LTE系統(tǒng)在地鐵專網(wǎng)中的應(yīng)用與發(fā)展

潘 文

（南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210012）

0 引 言

地鐵通信是保證城市軌道交通行車組織和安全的重要手段，主要完成調(diào)度員與列車司機(jī)之間溝通、行車指令下達(dá)、監(jiān)視列車運(yùn)行、客流情況分析及票務(wù)數(shù)據(jù)分析等。

地鐵通信主要是傳送語音業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)及視頻業(yè)務(wù)，早期都是通過2 M通道和以太網(wǎng)通道進(jìn)行傳輸，需要的帶寬小。近年來，由于視頻信號(hào)由原來的模擬信號(hào)發(fā)展成現(xiàn)在的高清數(shù)字信號(hào)、模擬語音發(fā)展成現(xiàn)在的數(shù)字視頻通話等，因此需要的帶寬越來越大，對(duì)穩(wěn)定性的需求也越來越高。隨著4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷成熟，LTE系統(tǒng)慢慢進(jìn)入了地鐵通信行業(yè)。2017年，南京地鐵寧高線首次引入LTE系統(tǒng)，主要為信號(hào)CBTC、車載視頻、車載PIS及TCMS業(yè)務(wù)提供無線傳輸通道。

1 系統(tǒng)組成

南京地鐵寧高線LTE系統(tǒng)設(shè)備為滿足信號(hào)CBTC的高可靠性要求，設(shè)計(jì)了A、B雙網(wǎng)，因此由2套設(shè)備組成，每套系統(tǒng)設(shè)備主要由控制中心設(shè)備、車站/車輛段設(shè)備及車載終端設(shè)備組成。

1.1 控制中心設(shè)備

A、B網(wǎng)中心設(shè)備主要由核心網(wǎng)設(shè)備、路由器、LAN交換機(jī)、網(wǎng)管設(shè)備、U2000服務(wù)器、CBTC服務(wù)器及ATOM GPS組成[1]。

核心網(wǎng)設(shè)備主要由交換單元、操作維護(hù)單元及機(jī)框管理單元組成，提供簽約數(shù)據(jù)、鑒權(quán)、會(huì)話、承載設(shè)備管理及數(shù)字集群業(yè)務(wù)等相關(guān)功能。

路由器主要連接外接的專業(yè)設(shè)備，如集中告警服務(wù)器、CBTC服務(wù)器、CBTC交換機(jī)及時(shí)鐘系統(tǒng)等，用于不同網(wǎng)絡(luò)之間的通信。同時(shí)，路由器需與LAN交換機(jī)相接。

LAN交換機(jī)主要連接LTE系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)備，如核心網(wǎng)設(shè)備、網(wǎng)管服務(wù)器、網(wǎng)管終端及車站設(shè)備等。

網(wǎng)管設(shè)備包含網(wǎng)管服務(wù)器和網(wǎng)管終端，主要負(fù)責(zé)對(duì)無線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)設(shè)備、BBU、RRU及車載專用終端設(shè)備TAU進(jìn)行集中監(jiān)控和操作維護(hù)管理。

U2000服務(wù)器主要是為滿足對(duì)LTE系統(tǒng)中的路由器、LAN交換機(jī)、車站接入交換機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)管理和監(jiān)測(cè)設(shè)置，主要完成路由器和交換機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、歷史告警記錄的統(tǒng)計(jì)及網(wǎng)絡(luò)管理用戶的管理等功能。

CBTC服務(wù)器主要是對(duì)信號(hào)CBTC業(yè)務(wù)流進(jìn)行抓包，出現(xiàn)故障時(shí)可進(jìn)行數(shù)據(jù)核對(duì)。

ATOM GPS將GPS模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成1588V2光信號(hào)傳輸給網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，滿足無線幀嚴(yán)格同步的要求。

1.2 車站/車輛段設(shè)備

A網(wǎng)車站/車輛段設(shè)備主要由交換機(jī)、BBU及RRU組成，B網(wǎng)車站/車輛段設(shè)備主由BBU和RRU組成。

交換機(jī)的主要功能是將所有車站/車輛段與中心連接起來組成A網(wǎng)環(huán)網(wǎng)，完成BBU與核心網(wǎng)之間的通信。

BBU基帶處理單元主要完成業(yè)務(wù)接入、基帶信號(hào)處理及操作維護(hù)控制等功能。

RRU射頻拉遠(yuǎn)單元一般安裝在區(qū)間軌旁，每隔1.2 km安裝一臺(tái)，主要完成信號(hào)的變頻和功率的放大等功能。

1.3 車載終端設(shè)備

車載終端設(shè)備主要安裝在列車的車頭和車尾，主要由交換機(jī)、AB網(wǎng)TAU、合路器及天線組成。

交換機(jī)主要用于連接B網(wǎng)的車載監(jiān)控、車載PIS及TCMS業(yè)務(wù)。

TAU作為寬帶接入終端設(shè)備，通過TD-LTE網(wǎng)絡(luò)連接地面和列車，完成CBTC、車載PIS及TCMS車載監(jiān)控等業(yè)務(wù)的可靠傳輸。

合路器主要用于將車頭AB網(wǎng)TAU和車尾兩個(gè)B網(wǎng)TAU過來的信號(hào)進(jìn)行合路，并分別送至車頭車尾的天線。

天線安裝在車頭車尾的左右兩邊，同時(shí)與TETRA系統(tǒng)共用車頭車尾的車頂天線，主要完成信號(hào)的發(fā)送和接收。

2 設(shè)備組網(wǎng)

2.1 控制中心設(shè)備組網(wǎng)

控制中心有兩套設(shè)備，一套是A網(wǎng)設(shè)備，一套是B網(wǎng)設(shè)備，設(shè)備組成基本一致。A、B雙網(wǎng)相互獨(dú)立工作，如圖1所示。

A網(wǎng)主要單獨(dú)為信號(hào)CBTC提供通道，LAN交換機(jī)與各車站交換機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)為A網(wǎng)車站BBU與中心A網(wǎng)核心網(wǎng)提供鏈路通道。

B網(wǎng)主要為信號(hào)CBTC、車載PIS、車載視頻及TCMS提供通道。由中心傳輸Xtran節(jié)點(diǎn)箱與車站/車輛段傳輸Xtran節(jié)點(diǎn)箱組成的傳輸網(wǎng)絡(luò)為B網(wǎng)車站BBU與中心B網(wǎng)核心網(wǎng)提供鏈路通道。

2.2 車站設(shè)備組網(wǎng)

車站設(shè)備A、B網(wǎng)組網(wǎng)的區(qū)別在于A網(wǎng)是通過車站NE05E交換機(jī)將各站的BBU設(shè)備進(jìn)行連接組網(wǎng)，而B網(wǎng)通過傳輸Xtran節(jié)點(diǎn)箱將各站的BBU設(shè)備進(jìn)行連接組網(wǎng)。車站BBU與區(qū)間的RRU通過光纜進(jìn)行連接組網(wǎng)，如圖2所示。

圖1 控制中心設(shè)備組網(wǎng)圖

圖2 車站設(shè)備組網(wǎng)圖

區(qū)間A網(wǎng)和B網(wǎng)RRU的信號(hào)通過合路器進(jìn)行合路，然后通過漏纜進(jìn)行信號(hào)覆蓋。寧高線區(qū)間存在U梁、箱梁及路基土建。U梁區(qū)間采用上下行共用一個(gè)A網(wǎng)RRU和一個(gè)B網(wǎng)RRU，設(shè)備放至上下行中間。箱梁和路基段區(qū)間上下行各安裝一個(gè)A網(wǎng)RRU和一個(gè)B網(wǎng)RRU，設(shè)備分別放至上下行兩邊。

A網(wǎng)在其中一個(gè)車站安裝了ATOM GPS，提供1588V2時(shí)鐘信號(hào)。

2.3 車載設(shè)備組網(wǎng)

車載設(shè)備主要分為車頭和車尾兩部分，并通過工業(yè)級(jí)交換機(jī)進(jìn)行連接。車頭為奇數(shù)端，主要由兩臺(tái)B網(wǎng)TAU設(shè)備、車載合路器、工業(yè)級(jí)交換機(jī)及天線組成。其中，一臺(tái)B網(wǎng)TAU專用于連接CBTC業(yè)務(wù)，另一臺(tái)B網(wǎng)TAU用于連接工業(yè)級(jí)交換機(jī)；工業(yè)級(jí)交換機(jī)用于連接TCMS業(yè)務(wù)、PIS業(yè)務(wù)及車載CCTV業(yè)務(wù)；車載合路器用于連接兩個(gè)B網(wǎng)TAU設(shè)備、車底天線以及與800 M無線共用的車頂天線。車尾為偶數(shù)端，設(shè)備數(shù)量與車頭一致，唯一不同的是兩臺(tái)TAU設(shè)備分A網(wǎng)、B網(wǎng)各一臺(tái)，A網(wǎng)TAU專用于連接CBTC業(yè)務(wù)，B網(wǎng)TAU用于連接工業(yè)級(jí)交換機(jī)，如圖3所示。

2.4 與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的接口

LTE系統(tǒng)與PIS系統(tǒng)之間的接口：（1）在控制中心，LTE系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)的10/100 Mb/s以太網(wǎng)電口與PIS系統(tǒng)互聯(lián)；（2）在列車上，LTE系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)的10/100 Mb/s以太網(wǎng)電口與PIS系統(tǒng)互聯(lián)。

LTE系統(tǒng)與車輛TCMS系統(tǒng)之間的接口：（1）在控制中心，LTE系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)的10/100 Mb/s以太網(wǎng)電口與車輛TCMS系統(tǒng)互聯(lián)；（2）在列車上，LTE系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)的10/100 Mb/s以太網(wǎng)電口與車輛TCMS系統(tǒng)互聯(lián)。

LTE系統(tǒng)與CBTC系統(tǒng)之間的接口：（1）在控制中心，LTE系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)的100/1 000 Mb/s以太網(wǎng)光口與CBTC系統(tǒng)互聯(lián)；（2）在列車上，LTE系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)的10/1 00 Mb/s以太網(wǎng)電口與CBTC系統(tǒng)互聯(lián)。

LTE系統(tǒng)與車載視頻系統(tǒng)之間的接口：（1）在控制中心，LTE系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)的10/100 Mb/s以太網(wǎng)電口與車載視頻系統(tǒng)互聯(lián)；（2）在列車上，LTE系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)的10/100 Mb/s以太網(wǎng)電口與車載視頻系統(tǒng)互聯(lián)。

圖3 車載設(shè)備組網(wǎng)圖

3 在南京地鐵應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)的優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)

第一，更高的帶寬，業(yè)務(wù)傳輸無卡頓現(xiàn)象。例如，地鐵其他線路采用非LTE系統(tǒng)通信方式上傳車載視頻，圖像會(huì)出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，圖像數(shù)量也受到限制。采用LTE系統(tǒng)上傳車載視頻時(shí)，基本不存在圖像卡頓現(xiàn)象，即使上傳圖像數(shù)量達(dá)到8路，也能正常上傳。

第二，采用漏纜覆蓋，區(qū)間信號(hào)穩(wěn)定。地鐵其他線路采用AP天線通信方式，受線路彎曲和震動(dòng)等因素的影響，信號(hào)的專業(yè)無線業(yè)務(wù)丟失現(xiàn)象較嚴(yán)重。采用漏纜進(jìn)行覆蓋，信號(hào)傳輸穩(wěn)定。

第三，組網(wǎng)方式簡(jiǎn)單。中心與車站設(shè)備房硬件設(shè)備少，設(shè)備組網(wǎng)比較簡(jiǎn)明，方便硬件故障的原因查找和維護(hù)。

第四，實(shí)現(xiàn)綜合業(yè)務(wù)承載。傳統(tǒng)地鐵建設(shè)中，區(qū)間一般要建設(shè)多個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)用于各種業(yè)務(wù)傳輸。寧高線PIS、CBTC、TCMS及車載監(jiān)控都通過LTE網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，節(jié)約了大量成本。

3.2 應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)的缺點(diǎn)

第一，區(qū)間設(shè)備多，維護(hù)保養(yǎng)困難。區(qū)間基本每隔1.2 km就要設(shè)置RRU設(shè)備，寧高線基本為高架和路基段，且區(qū)間線路長(zhǎng)，當(dāng)區(qū)間設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，夜間處理時(shí)間不充足。

第二，室外RRU設(shè)備防水級(jí)別不夠。正常地鐵都是在隧道里安裝設(shè)備，未涉及到防水問題。但是地面和高架的設(shè)備防水不能按照隧道的標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行，應(yīng)該按照室外防水標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。使用寧高線過程中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的氣候因素影響，出現(xiàn)射頻線接口防水膠開裂進(jìn)水現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致駐波比變大。

第三，高架和路基段易受同頻段干擾。中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部發(fā)布1 785～1 805 MHz頻段應(yīng)用于交通（城市軌道交通等）、電力及石油等行業(yè)。如果地鐵都是地下區(qū)間，基本不存在干擾問題。寧高線是高架和路基段組成，因此存在同頻干擾問題。目前，通過區(qū)間信號(hào)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)明覺站附近存在同頻信號(hào)，經(jīng)查找發(fā)現(xiàn)是電力的無線基站。由于距離遠(yuǎn)，電力無線基站的信號(hào)強(qiáng)度沒有地鐵的信號(hào)強(qiáng)度強(qiáng)，尚未給地鐵運(yùn)行造成影響。但是隨著4G網(wǎng)絡(luò)的普及，后期還會(huì)有更多其他行業(yè)在地鐵附近使用同頻信號(hào)，需溝通好干擾頻段避讓。

4 LTE系統(tǒng)未來在地鐵行業(yè)的其他功能

目前，地鐵普遍采用的是800 M集群系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)無線調(diào)度功能。當(dāng)LTE系統(tǒng)應(yīng)用到地鐵行業(yè)后，需研究和開發(fā)以LTE系統(tǒng)設(shè)備為基礎(chǔ)適應(yīng)地鐵行業(yè)使用的控制中心調(diào)度臺(tái)、服務(wù)器、車載臺(tái)及車載固定臺(tái)等來實(shí)現(xiàn)無線調(diào)度功能，進(jìn)而達(dá)到降低建設(shè)成本和簡(jiǎn)化設(shè)備組網(wǎng)的目的。

針對(duì)業(yè)務(wù)要求，需滿足以下基本功能。

（1）手臺(tái)與手臺(tái)之間、調(diào)度臺(tái)與手臺(tái)之間、調(diào)度臺(tái)與車載臺(tái)之間及調(diào)度臺(tái)與調(diào)度臺(tái)之間的個(gè)呼和組呼。

（2）調(diào)度臺(tái)對(duì)單列列車和調(diào)度臺(tái)對(duì)多列列車進(jìn)行廣播。（3）調(diào)度臺(tái)、手持臺(tái)及車載臺(tái)具有短消息功能。（4）接收ATS信號(hào)，在調(diào)度臺(tái)軟件上顯示列車位置信息。

由于LTE系統(tǒng)頻帶寬，可對(duì)調(diào)度設(shè)備進(jìn)行研究和開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)控制中心調(diào)度員與列車司機(jī)視頻對(duì)話和列車廣播監(jiān)聽等功能。

5 結(jié) 論

LTE系統(tǒng)具有頻帶寬、成本低及承載業(yè)務(wù)多等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)?shù)罔F列車實(shí)現(xiàn)無人駕駛時(shí)，需滿足大量的列車視頻上傳、列車狀態(tài)信息上傳及自動(dòng)控制信號(hào)的穩(wěn)定傳輸?shù)刃枨?，LTE系統(tǒng)是最好的選擇。目前，該系統(tǒng)在地鐵上的應(yīng)用還處于摸索階段，需根據(jù)地鐵現(xiàn)場(chǎng)需求進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)更多的功能。