TD-LTE在有軌電車工程中的應用研究

公吉鵬

（廣州地鐵設計研究院有限公司，廣州 510010）

基于無線通信技術的車地通信系統(tǒng)是實現(xiàn)有軌電車控制與運行的重要技術之一。有軌電車工程中的車地雙向通信主要采用工作在開放頻段的無線局域網(wǎng)（wireless local area network，WLAN）通信技術，WLAN在軌道交通中應用非常成熟。雖然WLAN能滿足現(xiàn)階段有軌電車的運營需求，但隨著有軌電車業(yè)務需求的不斷增加以及線網(wǎng)運營的集成化需求，WLAN將面臨著諸多挑戰(zhàn)，而LTE系統(tǒng)具有高帶寬、高移動性、長區(qū)間覆蓋、高擴展性等特點，運行于電信運營商級的架構及設備，可解決既有無線系統(tǒng)存在的不穩(wěn)定、移動性差等問題[1]，能夠滿足有軌電車的傳輸通信要求。因此筆者分析WLAN技術和LTE技術的特點，提出采用長期演進（long term evolution，LTE）技術的系統(tǒng)方案。

1 TD-LTE技術應用前景

由于WLAN的工作頻段為開放頻段，隨著無線通信技術的發(fā)展推廣及應用范圍不斷擴大，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發(fā)生過車地通信受民用 WiFi設備干擾導致車地通信中斷、影響列車正常運營的事件。2012年8—11月，深圳地鐵2號線和5號線多次發(fā)生由于無線干擾影響列車運營的事故[2]。

為解決WLAN受干擾的情況，中國城市軌道交通協(xié)會已經(jīng)進行軌道交通專用頻率的規(guī)劃工作，采用新技術建立抗干擾的、封閉的、穩(wěn)定的、適合高速移動的車地無線通信系統(tǒng)。伴隨第四代移動通信LTE技術的成熟應用，基于LTE技術的車地無線通信系統(tǒng)受到了關注，并逐漸完善。目前LTE技術依靠其設備量少、便于維護、抗干擾能力強、故障率低、頻譜利用率高等特點，已經(jīng)在城市軌道交通信號系統(tǒng)、乘客信息服務系統(tǒng)/閉路電視系統(tǒng)（passenger information system/closed-circuit television，PIS/CCTV）、列車運行監(jiān)控系統(tǒng)、專用通信系統(tǒng)等各業(yè)務系統(tǒng)中得到應用。當前在有軌電車工程項目中，車地通信系統(tǒng)仍然采用IEEE802.11標準進行無線傳輸，工作于2.4 GHz或者5.8 GHz公共頻段。但隨著通信業(yè)務的不斷增加以及集成需求的提高，WLAN將面臨著很多瓶頸，而LTE則具有高速率、高頻譜利用率、移動性好、抗干擾等特點，能夠成為適用于有軌電車運行的通信系統(tǒng)。

2 LTE與WIFI的技術特點比較

城市軌道交通系統(tǒng)之前較多采用 WIFI技術進行車地雙向數(shù)據(jù)業(yè)務的承載，近年來，隨著工信部1.8GHz專用頻段的批復使用、LTE-M 標準的發(fā)布，LTE技術已在城市軌道交通行業(yè)推廣使用。

LTE采用正交頻分復用技術（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）和多入多出技術（multipleinput multiple-output，MIMO）顯著提高了頻譜效率，軌道交通系統(tǒng)采用時分雙工方式，有效解決頻率資源分配與組網(wǎng)問題。采用時分雙工（time division duplexing，TDD）模式的LTE系統(tǒng)稱為TD-LTE系統(tǒng)。TD-LTE采用全Internet協(xié)議（Internet protocol，IP）化的扁平架構，降低控制面和用戶平面時延，提供優(yōu)先級調(diào)度和高速移動性支持，并通過抗干擾技術（如干擾抑制組合（interference rejection combining，IRC）技術等）和安全機制（如用于空口加密的國產(chǎn)祖沖之算法等）保證無線數(shù)據(jù)業(yè)務的安全可靠傳輸[3]。

目前國內(nèi)進行TD-LTE產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)的廠家主要有華為、中興、烽火、普天和信威等，各廠家的LTE產(chǎn)品已經(jīng)商用化多年，并在民用通信、政務網(wǎng)等通信業(yè)務領域提供了優(yōu)質(zhì)的通信服務，其產(chǎn)品平臺已成熟化。TD-LTE傳輸技術相比于WLAN無線傳輸技術有著完善的服務質(zhì)量（quality of service，QoS）傳輸管理策略設計，同時在數(shù)據(jù)鏈路層也采用了區(qū)別于WLAN自由競爭的接入策略，專門設計了控制平面和信令來規(guī)避多用戶接入中出現(xiàn)的接入競爭沖突等問題，因此業(yè)務數(shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定性較WLAN技術有較大的提升。相對于WLAN技術，LTE具有以下優(yōu)點[4]。

1）業(yè)務的優(yōu)先級調(diào)整。LTE技術實現(xiàn)9個調(diào)度優(yōu)先級，前6個分別是語音會話、視頻會話、實時游戲、非會話視頻、IMS指令和語音視頻流，后3個承載對時延要求寬松的業(yè)務，比如TCP業(yè)務等，并且按照預定義的可能業(yè)務類型，對應不同的服務質(zhì)量（延時、丟包率、誤碼率等）要求，定義了9個服務質(zhì)量類別標識（QoS class identifier，QCI），系統(tǒng)根據(jù)QCI對應的優(yōu)先級進行資源分配和調(diào)度。該技術可以將列車信號系統(tǒng)輔助駕駛劃分為A類，即優(yōu)先保證類業(yè)務。

2）覆蓋范圍廣。一方面 LTE采用先進的信號處理技術和硬件平臺，設備的接收機靈敏度優(yōu)于WLAN設備；另一方面，LTE技術一般使用專用頻段，設備可以采用更高的發(fā)射功率，使得覆蓋范圍增大，每個基站射頻單元覆蓋范圍能達到1 km以上。

以WLAN平均每200 m就要設置一個AP設備來說，1 km的覆蓋范圍大幅度減少了軌旁設備的布設，設備量的大大減少便于后期的運營維護，也有利于有軌電車的城市美化需求。

3）抗干擾能力強。相比WLAN網(wǎng)絡，LTE技術工作于專用頻段，且有著完善的抗干擾機制。其采用OFDM技術，基于完善的編碼、重傳和干擾抑制合并（interference rejection combining，IRC）機制，擁有毫秒級的調(diào)度機制，采用小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術（inter-cell interference coordination，ICIC）進行小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)。

綜合以上分析，LTE技術與WIFI技術對比如表1 所示。

表1 LTE與WIFI的技術對比Tab. 1 Technical comparison between LTE and WIFI

在廣州海珠區(qū)現(xiàn)代新型有軌電車系統(tǒng)中，既有的車地無線傳輸系統(tǒng)包括運營調(diào)度系統(tǒng)的2.4 GHz WLAN網(wǎng)絡，綜合承載了運營調(diào)度的信息、PIS/CCTV、卡機票務信息；短程通信系統(tǒng)，承載車載控制區(qū)與道岔控制器、路口/道口控制器的交互數(shù)據(jù)[5]；集群調(diào)度系統(tǒng)。若采用LTE技術，以上所有業(yè)務都可承載于LTE網(wǎng)絡，且軌旁設備顯著減少，具體數(shù)據(jù)如表2所示。建立基于LTE技術的綜合數(shù)據(jù)承載網(wǎng)絡可避免各專業(yè)獨立建網(wǎng)的現(xiàn)象，有效降低建設成本，提高運營維護效率。

表2 WIFI與LTE的應用對比Tab. 2 Application comparison between LTE and WIFI

3 有軌電車綜合業(yè)務需求

現(xiàn)代有軌電車需要車地通道傳輸?shù)臉I(yè)務數(shù)據(jù)主要有如下幾類[6]：

1）列車運營調(diào)度數(shù)據(jù)，主要包括列車實時位置數(shù)據(jù)、道岔控制/狀態(tài)數(shù)據(jù)、道口/路口信號優(yōu)先數(shù)據(jù)等；

2）車載卡機實時票務數(shù)據(jù)；

3）PIS緊急文本信息；

4）PIS視頻數(shù)據(jù)流；

5）CCTV車載視頻監(jiān)視回傳數(shù)據(jù)；

6）列車實時狀態(tài)監(jiān)視信息及自動充電控制數(shù)據(jù)；

7）集群調(diào)度業(yè)務。

以上各業(yè)務性能需求如表3所示。以上業(yè)務需求分析已綜合考慮了目前有軌電車系統(tǒng)中所有與運營相關的車地業(yè)務需求，采用一套車地無線傳輸網(wǎng)絡綜合承載各業(yè)務需求，且考慮較極端的情況下，4列車同時在一個小區(qū)內(nèi)，該綜合承載網(wǎng)需要提供的最低承載能力為上行6 Mbit/s、下行5.5 Mbit/s?？紤]30%的設計余量及未來業(yè)務需求的增長，可按照上行 8 Mbit/s、下行7.2 Mbit/s設計。若僅考慮小區(qū)內(nèi)只有兩列車的情況，則所需的最低承載能力為上行 3 Mbit/s、下行4.7 Mbit/s，可按照上行4 Mbit/s、下行6.2 Mbit/s設計。

4 基于 LTE技術的車地無線傳輸通信的應用

從LTE的技術特點可以看出，隨著無線通信技術的發(fā)展，LTE具有更高的安全性、可靠性及可用性，應用于城市軌道交通的實踐趨于成熟，于2017年9月開通試運行的武漢有軌電車車都T1線，就采用了該技術。

表3 車地間各業(yè)務的寬帶需求和性能需求[7]Tab. 3 Requirements of train-ground business on brandwidth and performance

4.1 工程概述

武漢有軌電車車都T1線采用的LTE系統(tǒng)，由北京信威通信股份有限公司提供 McLTE寬帶無線集群通信系統(tǒng)。武漢有軌電車車都 T1線是湖北省第一條現(xiàn)代有軌電車線路，全長16.86 km，設車站23座，2017年 9月試運行，工程采用100%低地板鋼輪鋼軌現(xiàn)代有軌電車，全線采用信威通信 McLTE寬帶無線集群通信系統(tǒng)網(wǎng)絡進行無線信號覆蓋，為控制中心、車輛段與正線提供專用的語音及數(shù)據(jù)通道，實現(xiàn)車輛與控制中心的無線語音通信及數(shù)據(jù)傳輸，并能夠在控制中心實現(xiàn)錄音功能。

4.2 LTE基本構成

1）控制中心設備

由LTE核心網(wǎng)子系統(tǒng)EPC、網(wǎng)管子系統(tǒng)、路由接口設備組成。

2）車站設備

系統(tǒng)基站的BBU設備放置在正線變電所。

3）區(qū)間設備

區(qū)間設備由無線子系統(tǒng)RRU、定向天線以及光電纜組成。RRU的布站間距由鏈路預算確定，根據(jù)有軌電車通常的線路情況，只需在站臺區(qū)域安裝RRU及天線。

4）車輛段/停車場覆蓋設備

車輛段/停車場覆蓋設備由無線子系統(tǒng)BBU、RRU和天線組成。覆蓋出入段線/出入場線、咽喉區(qū)、停車列檢庫等區(qū)域。

5）車載設備

車載設備由終端設備車載接入單元TAU、天饋系統(tǒng)和接入設備以太網(wǎng)交換機組成。在列車的車頭和車尾分別設置TAU，頭尾TAU僅有一個出于工作狀態(tài)，另一臺TAU為熱備狀態(tài)。TAU通過車載交換機與信號/通信系統(tǒng)車載設備相連，傳輸信號系統(tǒng)的控制信息、列車狀態(tài)信息等。

信號系統(tǒng)與LTE系統(tǒng)在地面通過路由設備進行連接，在列車車頭/車尾通過接入設備以太網(wǎng)交換機與LTE網(wǎng)絡車載接入單元TAU連接。車地通信傳輸構成如圖1所示。

圖1 車地通信傳輸構成Fig. 1 Composition of train-ground transmission

4.3 示范效應

T1線的LTE系統(tǒng)，為各專業(yè)、各子系統(tǒng)提供統(tǒng)一可靠、冗余、靈活的數(shù)據(jù)通道，充分將有軌電車優(yōu)先、合理調(diào)度、安全舒適和優(yōu)質(zhì)服務等特點發(fā)揮出來；現(xiàn)代有軌電車控制系統(tǒng)通過對車輛、車站和道路信息的采集、傳輸和處理，實現(xiàn)對運營車輛進行實時監(jiān)視和優(yōu)化調(diào)度功能，及時發(fā)現(xiàn)、處理各種事故，為乘客提供全面、準確和及時的信息服務，有效提高公共交通的服務水平，促進現(xiàn)代有軌電車的智能化運營、調(diào)度和管理。系統(tǒng)具備高帶寬、高可靠的抗干擾能力、高效的多業(yè)務優(yōu)先級保障機制、高速移動下的穩(wěn)定傳輸?shù)榷囗梼?yōu)點，為 T1線控制中心、車輛段與正線提供專用的語音及數(shù)據(jù)通道，實現(xiàn)車輛與控制中心的無線語音通信和數(shù)據(jù)傳輸，為控制中心列車調(diào)度、車輛基地調(diào)度與列車駕駛員、防災和維修等人員之間的語音通信提供安全技術保障。

在車載和地面測試主機上利用專用測試軟件模擬業(yè)務測試系統(tǒng)帶寬和丟包率。測試模擬上下行各512 kbit/s的傳輸業(yè)務，傳輸400 Byte的UDP包，同時模擬一路上行1 Mbit/s和一路下行4 Mbit/s PIS業(yè)務。測試結果顯示信號業(yè)務帶寬為512 kbit/s，丟包率為0。傳輸性能測試和小區(qū)切換測試界面如圖2，圖3所示。

圖2 傳輸性能測試Fig. 2 Transmission performance test

圖3 小區(qū)切換測試Fig. 3 Intracell handover test

自試運行以來，車地無線通信系統(tǒng)在穩(wěn)定性、安全性、抗干擾性等方面表現(xiàn)突出，且系統(tǒng)自安裝調(diào)試以來，運行效果良好。

5 結語

國內(nèi)有軌電車的建設正處于一個高速發(fā)展時期，每個建設城市都進行了有軌電車線網(wǎng)的規(guī)劃，2020年前國內(nèi)要建設的線路超過2 500 km。LTE具有大容量的服務器，可以對后續(xù)線路建設預留接口，多條線路可以共用一套核心網(wǎng)，從長遠看，可以有效降低系統(tǒng)的建設成本。同時，LTE技術采用的是3 GPP的通用標準，各條線路即使由不同的LTE廠家建設也可以進行互聯(lián)互通，統(tǒng)一管理[8]。

這些技術優(yōu)勢打破軌道交通建設的瓶頸，為有軌電車的發(fā)展提供更廣闊的思路和空間，繼而進一步推動整個城市路網(wǎng)的發(fā)展。綜上分析，無論是抗干擾能力、可維護性還是服務質(zhì)量，LTE都較WLAN有很大的優(yōu)勢。采用LTE傳輸系統(tǒng)，可以提高無線系統(tǒng)的抗干擾能力、穩(wěn)定性和可靠性。