鄭州市軌道交通LTE綜合承載方案分析

李亞軍

（鄭州市軌道交通有限公司，鄭州 450000）

1 概述

作為大容量的乘客輸送系統(tǒng)，城市軌道交通在中國方興未艾。車地無線通信系統(tǒng)作為城市軌道交通的核心系統(tǒng)之一，承擔著信號、車載乘客信息系統(tǒng)（PIS）等數(shù)據(jù)的傳輸，其安全可靠性對整個軌道交通系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行至關重要。隨著無線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，由分時長期演進（Time Division Long Term Evolution，TD-LTE）作為車地無線通信系統(tǒng)承載業(yè)務數(shù)據(jù)，已經(jīng)成為城市軌道交通建設的趨勢。根據(jù)工信部和城市軌道交通協(xié)會下發(fā)的通知，結合鄭州市軌道交通1、2號線和城郊鐵路TD-LTE單業(yè)務的使用及2號線六站五區(qū)間對TD-LTE綜合承載科研測試結果，通過對頻率資源分配、有線傳輸網(wǎng)絡的選用、無線覆蓋方案的確定、同頻干擾解決方案等方面的分析，探討鄭州市軌道交通5號線及后續(xù)新建線路，基于無線通信的信號系統(tǒng)（CBTC）車地無線通信方式采用基于TD-LTE綜合承載方案系統(tǒng)架構的合理性和可行性。

2 綜合承載業(yè)務需求

鄭州市軌道交通LTE綜合承載的業(yè)務主要有CBTC車地無線通信實時數(shù)據(jù)業(yè)務、車載視頻監(jiān)視數(shù)據(jù)業(yè)務(CCTV)和車載乘客信息多媒體業(yè)務（PIS）、車輛狀態(tài)信息及緊急文本信息等。

2.1 CBTC車地無線通信實時數(shù)據(jù)業(yè)務

CBTC車地無線通信主要傳輸列車位置信息、運行狀態(tài)信息、移動授權信息、命令及其他任務報文，該業(yè)務屬于運營安全信息，是城市軌道交通數(shù)據(jù)業(yè)務中優(yōu)先級最高的一種業(yè)務。

2.2 車載視頻監(jiān)視數(shù)據(jù)業(yè)務(CCTV)

車載視頻監(jiān)視將列車駕駛室、列車車廂的視頻監(jiān)視圖像通過無線的方式實時傳輸?shù)娇刂浦行模M行集中監(jiān)視并為應急調度指揮提供實時的車內(nèi)高清動態(tài)圖像信息。

2.3 車載乘客信息多媒體業(yè)務（PIS）

車載乘客信息多媒體業(yè)務（PIS）用于列車車廂內(nèi)資訊發(fā)布、乘客指引信息的視頻展播。

2.4 車輛狀態(tài)信息

車輛狀態(tài)信息將通過傳感器采集到的列車關鍵參數(shù)，車輛狀態(tài)信息實時傳送到地面監(jiān)測中心。

2.5 緊急文本信息

列車緊急文本信息通知乘客列車運營信息或其他緊急信息。

3 系統(tǒng)架構

在總結鄭州軌道交通1、2號線，城郊鐵路TD-LTE承載車載PIS和車載CCTV業(yè)務使用情況的基礎上，結合2號線六站五區(qū)間對TD-LTE綜合承載科研測試結果，從安全性、可靠性、冗余性和投資等方面綜合考慮，綜合承載業(yè)務的系統(tǒng)架構從網(wǎng)絡結構設置區(qū)域層面可以劃分為5層，即中心設備層、有線傳輸層、無線覆蓋層、車載終端以及應用層。

1）中心設備層：中心設備層是整個無線網(wǎng)絡的關鍵組成部分，完成車地無線傳輸數(shù)據(jù)的上傳和下發(fā)以及與其他業(yè)務子系統(tǒng)的互聯(lián)，為它們提供可靠的雙向數(shù)據(jù)通信服務，綜合的車地無線接入數(shù)據(jù)均需要通過核心網(wǎng)與外部系統(tǒng)通信。

2）有線傳輸層：提供中心設備與車站設備間的傳輸通道。

3）無線覆蓋層：提供沿線無線接入服務，同時上行接入地面有線網(wǎng)絡，與中心核心網(wǎng)設備對接，完成對各類業(yè)務的數(shù)據(jù)傳輸。

4）車載網(wǎng)絡：由車載終端組成，用于連接軌旁無線網(wǎng)絡。

5）應用層：由PIS系統(tǒng)、CCTV系統(tǒng)、CBTC系統(tǒng)、車輛狀態(tài)信息等組成。

LTE綜合承載系統(tǒng)架構采用基于IP的扁平化網(wǎng)絡結構，架構簡單，維護節(jié)點少，核心設備冗余設置，滿足安全性的要求，系統(tǒng)架構如圖1所示。

4 A、B網(wǎng)無線資源分配分析

根據(jù)信號系統(tǒng)的雙網(wǎng)冗余結構，結合鄭州市軌道交通申請到的20 MHz帶寬，考慮到TD-LTE目前只能支持1.4/3/5/10/15/20 MHz組網(wǎng)，鄭州市軌道交通基于TD-LTE的車地無線通信A、B網(wǎng)采用15 M+5 M的頻率配置方案，A網(wǎng)（1 790～1 805 MHz）采用15 M帶寬資源同頻組網(wǎng)，實現(xiàn)綜合承載；B網(wǎng)（1 785～1 790 MHz）采用5 M帶寬資源同頻組網(wǎng)，承載信號CBTC列車控制信息，A、B無線資源分配如圖2所示。

5 A、B網(wǎng)有線傳輸網(wǎng)絡選用分析

綜合承載有線傳輸網(wǎng)絡采用何種組網(wǎng)方案，不同城市有不同的做法，可采用以下三種方案，方案一：利用專用通信傳輸網(wǎng)絡；方案二：利用專用通信傳輸網(wǎng)絡和增加一套交換機組網(wǎng)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡；方案三：利用信號系統(tǒng)自身的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（DCS）網(wǎng)絡。

方案一利用通信專業(yè)傳輸網(wǎng)絡承載TD-LTE A網(wǎng)和B網(wǎng)，通常專用通信傳輸網(wǎng)絡在控制中心、車站、車輛段、停車場為單臺設備，其冗余方案為傳輸設備的板卡級冗余。

方案二在方案一的基礎上，考慮TD-LTE A網(wǎng)由通信傳輸設備承載，增設一套交換機網(wǎng)絡承載TD-LTE B網(wǎng)，雖然滿足信號系統(tǒng)的雙網(wǎng)傳輸冗余要求，但兩張網(wǎng)絡設備制式、網(wǎng)絡架構有所不同。

方案三利用信號系統(tǒng)的DCS網(wǎng)絡，由信號DCS網(wǎng)絡承載TD-LTE A網(wǎng)和B網(wǎng)數(shù)據(jù)信息，信號DCS網(wǎng)絡采用2套千兆以太網(wǎng)交換機組網(wǎng)，從帶寬上可滿足遠期車輛配屬情況下通信、信號數(shù)據(jù)的帶寬需求，并可提供設備級的冗余保護。在DCS網(wǎng)絡承載A網(wǎng)（通信）、B網(wǎng)（信號）數(shù)據(jù)時可通過VLAN隔離確保數(shù)據(jù)流傳送安全；在LTE網(wǎng)絡中傳輸時，可通過隧道協(xié)議保護實現(xiàn)隔離。因此，采用2套DCS網(wǎng)絡同時傳輸TD-LTE A網(wǎng)和B網(wǎng)數(shù)據(jù)信息，可靠性和安全性均得以保障；同時，利用信號系統(tǒng)的DCS網(wǎng)絡，未改變信號系統(tǒng)的有線傳輸網(wǎng)絡架構，由信號專業(yè)實施，既能滿足信號系統(tǒng)的要求，與通信的界面也清晰。

綜合對上述三個方案的分析對比，本著利用傳統(tǒng)系統(tǒng)架構不變、不增加過多投資的原則確定采用方案三。綜合承載有線傳輸網(wǎng)絡由信號系統(tǒng)在原有DCS網(wǎng)絡中配置雙套。

6 無線網(wǎng)絡覆蓋分析

6.1 正線無線網(wǎng)絡覆蓋方案

鄭州軌道交通1、2號線及城郊鐵路TD-LTE承載PIS和CCTV業(yè)務正線地下區(qū)間使用漏纜覆蓋，高架和車站使用天線覆蓋。綜合承載TD-LTE A網(wǎng)和B網(wǎng)針對地下區(qū)間漏纜覆蓋有兩種解決方案：方案一，與800 M專用無線通信系統(tǒng)共享一根漏纜；方案二，與800 M專用無線通信系統(tǒng)和350 M警用無線通信系統(tǒng)共享兩根漏纜。

方案一可通過LTE隧道協(xié)議保護實現(xiàn)A網(wǎng)和B網(wǎng)的數(shù)據(jù)隔離，但A/B網(wǎng)信號在合路器合路后在一根漏纜中傳輸，未實現(xiàn)物理上的雙網(wǎng)冗余，不滿足信號系統(tǒng)冗余要求。如果單獨增加一根漏纜與專用無線漏纜共同組成雙網(wǎng)，可以滿足信號冗余要求。但是增加一根漏纜，一方面增加投資，另一方面，隧道內(nèi)安裝空間有限，將影響漏纜安裝及信號的傳輸效果。方案二的A網(wǎng)和B網(wǎng)信號同時通過兩根漏纜傳輸，當一根漏纜出現(xiàn)問題時，另外一根漏纜仍可保證系統(tǒng)的正常使用，減小單點故障對整個系統(tǒng)業(yè)務的影響。且在同一根漏纜中A/B網(wǎng)信號由于使用不同的頻率進行承載（A網(wǎng)1 785～1 790 MHz，B網(wǎng)1 790～1 805 MHz），在傳播過程中仍然通過頻率實現(xiàn)硬隔離，相互之間不存在干擾。另外，采用敷設兩根漏纜的方案，還可以實現(xiàn)MIMO功能，提高系統(tǒng)的吞吐量，改善通信效果。通過共享專用無線通信系統(tǒng)和警用無線通信系統(tǒng)的兩根漏纜實現(xiàn)資源共享，既減少工程投資，又節(jié)省隧道內(nèi)有限的安裝空間。

綜上所述，鄭州地鐵綜合承載漏纜覆蓋采用方案二，共享專用無線通信系統(tǒng)和警用無線通信系統(tǒng)的兩根漏纜。

鑒于信號系統(tǒng)共享專用無線通信系統(tǒng)和警用無線通信系統(tǒng)的兩根漏纜，從維護的便利性和專業(yè)化考慮，漏纜和區(qū)間分合路器由通信專業(yè)承設，信號專業(yè)與通信專業(yè)的劃分界面在分合路器處。

6.2 車輛基地無線網(wǎng)絡覆蓋方案

1）車輛基地停車列檢庫：列檢庫內(nèi)采用室內(nèi)分布式天線覆蓋。

2）出入段/場線：采用漏纜覆蓋。

3）出入段/場線隧道口：采用定向天線覆蓋。

4）試車線：采用漏纜覆蓋。

6.3 正線BBU、RRU和控制中心核心網(wǎng)設置方案

系統(tǒng)采用A、B雙網(wǎng)冗余組網(wǎng)，正線按照鏈狀網(wǎng)結構設置兩套相同的分布式基帶處理單元（BBU）+射頻拉遠單元（RRU）網(wǎng)絡，通過信號DCS網(wǎng)絡接入控制中心兩套核心網(wǎng)設備。

結合BBU可以星型或者鏈型連接多個RRU的特點，鄭州地鐵BBU和RRU的設置方案采用星型拓撲結構，即BBU采用分散設置的方案，在正線每個信號設備集中站設置2個BBU設備，在正線信號設備集中站和非集中站均設置2個RRU設備，對于長度大于1 200 m的區(qū)間，增設4個RRU設置（上、下行各兩個），并為區(qū)間RRU提供相應電源，各個RRU設置以星型連接至所屬集中站的相應BBU設備。

控制中心設置兩套核心網(wǎng)設備，A、B網(wǎng)分開，信號系統(tǒng)和通信系統(tǒng)通過核心網(wǎng)設備的路由器與綜合承載無線通信系統(tǒng)連接。

7 車載網(wǎng)絡分析

綜合承載車載網(wǎng)絡由車頭和車尾的駕駛室網(wǎng)絡組成，其中車頭、車尾駕駛室網(wǎng)絡分別由車載TAU、車載天線，車載交換機等組成。車載網(wǎng)絡示意如圖3所示。

每列車上安裝4套TAU、4個天線，車頭和車尾各兩套TAU及兩個天線。TAU用來實現(xiàn)車載設備和軌旁設備間的數(shù)據(jù)傳輸。單端司機室車載ATP和ATO子系統(tǒng)通過兩個獨立的以太網(wǎng)連接到其中一個TAU，采用雙絞線彼此連接的以太網(wǎng)擴展設備來實現(xiàn)車頭車尾之間的通信。另外一個TAU一路連接到通信車載交換機，再接入相應的系統(tǒng)，實現(xiàn)車載PIS、車載CCTV的傳輸，另一路接到車輛設備，實現(xiàn)車輛狀態(tài)信息（含緊急文本信息）的傳輸。綜合承載在車上每個駕駛端為車載PIS（含車載CCTV）提供1個以太網(wǎng)接口。綜合承載在車上每個駕駛端為車輛狀態(tài)信息（含緊急文本信息）提供1個以太網(wǎng)接口，車輛狀態(tài)信息（含緊急文本信息）可同時由車載TCMS從車頭車尾發(fā)送。

一個車載控制器安裝在列車的一端（車頭），包括一個ATP子系統(tǒng)和ATO子系統(tǒng)；同樣的一個車載控制器安裝在另一端（車尾）。所有列車上的設備能通過兩個獨立的以太網(wǎng)連接在一起，形成CBTC車載數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡。從而保證車載設備在單端故障時，車地通信數(shù)據(jù)的可靠性傳輸，不會影響到列車的正常運行。

車載通信系統(tǒng)由兩個完全獨立的網(wǎng)絡（紅網(wǎng)和藍網(wǎng)）組成，這兩個網(wǎng)絡互為冗余。

8 同頻干擾解決方案分析

對于同臺換乘車站，如果兩條換乘線路都采用了基于TD-LTE的車地無線通信系統(tǒng)，兩條線路使用相同或者說重疊的頻率，存在同頻干擾的可能。

鄭州東站為5號線與8號線同臺換乘車站，為解決同頻干擾問題，綜合考慮不同信號廠家、不同LTE設備廠家的情況下，5號線和8號線的綜合承載系統(tǒng)采用異頻方案，即將1 785～1 805 MHz的頻段平均分配給5號線和8號線各10 MHz，5號線采用的頻段為1 785～1 795 MHz，8號線采用的頻段為1 795～1 805 MHz。

9 結束語

通過對鄭州軌道交通5號線TD-LTE綜合承載系統(tǒng)方案的介紹，了解鄭州地鐵LTE綜合承載系統(tǒng)的承載業(yè)務需求、組網(wǎng)架構、抗干擾對策等，對LTE綜合承載系統(tǒng)在類似的應用領域有很好的借鑒作用。

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