRU屬于接入層、TAU屬于車載終端設備。各層的功能劃分如下：

核心層：包括核心網EPC設備，是整個無線網絡關鍵部分，完成無線傳輸數(shù)據的匯聚與分發(fā)，為它們提供可靠的雙向數(shù)據通信服務，所有的無線接入數(shù)據都需要通過核心層與外部系統(tǒng)通信。同時負責整個網絡的管理與維護。

接入層：包括BBU和RRU設備，提供沿線無線接入服務，同時上行接入地面有線網絡，與核心層對接，完成對各業(yè)務的數(shù)據傳輸。

車載終端：由車載無線終端TAU組成，用于連接軌旁無線網絡。

另外，LTE設備需要使用漏泄電纜/天線方式接發(fā)射頻信號；LTE設備工作，需要嚴格的時鐘同步，確?；旧漕l信號的時鐘和空口TDD同步。

3.3 LTE-M網絡需求分析

3.3.1 網絡性能分析

CBTC系統(tǒng)對LTE-M網絡核心性能指標需求包括傳輸速率、傳輸時延、丟包率、切換中斷等，具體如表1所示。

3.3.2 綜合業(yè)務承載需求分析

LTE-M系統(tǒng)憑借高帶寬、完善的多業(yè)務優(yōu)先級保障機制，可用于承載城軌交通綜合業(yè)務，在保障CBTC業(yè)務高可靠傳輸?shù)耐瑫r，能夠同時滿足緊

表1 CBTC系統(tǒng)對LTE-M網絡核心性能指標需求

急文本下發(fā)和列車實時狀態(tài)的傳輸需求，且能為車載視頻監(jiān)控（CCTV）、乘客信息（PIS）和集群語音調度等業(yè)務提供有效的傳輸通道[1]。具體的需求分析如表2所示。

4 LTE-M網絡搭建方案研究

方案一：單線單獨搭建LTE-M網絡

目前在建的地鐵項目中，采用LTE技術的CBTC系統(tǒng)多數(shù)應用單線單獨搭建LTE網絡的方案，即每條地鐵線路單獨搭建LTE網絡，建立本線單獨的EPC，各個地鐵線路間通過EPC之間的通信連接實現(xiàn)互聯(lián)互通。具體通信連接方式如圖2所示。

表2 LTE-M綜合業(yè)務承載需求分析

圖2 核心網之間通信連接圖

在單線單獨搭建方案中存在以下幾個關鍵問題：

1）同站臺換乘存在不同線路的LTE系統(tǒng)之間的干擾問題。

2）線路重疊區(qū)/聯(lián)絡線存在LTE系統(tǒng)間切換問題。

3）數(shù)據路由路徑復雜。

4）線網中各線單獨建設LTE-M網絡，存在建設投資高的問題。

5）線網中各線單獨建設LTE-M網絡，設備數(shù)量必然增加，存在故障點增加、后續(xù)維護成本高的問題。

此方案的優(yōu)點是一個EPC故障僅影響一條線路，不會對其他線路產生影響。

方案二：線網綜合搭建LTE-M網絡

隨著LTE-M在地鐵領域的不斷應用，技術+業(yè)務的整合程度越來越高，已經具備采用整個地鐵線網搭建一套LTE網絡，線網中只有一套EPC（熱備冗余）的方案。LTE網絡容量（幾十萬用戶）完全滿足此方案的需求。尤其在地鐵建設項目剛剛起步的城市，可以優(yōu)先考慮此方案。

一個城市地鐵線網中搭建一套LTE系統(tǒng)，實現(xiàn)CBTC及其他通信業(yè)務的綜合承載有以下優(yōu)點：

1）很好的避免了同站臺干擾問題，同一網絡，統(tǒng)一進行頻率分配。

2）不存在線路重疊區(qū)/聯(lián)絡線LTE系統(tǒng)間切換問題。

3）優(yōu)化數(shù)據路由路徑。

4）避免了跨核心網的切換，降低列車跨線切換中斷時間，提高系統(tǒng)性能。

5）避免重復建設問題，節(jié)約投資。

6）減少網絡設備數(shù)量，可以有效的降低設備故障點數(shù)，實現(xiàn)運營期維護成本的降低。

除上述優(yōu)點外，本方案也存在一個關鍵問題：

一個地鐵線網一套EPC，存在EPC故障，整個線網所有列車降級的風險，影響較大。

但鑒于LTE設備成熟的商用背景以及板卡級的熱備冗余，此風險發(fā)生的概率極低。

5 結論

綜上所述，隨著LTE技術的不斷演進和成熟，LTE-M在軌道交通領域應用案例的不斷增加，關于線網LTE搭建方案的嘗試越來越多，線網綜合搭建方案與單線單獨搭建方案相比有許多無法比擬的優(yōu)勢，節(jié)約投資、降低維護成本，減少線間切換失敗的風險。在進行城市線網規(guī)劃之初，就要綜合考慮數(shù)據通信綜合承載網絡的搭建方案，對于地鐵建設剛剛起步的城市尤為重要。

[1]張成國，李文明.長期演進（LTE）技術在地鐵無線通信中的應用[J].城市軌道交通研究，2015，18（1）：112-117.

This paper introduces the basic technology of LTE-M, discusses the construction schemes of LTE-M in urban rail transit network, and analyzes the advantages and disadvantages of each scheme.

LTE-M; basic technology; rail transit network; architecture scheme

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.06.015

2016-07-15）