LTE-M在城市軌道交通中的增強(qiáng)應(yīng)用研究

李士東

摘要：針對城軌車地?zé)o線通信應(yīng)用場景，對LTE-M綜合承載業(yè)務(wù)需求進(jìn)行了簡單介紹，并分析了LTE-M綜合承載應(yīng)用目前存在的問題。對LTE-M增強(qiáng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)及難點問題進(jìn)行了詳細(xì)說明，提出了LTE-M雙核心網(wǎng)冗余工程部署方案，闡述了全自動運行場景下列車廣播與乘客緊急對講實現(xiàn)方法，以及通過RAN-Sharing技術(shù)提升寬帶集群接入網(wǎng)可靠性的技術(shù)方案。通過實際地鐵線路的測試驗證，證明了系統(tǒng)設(shè)計的合理性和工程應(yīng)用的可行性。

關(guān)鍵詞：LTE-M；軌道交通；車地?zé)o線；接入網(wǎng)共享

中圖分類號：U285文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2020）12-64-4

0引言

2013年TD-LTE技術(shù)開始進(jìn)入城市軌道交通車地?zé)o線領(lǐng)域，并在鄭州地鐵1號線首次應(yīng)用，主要用來承載車-地視頻業(yè)務(wù)。2014年國內(nèi)產(chǎn)、學(xué)、研、用相關(guān)單位組成聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊，共同分析、論證和研究TD-LTE技術(shù)在城市軌道交通行業(yè)進(jìn)行車地全業(yè)務(wù)綜合承載的可行性，并經(jīng)過嚴(yán)格的測試驗證，并于2015年發(fā)布城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)（LTE-M）團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，自此LTE-M技術(shù)在城市軌道交通行業(yè)迅速普及[1]。隨著城軌全自動運行（Fully Automatic Operation，F(xiàn)AO）技術(shù)的發(fā)展，對LTE-M系統(tǒng)的可靠性提出了新的要求，列車司機(jī)的取消也對LTE-M業(yè)務(wù)模型提出了全新的需求。

1城軌車地業(yè)務(wù)通信需求

城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)綜合承載業(yè)務(wù)主要包括列車運行直接相關(guān)業(yè)務(wù)、生產(chǎn)業(yè)務(wù)和維修類業(yè)務(wù)三大類[2]。

列車運行直接相關(guān)業(yè)務(wù)包括：①CBTC業(yè)務(wù)；②集群調(diào)度語音業(yè)務(wù)；③應(yīng)急對講電話（Imminence Phone Handle，IPH）業(yè)務(wù)；④列車緊急文本下發(fā)業(yè)務(wù)；⑤列車控制和管理系統(tǒng)（Train Control and Management System，TCMS）業(yè)務(wù)。

生產(chǎn)業(yè)務(wù)包括：①閉路電視監(jiān)控（Closed-Circuit Television，CCTV）業(yè)務(wù)；②乘客信息系統(tǒng)（Passenger Info rmation System，PIS）業(yè)務(wù)。

維修業(yè)務(wù)包括：①接觸網(wǎng)6C檢測系統(tǒng)業(yè)務(wù)；②車輛走行部系統(tǒng)業(yè)務(wù)；③集群調(diào)度視頻業(yè)務(wù)。

為了保證CBTC業(yè)務(wù)的安全性，LTE-M通常采用物理隔離的A，B雙網(wǎng)來同時承載CBTC業(yè)務(wù)，A，B雙網(wǎng)采用不同的頻率避免干擾。LTE-M A網(wǎng)進(jìn)行綜合業(yè)務(wù)承載，占用頻譜帶寬較大，通常地下使用15 MHz頻譜帶寬，地上使用10 MHz頻譜帶寬；LTE-MB網(wǎng)承載部分關(guān)鍵業(yè)務(wù)，占用5 MHz頻譜帶寬。LTE-M A/B網(wǎng)車地?zé)o線通信承載需求分別如表1和表2所示[3]。

2 LTE-M綜合承載存在的問題

LTE-M技術(shù)具有抗干擾強(qiáng)、高速移動性好、越區(qū)切換平滑及維護(hù)管理方便等優(yōu)勢[4]，因此LTE-M技術(shù)在城市軌道交通領(lǐng)域得到了快速普及。但是隨著LTE-M的普及應(yīng)用，一些工程化問題也隨之出現(xiàn)。

2.1核心網(wǎng)冗余問題

LTE-M核心網(wǎng)通過供電冗余及板卡冗余等機(jī)制來提高設(shè)備自身的可靠性，但城市軌道交通一般存在一主一備2個控制中心，異地容災(zāi)需要一個LTE-M網(wǎng)絡(luò)支持2個主備冗余核心網(wǎng)。

對于LTE技術(shù)，3GPP標(biāo)準(zhǔn)里定義了EPC POOL的冗余機(jī)制來提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。主要是通過部署多個MME，SGW網(wǎng)元，組成MME POOL，SGW Serving Area來提升網(wǎng)絡(luò)性能，實現(xiàn)負(fù)荷分擔(dān)及網(wǎng)絡(luò)容災(zāi)功能，此種冗余方式對于電信運營商核心網(wǎng)各邏輯網(wǎng)元分布式部署是有意義的。城市軌道交通LTE-M核心網(wǎng)的各個邏輯網(wǎng)元全都部署到同一個硬件平臺上會存在問題，一個硬件平臺失效會導(dǎo)致整個核心網(wǎng)所有網(wǎng)元失效，無法實現(xiàn)核心網(wǎng)災(zāi)備快速恢復(fù)。同時，現(xiàn)在LTE-M網(wǎng)絡(luò)具備B-TrunC功能來實現(xiàn)無線集群調(diào)度業(yè)務(wù)，使得核心網(wǎng)容災(zāi)切換變得更加復(fù)雜。

2.2全自動運行場景下的IPH實現(xiàn)問題

傳統(tǒng)城市軌道交通列車由司機(jī)駕駛，司機(jī)室安裝無線集群調(diào)度車載臺來實現(xiàn)列車與指揮中心通信，乘客緊急對講與列車廣播業(yè)務(wù)通過車載臺中轉(zhuǎn)實現(xiàn)中心對乘客廣播及乘客向中心發(fā)起緊急對講。

全自動運行軌道交通線路、列車無司機(jī)自動駕駛，車載臺已經(jīng)成為非標(biāo)配產(chǎn)品，在沒有車載臺中轉(zhuǎn)的情況下，實現(xiàn)乘客緊急對講及列車廣播業(yè)務(wù)需要進(jìn)一步研究。

2.3寬帶集群接入的網(wǎng)可靠性問題

對于城市軌道交通最重要的2個與列車運行直接相關(guān)的業(yè)務(wù)是CBTC和集群調(diào)度語音。LTE-M起步階段承載CBTC，而集群調(diào)度語音由TETRA網(wǎng)絡(luò)來承載[5]。目前主流趨勢是由LTE-M同時承載CBTC和集群調(diào)度語音，集群語音主要承載在LTE-M A網(wǎng)上，如果LTE-M A網(wǎng)的接入網(wǎng)出現(xiàn)故障，會導(dǎo)致集群調(diào)度語音業(yè)務(wù)失效，直接影響行車。

3 LTE-M增強(qiáng)應(yīng)用方案

3.1核心網(wǎng)冗余方案

為了實現(xiàn)LTE-M網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的分組核心網(wǎng)（Evolved Packet Core network，EPC）的異地災(zāi)備，LTE-M單網(wǎng)可采用2套核心網(wǎng)組網(wǎng)[6]，在主備控制中心同時部署2套核心網(wǎng)設(shè)備及配套的路由交換設(shè)備，以LTE-M A網(wǎng)為例，核心網(wǎng)冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

主備控制中心設(shè)備配置完全一致，城軌各業(yè)務(wù)系統(tǒng)通過路由器與LTE-M網(wǎng)絡(luò)對接，演進(jìn)基站節(jié)點（Evolved NodeB，eNB）通過S1-Flex機(jī)制同時與2個核心網(wǎng)建立S1接口連接。單點故障分析如下：

（1）核心網(wǎng)單點故障

主備用控制中心各配置一臺核心網(wǎng)，2個核心網(wǎng)的靜態(tài)配置數(shù)據(jù)完全相同，eNB通過2條S1鏈路分別連接到主備用控制中心的核心網(wǎng)。正常情況下，主備用控制中心的核心網(wǎng)同時運行、互為備份。主用核心網(wǎng)故障的情況下，eNB能夠及時啟用到備用核心網(wǎng)的S1鏈路，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，所有業(yè)務(wù)自動切換到備用核心網(wǎng)，控制中心交換機(jī)故障后效果與之類似。

（2）傳輸網(wǎng)單點故障

室內(nèi)基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）到控制中心的傳輸鏈路采用雙纖雙向自愈環(huán)網(wǎng)方式，當(dāng)傳輸網(wǎng)出現(xiàn)單纖和設(shè)備單點故障時，傳輸鏈路可以實現(xiàn)20 ms的自愈保護(hù)，20 ms的通信閃斷對上層業(yè)務(wù)基本不會產(chǎn)生影響。

（3）車地通用路由封裝協(xié)議隧道單點故障

車載TAU設(shè)備和主備用控制中心的路由器分別建立通用路由封裝協(xié)議（Generic Routing Encapsulation，GRE）隧道，當(dāng)主用控制中心的GRE隧道斷開時，TAU設(shè)備切換到備用控制中心的GRE隧道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

城軌業(yè)務(wù)服務(wù)器與車載設(shè)備的路由由TAU控制，TAU對路由的控制體現(xiàn)在兩方面：一方面是根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的落地點，選擇路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；另一方面是將主備用控制中心的路由做冗余備份，當(dāng)一個路由器到核心網(wǎng)的鏈路異常時，能夠?qū)⒙酚勺詣忧袚Q到另一個路由器上，實現(xiàn)路由的冗余。

3.2 IPH實現(xiàn)方案

為了解決全自動運行場景下實現(xiàn)乘客緊急呼叫及列車廣播業(yè)務(wù)的應(yīng)用，建議采用LTE-M系統(tǒng)實現(xiàn)。LTE-M綜合承載網(wǎng)絡(luò)直接打通乘客調(diào)與車載廣播系統(tǒng)的連接，LTE-M為業(yè)務(wù)提供透明管道，采用VoIP方式傳送業(yè)務(wù)語音[7]，方案如圖2如示。

方案主要由LTE-M系統(tǒng)、IPH服務(wù)器、列車綜合自動化系統(tǒng)（Train Integrated Automation System，TIAS）及車載PA共同實現(xiàn)乘客緊急呼叫和列車廣播功能。

IPH服務(wù)器和車載PA通過LTE-M系統(tǒng)提供的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)傳輸通道進(jìn)行IP通信，實現(xiàn)信令及媒體流交互，進(jìn)而實現(xiàn)乘客緊急呼叫和列車廣播功能。IPH服務(wù)器為TIAS提供乘客緊急呼叫和列車廣播業(yè)務(wù)支持接口。

（1）乘客緊急呼叫

乘客緊急呼叫總是由車廂內(nèi)的乘客發(fā)起，即由車載PA發(fā)起。TIAS乘客調(diào)在未收到車載PA發(fā)送的緊急對講請求時，不能主動發(fā)起乘客緊急對講。

TIAS乘客調(diào)接收到多個乘客緊急呼叫請求時，進(jìn)行排隊，同一時間只能接聽一路，掛斷當(dāng)前的緊急呼叫后，方可接聽其他乘客的緊急呼叫請求。

多TIAS乘客調(diào)操作同步要求：一個TIAS乘客調(diào)應(yīng)答乘客緊急呼叫請求后，由TIAS自身負(fù)責(zé)通知其他TIAS乘客調(diào)相應(yīng)的呼叫已被處理，其他TIAS乘客調(diào)接收到呼叫已處理消息后，刪除界面排隊的相應(yīng)呼叫提示。

（2）列車廣播

TIAS調(diào)度臺能對單個或多個車進(jìn)行人工列車廣播，可在TIAS調(diào)度臺上選擇廣播目標(biāo)，然后發(fā)起廣播呼叫，列車廣播的媒體流是單向：TIAS調(diào)度臺至車載PA。

3.3接入網(wǎng)可靠性方案

城軌行車直接相關(guān)的CBTC業(yè)務(wù)采用LTE-M A/B雙網(wǎng)同時承載，任何單點故障不影響CBTC業(yè)務(wù)。但行車直接相關(guān)的集群調(diào)度語音業(yè)務(wù)僅在A網(wǎng)承載，A網(wǎng)eNB失效的情況下，相關(guān)基站下的集群調(diào)度語音業(yè)務(wù)將不可用，直接影響行車。針對這個問題，可采用無線接入網(wǎng)共享（Radio Acess Network Sharing，RAN-Sharing）技術(shù)，充分利用LTE-M雙網(wǎng)部署的特點，實現(xiàn)集群調(diào)度在無線接入網(wǎng)絡(luò)的備份，其中承載CBTC業(yè)務(wù)的B網(wǎng)BBU配置RAN-Sharing特性，通過RAN -Sharing將B網(wǎng)的接入網(wǎng)共享給A網(wǎng)使用，包括載頻資源和基站硬件資源。通過基站區(qū)分用戶類型，不同的用戶歸屬不同核心網(wǎng)管理。無線接入網(wǎng)共享方案，如圖3所示。

B網(wǎng)BBU和射頻拉遠(yuǎn)單元（Remote Radio Unit，RRU）作為正線軌旁冗余網(wǎng)絡(luò)，主要用于CBTC的業(yè)務(wù)傳輸，還要考慮作為A網(wǎng)集群業(yè)務(wù)的備用接入網(wǎng)。借助S1-Flex機(jī)制，B網(wǎng)BBU可通過骨干承載網(wǎng)連接到A網(wǎng)EPC和多媒體調(diào)度系統(tǒng)。集群終端優(yōu)先駐留在綜合承載網(wǎng)A網(wǎng)上，當(dāng)A網(wǎng)基站出現(xiàn)故障，終端會通過小區(qū)重選接入到B網(wǎng)基站，并路由到A網(wǎng)核心網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行處理，繼續(xù)提供集群調(diào)度業(yè)務(wù)。

B網(wǎng)BBU通過終端國際移動用戶識別碼（International Mobile Subscriber Identity，IMSI）區(qū)分終端類型，主要是識別集群調(diào)度終端還是TAU終端。集群調(diào)度終端數(shù)據(jù)通過A網(wǎng)S1接口發(fā)送給A網(wǎng)核心網(wǎng)；TAU終端的數(shù)據(jù)通過B網(wǎng)S1接口發(fā)送給B網(wǎng)核心網(wǎng)。這樣可以保證B網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與集群調(diào)度數(shù)據(jù)處理的獨立性，同時實現(xiàn)無線頻率在業(yè)務(wù)上的邏輯隔離。