基于LTE的城市軌道交通車地通信綜合承載系統(tǒng)分析

胡少杰，羅 輝

（北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司-云南京建軌道交通投資建設有限公司，云南 昆明 650000）

0 引 言

城市軌道交通建設是交通事業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。城市軌道交通建設過程中，交通車地通信系統(tǒng)的建設非常關鍵。綜合承載系統(tǒng)（LTE-M）具有抗干擾能力強和承載能力高的優(yōu)點，可有效滿足城市軌道交通建設對車地通信系統(tǒng)的通信需求。現(xiàn)階段，基于LTE城市軌道交通車地通信綜合承載系統(tǒng)的分析研究非常關鍵。

1 城市軌道交通車地通信概述

城市軌道交通車地通信是軌道交通列車的重要組成部分。城市軌道列車運行中，內(nèi)部需要控制信息傳輸，與交通控制中心要有良好的信息通信聯(lián)系，列車組人員對列車的實時運行狀態(tài)要有良好的掌握。城市軌道交通車地通信系統(tǒng)是對列車通信功能的實現(xiàn)和對軌道列車通信要求的滿足[1]。當前城市軌道交通車地系統(tǒng)主要承載了4項基本業(yè)務，包括列車運行控制系統(tǒng)（CBTC）的通信業(yè)務、列車運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)（TOSM）的通信業(yè)務、車輛視頻監(jiān)控系統(tǒng)的通信業(yè)務以及軌道交通乘客信息系統(tǒng)（PIS）的通信業(yè)務。這4項基本通信業(yè)務的實現(xiàn)，對城市軌道列車通信功能的實現(xiàn)有著重要作用。

當前城市軌道交通車地通信系統(tǒng)中，通信功能的實現(xiàn)主要依靠無線局域網(wǎng)技術（WLAN）。WLAN技術具有通信速度快、數(shù)據(jù)安全以及數(shù)據(jù)質量高等特點，在當前數(shù)據(jù)通信領域的應用非常廣泛。但是，WLAN無線局域網(wǎng)在實際通信功能實現(xiàn)的過程中具有一定的開放性，且現(xiàn)代社會使用人群和相關設備非常多，導致在城市軌道交通車地系統(tǒng)的實際應用過程中，非工作人群和系統(tǒng)產(chǎn)生的WLAN信號進行數(shù)據(jù)傳輸時，極有可能會對交通車信號造成干擾，從而影響整體的數(shù)據(jù)傳輸效率。

2 TD-LTE技術

TD-LTE技術是我國自主研發(fā)的通信技術。它采用先進的移動通信技術，包括正交頻分復用（OFDMA）、自適應調制與解調技術、智能多天線技術（MIMO）、波束賦形技術、分布式發(fā)射與分級式接收技術、自適應重傳機制（HARQ）以及發(fā)射功率自動控制技術，可以很好地滿足無線覆蓋面積廣、終端數(shù)量多、速率傳輸時延小、上行速率高以及安全性高等關鍵要求，非常適合構建智能無線網(wǎng)絡[2]。

當前，TD-LTE技術已經(jīng)開始在我國城市軌道交通通信工程建設中使用。例如，昆明軌道交通4號線為有效控制解決列車運行數(shù)據(jù)的高移動性，在通信綜合承載系統(tǒng)的建設過程中應用TD-LTE技術構建了基于TD-LTE技術的城市軌道交通車地通信綜合承載系統(tǒng)（LTE-M）。

3 綜合承載系統(tǒng)（LTE-M）

3.1 系統(tǒng)結構設計

綜合承載系統(tǒng)（LTE-M）主要包括LTE-M控制中心系統(tǒng)、設備集中站系統(tǒng)、軌道旁通信系統(tǒng)以及車輛LTE-M通信系統(tǒng)4部分。LTE-M控制中心系統(tǒng)由線路數(shù)據(jù)處理核心網(wǎng)和網(wǎng)管等組成，城市軌道交通車地通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)與車站連接，保證其正常通信指令的發(fā)出和通信功能的實現(xiàn)[3]。設備集中系統(tǒng)中設置有無線射頻基站（BBU），不同的無線射頻單元（RRU）與不同的BBU基站連接，提高信號的覆蓋面積，加大信號發(fā)射的功率。軌道旁通信系統(tǒng)是設置在列車軌道附近的通信信號接收系統(tǒng)，主要由無線射頻單元（RRU）、全向天線以及定向天線組成。一般情況下，軌道旁通信系統(tǒng)主要設置在軌道交通的隧道、高架段以及車輛段，實現(xiàn)各個路段的通信功能。車輛LTE-M通信系統(tǒng)也被稱為車輛基站通信系統(tǒng)?，F(xiàn)代軌道列車中，車頭和車尾均設有列車運行控制系統(tǒng)，所以列車車頭和車尾也都設有無線終端系統(tǒng)。無線終端系統(tǒng)與軌道旁系統(tǒng)的天線和漏纜連接，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡的接入。

3.2 專用頻段選擇

城市軌道交通車地通信系統(tǒng)實現(xiàn)通信功能需要專用的通信數(shù)據(jù)業(yè)務頻段。當前的GSM-R鐵路使用的通信數(shù)據(jù)傳輸頻段大部分是900 MHz，但該頻段不能有效承載TD-LTE寬帶數(shù)據(jù)移動業(yè)務，所以在城市軌道交通車地綜合承載系統(tǒng)的（LTE-M）建設中提出對綜合承載系統(tǒng)（LTE-M）專用頻段的申請。目前，相關部門審批的專用頻段包括固定移動用戶頻段、行業(yè)專網(wǎng)頻段以及LTE-M專用頻段，頻段的具體范圍分別為1 447～1 467 MHz、1 785～1 805 MHz以及850～5 920 MHz。其中，通信頻段中的1 447～1 467 MHz和1 785～1 805 MHz頻段均在軌道交通車地通信系統(tǒng)中有所應用。850～5 920 MHz在具體應用過程中對相關硬件的傳輸損耗較大，其應用還未成熟。

3.3 抗干擾能力設計

城市軌道交通車地通信綜合承載系統(tǒng)中，信號數(shù)據(jù)的通信傳輸可能受到外界的干擾。對傳輸而言，降低干擾性，提升自身的抗干擾性，對整個系統(tǒng)通信運行的質量和效率都有重要影響[4]。在當前對城市軌道交通車地通信綜合承載系統(tǒng)的分析研究中，根據(jù)綜合承載系統(tǒng)（LTE-M）的組成結構和網(wǎng)絡通信的設計內(nèi)容，對綜合承載系統(tǒng)（LTE-M）的抗干擾能力進行設計。選擇使用漏纜全覆蓋的方式進行抗干擾性設計。在綜合承載系統(tǒng)（LTE-M）中，漏纜屬于軌道旁系統(tǒng)的組成部分。與車輛無線網(wǎng)絡終端直接聯(lián)系，提高漏纜的覆蓋率，將會在很大程度上提高車輛基站系統(tǒng)中無線網(wǎng)絡終端網(wǎng)絡連接的效率。采用漏纜全覆蓋后，綜合承載系統(tǒng)（LTE-M）網(wǎng)絡實現(xiàn)全面覆蓋，消除了電磁場對綜合承載系統(tǒng)（LTE-M）網(wǎng)絡的干擾，實現(xiàn)了綜合承載系統(tǒng)（LTE-M）電磁場盲區(qū)的有效建立。在具體設計中，選擇使用雙漏纜的布線方式，漏纜與車載天線間的距離為1.7～1.8 m，有效提高通信系統(tǒng)的抗干擾性。

此外，可以選擇將列車基站系統(tǒng)中的網(wǎng)絡天線設置在車輛底部，利用車輛自身的網(wǎng)絡覆蓋系統(tǒng)有效阻隔外界的電磁波，從而屏蔽外界干擾，一定程度上提高綜合承載系統(tǒng)（LTE-M）的抗干擾性。

4 LTE-M系統(tǒng)性能測試場景設計

4.1 測試場地

LTE-M系統(tǒng)的性能測試直接關系其日后的應用。以昆明軌道交通4號線的LTE-M系統(tǒng)為例，線路測試正線全長為8 632.42 m，軌道列車最大運行時速設計為120 km/h，路段內(nèi)高架橋長度為786 m，隧道整體長度為930 m左右。試驗模擬城市軌道交通車輛的實際運行環(huán)境，已達到測試的科學要求。

4.2 測試內(nèi)容

本次LTE-M系統(tǒng)的性能測試內(nèi)容主要包括自身的通信業(yè)務性能和系統(tǒng)的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸性能。針對自身通信業(yè)務性能的測試，主要測試CBTC、TOSM、CCTV以及PIS傳輸系統(tǒng)的業(yè)務。通過測試系統(tǒng)的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸性能，解決LTE-M系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸中出現(xiàn)的問題。

4.3 測試網(wǎng)絡實施方案

本次LTE-M系統(tǒng)性能測試使用對比的方式進行，選擇A、B兩種組網(wǎng)方式。其中，A組網(wǎng)方式使用15 MHz的帶寬，B組網(wǎng)方式使用5 MHz的帶寬。A、B兩種組網(wǎng)方式均可以承載CBTC業(yè)務信息、列車實時狀態(tài)信息、車載CCTV監(jiān)控圖像信息以及PIS圖像信息（含緊急文本）等。在通信組網(wǎng)方式不同、網(wǎng)絡實施方案不同、通信業(yè)務功能一致的情況下，測試LTE-M系統(tǒng)通信性能。

4.4 測試結果與分析

在LTE-M系統(tǒng)性能測試中，傳輸性能主要針對系統(tǒng)傳輸?shù)难訒r性、丟包率以及切換延時[5]。在傳輸延時測試中發(fā)現(xiàn)，列車的傳輸延時一般在10 ms左右，比CBTC業(yè)務規(guī)定延時小得多。試驗中，LTE-M系統(tǒng)的切換延時平均在30 ms，遠低于CBTC業(yè)務規(guī)定的150 ms切換延時。此外，檢測丟包率時發(fā)現(xiàn)，無論是15 MHz帶寬還是5 MHz帶寬，測試過程中均沒有發(fā)現(xiàn)丟包現(xiàn)象，丟包率為0。通過試驗檢測LTE-M系統(tǒng)的傳輸性能和承載信息性能，驗證了LTE-M系統(tǒng)的通信效率。

5 結 論

介紹TD-LTE技術及LTE-M系統(tǒng)，并進行實際檢測試驗，詳細闡述了LTE-M系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性，希望能對基于LTE的城市軌道交通車地通信綜合承載系統(tǒng)的實際應用和發(fā)展提供幫助。