基于LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的軌道交通綜合業(yè)務(wù)承載研究

譚人升，李焱，匡奇方，王津升

（貴陽(yáng)市城市軌道交通集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081）

0 引言

貴陽(yáng)城市軌道交通遠(yuǎn)景規(guī)劃由9條線路組成，線路長(zhǎng)度總計(jì)467 km。2013年10月，貴陽(yáng)地鐵1號(hào)線土建工程全線開工建設(shè)，于2017年底開通運(yùn)營(yíng)。地鐵2號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)計(jì)劃采用長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）技術(shù)，但目前貴陽(yáng)市還沒有基于LTE的綜合承載線路?；谫F陽(yáng)市的具體情況，研究軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)及視信系統(tǒng)在貴陽(yáng)市電磁環(huán)境中的工程化問(wèn)題十分重要。而且，隨著LTE技術(shù)的發(fā)展，基于LTE的綜合承載需求在城市軌道交通行業(yè)里也越來(lái)越緊迫。

基于LTE綜合承載CBTC和智能視信系統(tǒng)，在其他城市雖有成功開通的案例，但各地城市軌道交通的情況不同，因此必須結(jié)合貴陽(yáng)地鐵的地形和應(yīng)用情況，進(jìn)一步研究LTE應(yīng)用于CBTC和智能視信系統(tǒng)的工程問(wèn)題。

1 WLAN系統(tǒng)的不足

1.1 抗干擾能力差

無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）方案采用2.4 GHz的ISM頻段，與城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)（PIS）、公眾Wi-Fi設(shè)備、公眾藍(lán)牙（Bluetooth）設(shè)備等在同一頻段，容易產(chǎn)生干擾[1]，影響列車的安全運(yùn)營(yíng)[2]。目前各信號(hào)廠商采取的抗干擾技術(shù)只能保證內(nèi)部互不干擾，而對(duì)于外部干擾，由于帶寬的開放性還沒有更好的解決方法。標(biāo)準(zhǔn)2.4G的頻道帶寬只有3個(gè)完全不重疊的頻點(diǎn)，即1、6、13信道。目前采取的抗干擾方式是采用正交頻分復(fù)用等技術(shù)的窄帶通信技術(shù)，將原本20 MHz帶寬分為312.5 kHz的子載波。針對(duì)外部干擾因素，往往只能和運(yùn)營(yíng)商等單位采用頻率協(xié)商、錯(cuò)頻使用的手段來(lái)避免，但協(xié)商結(jié)果往往差強(qiáng)人意[3-4]。

1.2 頻繁切換

WLAN方案下，由于軌旁無(wú)線訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)（AP）的發(fā)射功率較低，AP的間距一般為220～240 m。目前WLAN方案下列車運(yùn)行的最高速度為120 km/h，此速度下軌旁AP每隔10 s要切換1次，切換時(shí)間在100 ms以內(nèi)，導(dǎo)致列車在運(yùn)行中無(wú)線切換次數(shù)較頻繁[5]。并且WLAN方案下軌旁設(shè)備較多，維護(hù)成本較高，維護(hù)工作較繁瑣。

1.3 互聯(lián)互通不易實(shí)現(xiàn)

CBTC系統(tǒng)在我國(guó)城市軌道交通中得到了普遍應(yīng)用，目前因各系統(tǒng)供貨商都按照各自的產(chǎn)品特點(diǎn)來(lái)設(shè)置解決方案，采用WLAN私有協(xié)議，造成CBTC信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)、子系統(tǒng)之間接口設(shè)計(jì)、車地通信方式等方面存在不統(tǒng)一，制約了CBTC系統(tǒng)在線路間的互聯(lián)互通。

2 LTE系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

貴陽(yáng)地鐵1號(hào)線是貴陽(yáng)市首個(gè)城市軌道交通項(xiàng)目，通信、信號(hào)等專業(yè)均采用WLAN技術(shù)進(jìn)行車地?zé)o線傳輸，WLAN技術(shù)抗干擾能力差、維護(hù)成本高等問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)。結(jié)合貴陽(yáng)城市軌道交通遠(yuǎn)期建設(shè)規(guī)劃，考慮線路互聯(lián)互通需求，LTE系統(tǒng)相對(duì)于WLAN系統(tǒng)具有多方面的優(yōu)勢(shì)。

2.1 抗干擾能力強(qiáng)

LTE方案采用1.8 GHz經(jīng)工業(yè)和信息化部批準(zhǔn)可用于城市軌道交通的專有頻段，從使用頻率上根本解決了外系統(tǒng)的干擾問(wèn)題。LTE技術(shù)采用小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)（ICIC）技術(shù)，可有效降低小區(qū)邊緣頻率干擾，提高小區(qū)吞吐率。采用干擾抑制消除（IRC）技術(shù)，能夠抑制信道相關(guān)性干擾，提升上行速率[6]。

2.2 支持高速切換運(yùn)行

LTE方案下，軌旁射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）設(shè)備間距可達(dá)1.2 km，大幅減少軌旁設(shè)備，降低維護(hù)成本，同時(shí)也減少了列車終端切換次數(shù)。且采用基于頻偏的切換技術(shù)，可保證高速切換場(chǎng)景下的帶寬穩(wěn)定，能夠支持列車200 km/h的高速運(yùn)行。LTE系統(tǒng)的設(shè)備采用電信運(yùn)營(yíng)商級(jí)別進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，設(shè)備的可靠性提升，平均故障間隔時(shí)間（MTBF）大于100 000 h[7]。

2.3 支持綜合承載

LTE系統(tǒng)支持多種帶寬分配，包括1.4、3、5、10、15 MHz[8]。各城市可根據(jù)綜合承載的業(yè)務(wù)不同，靈活申請(qǐng)帶寬、靈活組網(wǎng)。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)組網(wǎng)方式的不同提供不同的傳輸速率，最大性能地滿足業(yè)務(wù)需求。不同組網(wǎng)方式下的峰值傳輸速率見表1。

表1 不同組網(wǎng)方式下的峰值傳輸速率

采用LTE方案能夠滿足城市軌道交通綜合承載的特色，實(shí)現(xiàn)智能視信等大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的綜合承載，創(chuàng)建更加安全、友好的軌道交通出行體驗(yàn)。LTE可提供9級(jí)服務(wù)質(zhì)量（QoS）算法[9]，帶寬基于業(yè)務(wù)需求按需分配，優(yōu)先保證高等級(jí)業(yè)務(wù)（如CBTC業(yè)務(wù)）的帶寬需求，確保列車安全運(yùn)行。

2.4 支持互聯(lián)互通

L T E技術(shù)采用成熟完善的第3代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）標(biāo)準(zhǔn)，其中接口、信令流程及網(wǎng)元職責(zé)均標(biāo)準(zhǔn)化，具備良好的互聯(lián)互通能力，為城市軌道交通線路間互聯(lián)互通提供可靠保證。同時(shí)，LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的底層設(shè)計(jì)較為先進(jìn)，可擴(kuò)展性較好，為后期網(wǎng)絡(luò)發(fā)展預(yù)留充足的接口，可滿足后期新的業(yè)務(wù)需求。

3 貴陽(yáng)地鐵綜合業(yè)務(wù)承載需求

3.1 業(yè)務(wù)說(shuō)明

根據(jù)LTE綜合承載業(yè)務(wù)的不同，可將承載業(yè)務(wù)的車地通信網(wǎng)絡(luò)劃分為信息安全網(wǎng)和非信息安全網(wǎng)?；谶\(yùn)營(yíng)場(chǎng)景考慮，貴陽(yáng)城軌車地?zé)o線通信各類業(yè)務(wù)的具體傳輸信息有：列車運(yùn)行控制業(yè)務(wù)和智能視信業(yè)務(wù)。

3.1.1 列車運(yùn)行控制業(yè)務(wù)

列車運(yùn)行控制業(yè)務(wù)用以傳輸CBTC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，具體可分為上行和下行業(yè)務(wù)，此業(yè)務(wù)屬于安全信息網(wǎng)業(yè)務(wù)。城軌CBTC系統(tǒng)主要包含上下行CBTC業(yè)務(wù)信息。

（1）列車上行CBTC業(yè)務(wù)主要包括：車載控制器（VOBC）給區(qū)域控制器（ZC）發(fā)送的列車位置、移動(dòng)授權(quán)申請(qǐng)、停車保證等信息，VOBC給計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CI）的控制命令、列車停穩(wěn)等信息，VOBC給維護(hù)管理子系統(tǒng)（MMS）發(fā)送的列車狀態(tài)及報(bào)警信息。

（2）列車下行CBTC業(yè)務(wù)主要包括：列車自動(dòng)監(jiān)控（ATS）給VOBC發(fā)送的列車運(yùn)行控制信息，ZC給VOBC發(fā)送的移動(dòng)授權(quán)、臨時(shí)限速等信息，CI給VOBC發(fā)送的狀態(tài)等信息。

3.1.2 智能視信業(yè)務(wù)

智能視信系統(tǒng)業(yè)務(wù)主要包括LTE語(yǔ)音業(yè)務(wù)、LTE短信息業(yè)務(wù)、LTE實(shí)時(shí)視頻業(yè)務(wù)等。

（1）LTE語(yǔ)音業(yè)務(wù)僅包含以下幾類：車站內(nèi)客服人員間的組呼、單呼；車站內(nèi)安防人員間的組呼、單呼；車站值班員與車站內(nèi)移動(dòng)人員間的組呼、單呼；車站值班員對(duì)車站內(nèi)移動(dòng)人員的廣播；車站/段場(chǎng)/OCC維修人員間的組呼、單呼。上述LTE語(yǔ)音業(yè)務(wù)在滿足原400 MHz專用對(duì)講通信需求的同時(shí)，增加了通信可靠性及私密性。LTE語(yǔ)音不涉及行車調(diào)度語(yǔ)音業(yè)務(wù)，原有專用通信系統(tǒng)的800M TETRA調(diào)度功能保留不變。

（2）LTE短信息業(yè)務(wù)：為保證CBTC業(yè)務(wù)的安全性，LTE短信息業(yè)務(wù)僅包含無(wú)線智能視信系統(tǒng)手持終端（簡(jiǎn)稱手持終端）之間，以及手持終端與無(wú)線智能視信管理工作站/服務(wù)器之間文本業(yè)務(wù)的接收及發(fā)送。

（3）LTE實(shí)時(shí)視頻業(yè)務(wù)：僅提供通過(guò)手持終端實(shí)時(shí)采集并傳輸?shù)囊曨l流。

3.2 帶寬需求和性能要求

3.2.1 帶寬需求

貴州省無(wú)線電管理局已暫時(shí)批復(fù)1 . 8 G H z（1 795～1 805 MHz）頻段中的10 MHz帶寬用于城市軌道交通專網(wǎng)，組網(wǎng)方式暫定為：10 MHz頻寬分A、B雙網(wǎng)（5 MHz + 5 MHz），A網(wǎng)承載CBTC+智能視信業(yè)務(wù)，B網(wǎng)承載CBTC業(yè)務(wù)。根據(jù)軌道交通運(yùn)行情況，每個(gè)RRU滿足至少關(guān)聯(lián)6列列車的運(yùn)營(yíng)要求，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室測(cè)試以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得出綜合承載業(yè)務(wù)的帶寬需求（見表2）。短信息業(yè)務(wù)由控制信道進(jìn)行傳輸，不占用業(yè)務(wù)帶寬。

3.2.2 性能要求

按照LTE-M系統(tǒng)承載CBTC業(yè)務(wù)和智能視信業(yè)務(wù)，其性能需求如下：

（1）信息傳輸延遲時(shí)間：在單網(wǎng)情況下，信息傳輸?shù)亩说蕉搜舆t時(shí)間不大于150 ms的概率不小于98%。

表2 綜合承載業(yè)務(wù)的帶寬需求

（2）信息傳輸速率：LTE-M系統(tǒng)為列車運(yùn)行控制業(yè)務(wù)每路提供的傳輸速率上下行分別不小于256 kb/s。

（3）信息傳輸丟包率：在單網(wǎng)情況下，LTE-M系統(tǒng)信息傳輸丟包率不大于1%。

（4）通信中斷時(shí)間：LTE-M系統(tǒng)單網(wǎng)通信中斷時(shí)間不超過(guò)2 s的概率不小于99.92%。

4 實(shí)現(xiàn)方案

4.1 LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案

為保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性，貴陽(yáng)LTE測(cè)試平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)整體方案采用A/B雙網(wǎng)冗余覆蓋設(shè)計(jì)，A/B網(wǎng)絡(luò)均包括無(wú)線網(wǎng)和核心網(wǎng)。核心網(wǎng)冗余組網(wǎng)采用2個(gè)獨(dú)立的核心網(wǎng)EPC A/B，A無(wú)線網(wǎng)絡(luò)僅與A核心網(wǎng)通過(guò)S1接口相連，B無(wú)線網(wǎng)絡(luò)僅與B核心網(wǎng)通過(guò)S1接口相連。不同無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的基站A/B分別屬于不同的核心網(wǎng)EPC A/B，不同無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的基站A/B上配置不同的列車接入單元（TAU）。LTE多業(yè)務(wù)車地?zé)o線通信架構(gòu)見圖1。

4.2 LTE基站站址方案

LTE冗余組網(wǎng)采用同站址雙網(wǎng)冗余設(shè)計(jì)的方式。同站址雙網(wǎng)的2層網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域基本重疊，每一層網(wǎng)絡(luò)的覆蓋方式、覆蓋電平等與普通單網(wǎng)類似。同站址基站的2個(gè)小區(qū)分配不同頻率，相鄰的同層小區(qū)分配相同頻帶，即A無(wú)線網(wǎng)絡(luò)使用同一頻帶，B無(wú)線網(wǎng)絡(luò)使用另一頻帶。

A/B雙層網(wǎng)絡(luò)采用雙網(wǎng)冗余承載方式工作，即A/B雙層網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)不存在主備之分，同時(shí)承載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)?；就局凡贾每梢怨?jié)省無(wú)線信號(hào)合路器；無(wú)線傳輸媒介若采用漏泄電纜，打斷位置少，對(duì)于傳輸性能有所提升；實(shí)施與維護(hù)便捷。LTE共站址同頻雙網(wǎng)頻率規(guī)劃見圖2。

圖1 LTE多業(yè)務(wù)車地?zé)o線通信架構(gòu)

圖2 LTE共站址同頻雙網(wǎng)頻率規(guī)劃

4.3 LTE傳輸網(wǎng)絡(luò)方案

為確保CBTC傳輸?shù)陌踩院蛿?shù)據(jù)的隔離度，一般LTE車地?zé)o線系統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立建設(shè)，采用3層網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計(jì)，LTE系統(tǒng)的核心網(wǎng)和基帶處理單元（BBU）都連接在這個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)上，同時(shí)通過(guò)IP層協(xié)議安全結(jié)構(gòu)（IPsec）的方式與CBTC網(wǎng)絡(luò)以及PIS網(wǎng)絡(luò)連接，保證網(wǎng)絡(luò)的隔離性，確保CBTC傳輸安全。LTE傳輸網(wǎng)絡(luò)連接示意見圖3。

4.4 LTE傳輸QoS保證方案

LTE網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)包括源/目的IP地址、源/目的IP端口號(hào)、協(xié)議（如FTP或HTTP）等內(nèi)容，將用戶數(shù)據(jù)映射到不同的承載上。相同承載上的所有數(shù)據(jù)流量將獲得相同的QoS保障，不同類型的承載提供不同的QoS保障。

LTE系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)9個(gè)調(diào)度優(yōu)先級(jí)，并且按照預(yù)定義的可能承載業(yè)務(wù)類型，對(duì)應(yīng)不同的服務(wù)質(zhì)量（延時(shí)、丟包等）要求，定義了9個(gè)QoS類別標(biāo)識(shí)（QCI），系統(tǒng)根據(jù)QCI對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行資源分配和調(diào)度，優(yōu)先級(jí)數(shù)值越小者越可優(yōu)先保障資源分配和調(diào)度。LTE業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量分類需求見表3?；贚TE技術(shù)的軌道交通車地綜合無(wú)線傳輸平臺(tái)承載了CBTC和視信業(yè)務(wù)，各業(yè)務(wù)的地址解析協(xié)議（ARP）分配由高到低。同時(shí)，根據(jù)各業(yè)務(wù)對(duì)可靠性、時(shí)延的要求，系統(tǒng)為其分配不同的QCI，可以滿足不同業(yè)務(wù)的質(zhì)量要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

LTE作為一種先進(jìn)的無(wú)線通信技術(shù)，具有高帶寬和高可靠性的優(yōu)勢(shì)，是其他無(wú)線通信技術(shù)無(wú)法比擬的[10]。對(duì)貴陽(yáng)地鐵1號(hào)線進(jìn)行車地?zé)o線通信綜合業(yè)務(wù)承載的現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)驗(yàn)室測(cè)試驗(yàn)證，結(jié)果表明，LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能夠滿足貴陽(yáng)地鐵2號(hào)線軌道交通多種業(yè)務(wù)綜合承載需要，在軌道交通專用通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖3 LTE傳輸網(wǎng)絡(luò)連接示意圖

表3 LTE綜合承載業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量分類需求