LTE技術(shù)在城市軌道CBTC系統(tǒng)的應(yīng)用與設(shè)計(jì)

李永龍 張運(yùn)強(qiáng)

1 中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 天津 300308

2 通號(hào)城市軌道交通技術(shù)有限公司 北京 100070

正文：

一、概述

隨著LTE技術(shù)的發(fā)展與成熟，在無(wú)線傳輸方面的優(yōu)勢(shì)明顯，LTE技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用不斷展開(kāi)。城市軌道交通CBTC系統(tǒng)近年得到了迅猛發(fā)展，其中它的關(guān)鍵子系統(tǒng)車-地?zé)o線通信系統(tǒng)急需得到一個(gè)穩(wěn)定可靠的無(wú)線通訊技術(shù)提升，以取代不理想的WLAN無(wú)線系統(tǒng)的應(yīng)用，經(jīng)過(guò)大量理論討論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在城市軌道CBTC系統(tǒng)中，LTE技術(shù)不但可用且效果很好，有取代應(yīng)用WLAN的優(yōu)勢(shì)，這里就LTE技術(shù)在城市軌道CBTC系統(tǒng)的應(yīng)用與設(shè)計(jì)與大家分享。

二、LTE原理及技術(shù)特點(diǎn)

1、LTE的原理與基本架構(gòu)

LTE(Long Term Evolution)是由無(wú)線接入的蜂窩技術(shù)演進(jìn)而來(lái)，在LTE系統(tǒng)演進(jìn)初期，目標(biāo)和需求就非常明確的確定為：降低傳輸時(shí)延；提高數(shù)據(jù)傳輸速率；擴(kuò)大系統(tǒng)容量和覆蓋；實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)成本降低。最重要的技術(shù)包括更大的寬帶（聚合波技術(shù)）、多入多出技術(shù)（MIMO）、正交頻分復(fù)用（OFDM）、協(xié)作多點(diǎn)（CoMP）發(fā)送或接收，中繼、家用增強(qiáng)基站（HeNB）和機(jī)器類的通信技術(shù)等。接入網(wǎng)演進(jìn)為E-UTRAN（Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network）。

（1）LTE的核心網(wǎng)EPC(Evolved Packet Core)由MME，S-GW和P-GW組成。LTE的網(wǎng)絡(luò)結(jié)更加簡(jiǎn)單扁平化，組網(wǎng)靈活性好，較大地減少傳輸時(shí)延，組網(wǎng)成本較低。LTE的接入網(wǎng)E-UTRAN由e-NodeB組成，提供用戶面和控制面。LTE結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1：LTE結(jié)構(gòu)示意圖

（2）LTE的網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議包括:

a) 基站（e-NodeB）之間通過(guò)X2空口協(xié)議進(jìn)行連接，由X2空口協(xié)議支持基站（e-NodeB）之間數(shù)據(jù)和信令的相互傳輸。

b) 基站（e-NodeB）與核心網(wǎng)EPC間通過(guò)S1接口協(xié)議進(jìn)行連接。其中，S1-MME是基站（e-NodeB）連接MME的控制面接口，S1-U是基站（e-NodeB）連接S-GW 的用戶面接口。

c) S-GW和P-GW之間通過(guò)S5接口協(xié)議連接。

LTE空中接口的分層結(jié)構(gòu)，從下至上分為PHY-MACRLC-PDCP—RRC 等幾個(gè)層次，其中，PHY屬于物理層部分，MAC、RLC和PDCP屬于鏈路層部分，RRC屬于網(wǎng)絡(luò)層部分。如圖2所示。

圖2：LTE接口分層示意圖

2、LTE的技術(shù)特點(diǎn)

從LTE的架構(gòu)與原理也能夠體現(xiàn)LTE傳輸?shù)囊恍┨攸c(diǎn)，LTE的主要技術(shù)特性使其具有更廣泛的應(yīng)用。

（1）應(yīng)用于城市軌道交通的LTE系統(tǒng)基本信息如下表，包括頻率和帶寬信息等。

表1： LTE系統(tǒng)無(wú)線頻帶使用情況

信道可使用帶寬分別為：1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15 MHz、20 MHz。

（2）LTE系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

保持既有基站位置不變的情況下，提高小區(qū)邊緣比特速率及顯著地提高頻譜效率；

無(wú)線接入網(wǎng)的時(shí)延低于10ms；

控制面延時(shí)小于100ms，用戶面延時(shí)小于5ms

頻譜效率：1.69bps/Hz(2x2 MIMO); 1.87bps/Hz(4x2 MIMO)

用戶數(shù)：協(xié)議要求5MHz帶寬時(shí)，不低于支持200激活用戶/小區(qū)；明顯降低控制面時(shí)延；

系統(tǒng)帶寬能夠靈活配置，（如1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz帶寬）且可以實(shí)現(xiàn)支持成對(duì)和非成對(duì)頻譜；

峰值傳輸數(shù)據(jù)速率有很大提高?！救?0MHz帶寬時(shí)下行326Mbps(4*4 MIMO)，上行86.4 Mbps (UE: SingleTX)】；

支持增強(qiáng)型MBMS（E-MBMS）效果更好；

LTE系統(tǒng)對(duì)低速和高速移動(dòng)終端都能夠提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，滿足速度＞350km/h的高鐵提供100kbps的接入服務(wù)；

取消電路交換域，其業(yè)務(wù)在分組交換域?qū)崿F(xiàn)；

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，低成本建網(wǎng)。

三、LTE在城市軌道領(lǐng)域的應(yīng)用分析

1、LTE技術(shù)在城市軌道領(lǐng)域的應(yīng)用試驗(yàn)、分析與特點(diǎn)

（1） LTE技術(shù)在城市軌道CBTC系統(tǒng)的研究與分析

在我國(guó)城市軌道CBTC系統(tǒng)引入初期，主要是引進(jìn)國(guó)外系統(tǒng)，由于這些系統(tǒng)研發(fā)較早，車-地?zé)o線通信都采用的是WLAN技術(shù)，這一技術(shù)民用得到了廣泛應(yīng)用，在應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)WLAN技術(shù)應(yīng)用在城市軌道CBTC系統(tǒng)有技術(shù)上的致命弱點(diǎn)，在開(kāi)闊地帶連續(xù)的多向的信息傳輸經(jīng)常發(fā)生信道阻塞而中斷通信，列車降級(jí)運(yùn)行，造成晚點(diǎn)現(xiàn)象嚴(yán)重；因WLAN采用的是ISM頻段（非授權(quán)使用頻段），所以經(jīng)常會(huì)受到不明干擾失去車-地通信造成列車降級(jí)。這些者嚴(yán)重地干擾了列車正常秩序，尤其在我國(guó)城市軌道車流密度大，運(yùn)力壓力大的情況下，尤其顯得車-地?zé)o線技術(shù)急需提高。2014年起，由中國(guó)通號(hào)、華為公司、中興公司等技術(shù)研發(fā)和運(yùn)用單位聯(lián)合，對(duì)LTE的技術(shù)特點(diǎn)和使用特征進(jìn)行了全面的研究，經(jīng)過(guò)多次多種類試驗(yàn)，將LTE技術(shù)應(yīng)用到城市軌道CBTC系統(tǒng)作為新一代的車-地?zé)o線通信技術(shù)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，對(duì)LTE系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)綜合測(cè)試結(jié)果如表2。

表2. TD-LTE無(wú)線鐵路應(yīng)用性能測(cè)試結(jié)果

根據(jù)2015年發(fā)布的《城市軌道交通CBTC信號(hào)系統(tǒng)行業(yè)技術(shù)規(guī)范-數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)規(guī)范》“在非切換區(qū)域，CBTC業(yè)務(wù)的單列車無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信息傳輸上下行總速率不小于1Mbps”，因此CBTC業(yè)務(wù)傳輸速率1Mbps即可滿足，上下行各分配512kbps考慮，同時(shí)綜合考慮其它系統(tǒng)業(yè)務(wù)，城市軌道交通車-地?zé)o線通信需求總結(jié)見(jiàn)表3：

表3. 城市軌道交通車地?zé)o線通信需求

?

結(jié)合表2綜合測(cè)試結(jié)果和表3中的各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并考慮今后的技術(shù)發(fā)展， CBTC、CCTV和PIS系統(tǒng)綜合承載時(shí)需要15MHz頻寬，得出LTE的15MHz頻寬的吞吐量（上行11Mbps，下行19Mbps）滿足綜合承載所需的傳輸速率（上行8.2Mbps，下行12.8Mbps）。據(jù)上分析，通過(guò)采用專用無(wú)線頻段的TD-LTE通信技術(shù)，可對(duì)城市軌道車-地通信相關(guān)系統(tǒng)業(yè)務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一整合，統(tǒng)一為L(zhǎng)TE無(wú)線通信的方案完全可行的。

2、城市軌道車-地通信LTE系統(tǒng)特點(diǎn)

A. 容量大、覆蓋廣：LTE系統(tǒng)可支持相關(guān)系統(tǒng)車-地?zé)o線通信的統(tǒng)一整合，包括數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和圖像等多種信息，可達(dá)到平均下行速率＞40 Mbps，平均上行速率＞20 Mbps。

B. 吞吐量高、切換快：LTE系統(tǒng)采用多天線接收分集、上行ICIC等特性實(shí)現(xiàn)最大支持15km的小區(qū)覆蓋；系統(tǒng)采用特有的針對(duì)移動(dòng)用戶的算法，實(shí)現(xiàn)快速的跨區(qū)切換，能夠?qū)崿F(xiàn)漫游時(shí)間＜100ms，傳輸延遲＜50ms。

C. 具有完善的IP傳輸機(jī)制：LTE提供9級(jí)QoS保障機(jī)制，保證優(yōu)先級(jí)最高的業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)能夠優(yōu)先傳輸?shù)竭_(dá)目的地，不發(fā)生傳輸中斷或數(shù)據(jù)丟失。

D. 利用多入多出（MINO）技術(shù)：保障傳輸穩(wěn)定性，無(wú)隙移動(dòng)切換。

E. 利用正交頻分復(fù)用（OFDM）和小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)（ICIC）技術(shù)：避免周圍干擾和小區(qū)間干擾。這對(duì)于WLAN是無(wú)法做到的。

F. 接收和發(fā)送采用三層交換機(jī)：使接收和發(fā)送數(shù)據(jù)雙方向數(shù)據(jù)包高速分發(fā)；實(shí)現(xiàn)隔離廣播風(fēng)暴；能夠?qū)崿F(xiàn)多媒體傳輸。

G. 頻段專用增加無(wú)線的可靠性；加大頻寬冗余使用，保證車流密度提高時(shí)系統(tǒng)的可用性。

3、城市軌道應(yīng)用的架構(gòu)

DCS（Data Communication System）系統(tǒng)是城市軌道CBTC系統(tǒng)子系統(tǒng)，包括地面網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)， LTE是實(shí)現(xiàn)車-地通信的無(wú)線網(wǎng)，DCS網(wǎng)絡(luò)主要為軌旁設(shè)備與車載設(shè)備提供通信通道。在地鐵應(yīng)用中采用雙網(wǎng)冗余設(shè)計(jì)，分別為A網(wǎng)和B網(wǎng)，且雙網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立運(yùn)行，CBTC系統(tǒng)組網(wǎng)的LTE系統(tǒng)劃分為：中心設(shè)備（EPC）、車站設(shè)備（BBU）、軌旁設(shè)備（RRU）以及車載設(shè)備（TAU），LTE網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)如圖3：

LTE設(shè)備從邏輯上分為三個(gè)部分：核心層、接入層、終端層。各部分介紹如下：

核心層：包括核心網(wǎng)EPC設(shè)備，是無(wú)線網(wǎng)的核心部分，完成傳輸數(shù)據(jù)的匯聚與分發(fā)，全部無(wú)線接入數(shù)據(jù)都要通過(guò)核心層與外部系統(tǒng)通信，為移動(dòng)終端提供可靠的雙向數(shù)據(jù)通信。同時(shí)EPC負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理與維護(hù)功能。

接入層：包括BBU和RRU設(shè)備，提供地鐵沿線無(wú)線接入服務(wù)，上行經(jīng)有線網(wǎng)接入核心層，完成數(shù)據(jù)傳輸功能。

車載終端：由車載無(wú)線終端TAU組成，與軌旁通過(guò)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)和命令。

LTE系統(tǒng)需要嚴(yán)格的時(shí)鐘同步，確?；旧漕l信號(hào)的時(shí)鐘和空口TDD同步。

正線采用漏纜天線，沿線路分布；車輛段采用定向天線采 用星形分層分布；車輛上采用定向天線；兩端雙天線分布。

圖3 CBTC系統(tǒng)LTE構(gòu)成系統(tǒng)框圖

四、城市軌道CBTC系統(tǒng)采用LTE無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用

城市軌道CBTC系統(tǒng)應(yīng)用LTE系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)物應(yīng)用，在應(yīng)用過(guò)程中要把好設(shè)計(jì)關(guān)，根據(jù)具體城市軌道CBTC系統(tǒng)的要求和現(xiàn)場(chǎng)條件出具針對(duì)性設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)是應(yīng)用好的前提。在城市軌道CBTC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，LTE網(wǎng)作為DCS子系統(tǒng)分部來(lái)設(shè)計(jì)，通常會(huì)優(yōu)先進(jìn)行邊緣速率的仿真和確定（也有通過(guò)仿真計(jì)算的表格查得）；依據(jù)單車車-地通信數(shù)據(jù)速率和最小列車行車間隔確定使用帶寬等；依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，LTE無(wú)線傳輸?shù)母采w范圍，地面段不大于2000m,隧道內(nèi)不大于500m的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行RRU預(yù)布；之后需經(jīng)過(guò)多次設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)由粗到細(xì)，逐步確認(rèn)LTE無(wú)線設(shè)計(jì)方案，及中心、軌旁、轉(zhuǎn)載設(shè)備布置設(shè)計(jì)。

為確保車輛平穩(wěn)連續(xù)運(yùn)行，LTE無(wú)線信號(hào)需要覆蓋試車線、車輛段、出入段線、正線、折返線、停車線等，LTE無(wú)線系統(tǒng)按照以下原則進(jìn)行設(shè)計(jì)：

1) 為保證車-地連續(xù)無(wú)線通信，要保證行車無(wú)線全覆蓋，無(wú)線基站設(shè)計(jì)布置不應(yīng)有盲區(qū)，且應(yīng)考慮無(wú)線覆蓋重疊區(qū)合適；

2) 為便于工程實(shí)施，雙網(wǎng)無(wú)線基站采用同站址組網(wǎng)方式；

3) 隧道內(nèi)有效站臺(tái)區(qū)域無(wú)線基站布置應(yīng)避免遮擋信號(hào)機(jī)；

4) 無(wú)線基站布置須考慮其他無(wú)線系統(tǒng)干擾（包括外部干擾）；

5) LTE網(wǎng)雙網(wǎng)的基站采取同站址安裝，信號(hào)經(jīng)過(guò)合路之后饋入到漏泄電纜之中；

6) 在隧道內(nèi)正線采用漏泄電纜作為L(zhǎng)TE設(shè)備的發(fā)射載體；

7) 在單洞單軌線路，須上下行分別布置基站；

8) 在單洞雙軌線路和地面線路，上下行可合用一個(gè)基站；

9) 地下雙洞線路，上下行線路分開(kāi)設(shè)置基站；

10) 地下單洞雙線線路，地面和高架線路，上下行線路合在一起設(shè)置基站；

11) 在地鐵車輛段以及咽喉區(qū)，可以根據(jù)實(shí)際安裝條件，采用定向天線方式星形分布，咽喉區(qū)、入庫(kù)口、庫(kù)尾三層布置；

12) 對(duì)于折返線、停車線，使用功分器將正線信號(hào)引入需要覆蓋的區(qū)域，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)縮短正線覆蓋距離。

另外，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮城市軌道網(wǎng)路同層換乘的相互干擾問(wèn)題。同層換乘時(shí)，通常使用無(wú)線空間隔離的方法；對(duì)不同線路LTE無(wú)線的發(fā)射信號(hào)采取等電平配置來(lái)解決干擾問(wèn)題。無(wú)線空間隔離的干擾裕量為20lg, 設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮降低漏纜安裝位置到站臺(tái)下方，或安裝到車頂上方隧道頂部。有效利用站臺(tái)地面、天花板、屏蔽門、車體等障礙實(shí)現(xiàn)空間隔離。隔離度可以達(dá)到10～15dB，能夠滿足LTE無(wú)線系統(tǒng)對(duì)SINR（信號(hào)與干擾加噪聲比）裕量的要求。當(dāng)漏纜安裝空間不能滿足時(shí)，可以考慮縮小同層兩條線路的帶寬，采用異頻配置以減少頻率干擾。因異頻配置會(huì)降低小區(qū)容量，需通過(guò)縮小站臺(tái)小區(qū)半徑來(lái)避免同一小區(qū)進(jìn)入過(guò)多車輛。這里小區(qū)覆蓋半徑設(shè)計(jì)應(yīng)比站臺(tái)長(zhǎng)度略大，可以按照300～400m設(shè)計(jì)。

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)最后形成文件：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（包含車載部分的無(wú)線系統(tǒng)通常包含在CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中）、LTE無(wú)線技術(shù)規(guī)格書（也有包含在DCS系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格書中）、設(shè)備平面設(shè)備布置圖/表，機(jī)柜設(shè)備布置圖等，根據(jù)這些文件進(jìn)一步完成施工圖的編制。

五、城市軌道應(yīng)用的實(shí)踐及發(fā)展展望

LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)得到了重慶5號(hào)線的互聯(lián)互通線實(shí)施應(yīng)用，北京SI磁浮軌道的應(yīng)用，系統(tǒng)穩(wěn)定良好。采用LTE無(wú)線系統(tǒng)運(yùn)行線路，完全克服了WLAN無(wú)線系統(tǒng)線路列車無(wú)線丟失、無(wú)線信道阻塞產(chǎn)生緊急制動(dòng)、降級(jí)運(yùn)行，晚點(diǎn)等嚴(yán)重影響運(yùn)營(yíng)的情況。

尤其在互聯(lián)互通線的應(yīng)用，說(shuō)明了LTE無(wú)線系統(tǒng)的可以靈活的運(yùn)用，如不同線路的列車可在同一條線上運(yùn)行，而不相互產(chǎn)生干擾，提高了列車的可用性。

在SI磁浮軌道的應(yīng)用進(jìn)一步說(shuō)明LTE無(wú)線車-地通信對(duì)電磁干擾具有很強(qiáng)的抗干擾能力，LTE無(wú)線車-地系統(tǒng)具有很強(qiáng)的電磁環(huán)境適用性。

由于LTE具有滿足信號(hào)穩(wěn)定和高速切換通信能力，對(duì)于更高時(shí)速列車的適用性是研究和發(fā)展的方向之一；城市軌道許多其它需要車-地通信的系統(tǒng)也正在積極進(jìn)行研發(fā)和應(yīng)用，未來(lái)LTE技術(shù)在城市軌道領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。