TD-LTE技術(shù)在CBTC車—地?zé)o線通信中的研究及應(yīng)用

武凝

摘 要：隨著城市軌道交通的快速發(fā)展及用戶需求的不斷提高，地鐵通信系統(tǒng)面臨著機(jī)遇與挑戰(zhàn)，文章以西安地鐵2號(hào)線引入，分析了地鐵通信數(shù)據(jù)傳輸存在的問(wèn)題，提出在新建4號(hào)線中采用TD-LTE（Time Division Long Term Evolution，分時(shí)長(zhǎng)期演進(jìn)）技術(shù)實(shí)現(xiàn)CBTC（Communication Based Train Control System，基于通信的列車控制系統(tǒng)）中車-地通信數(shù)據(jù)的傳輸，并對(duì)其性能進(jìn)行綜合聯(lián)調(diào)測(cè)試驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;TD-LTE;CBTC;車—地通信

中圖分類號(hào)：U231.7 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1001-5922（2020）10-0178-04

Abstract：With the rapid development of urban rail transit and the continuous improvement of user demand， Metro communication system is facing opportunities and challenges. This paper introduces Xi'an Metro Line 2， analyzes the problems of metro communication data transmission， and TD-LTE （Time Division Long Term Evolution） technology is used in the new line 4 to realize the transmission of train-ground communication data in CBTC （Communication Based Train Control System）， and its performance is verified by comprehensive joint commissioning test.

Key words：urban rail transit; TD-LTE; CBTC; vehicle-to-ground communication

0? ? ?引言

目前我國(guó)城市軌道交通事業(yè)飛速發(fā)展，憑借其先進(jìn)、可靠、實(shí)用的特點(diǎn)日益成為市民出行的首選交通工具。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2019年6月30日，累計(jì)已有37個(gè)城市投運(yùn)城軌交通線路6126.82km，新增運(yùn)營(yíng)線路12條，新增長(zhǎng)度365.32km[1]。城軌交通通信系統(tǒng)是用來(lái)為地鐵運(yùn)營(yíng)與管理提供信息傳送服務(wù)的，直接關(guān)系到地鐵運(yùn)營(yíng)的安全可靠性，但是西安地鐵既有線通信系統(tǒng)在運(yùn)行多年后，已不太能夠適應(yīng)現(xiàn)有用戶的數(shù)據(jù)傳輸需求，亟需采用一種新技術(shù)來(lái)滿足新建線路用戶的需求。

1? ? ?通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行現(xiàn)狀及存在問(wèn)題分析

西安地鐵2號(hào)線已經(jīng)運(yùn)行8年多，隨著用戶業(yè)務(wù)需求日益頻繁，通信系統(tǒng)所面臨的壓力也逐漸增大，使得2號(hào)線通信傳輸網(wǎng)絡(luò)逐漸產(chǎn)生一些問(wèn)題，下面主要從兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

1.1? ?通信傳輸網(wǎng)絡(luò)備用路由時(shí)延和丟包率

主要是指通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的主用路由在被占用或發(fā)生故障時(shí)，采用備用路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的時(shí)延以及丟包率，如表1所示。

由表1可以看出，2號(hào)線現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)主用路由在被占用或發(fā)生故障時(shí)，備用路由的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和丟包率都較高，說(shuō)明備用路由端口使用率指標(biāo)已接近飽和，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的可靠傳送。

1.2? ?通信傳輸網(wǎng)絡(luò)承載無(wú)線調(diào)度業(yè)務(wù)的使用情況

通信網(wǎng)絡(luò)所承載的無(wú)線調(diào)度業(yè)務(wù)用來(lái)實(shí)現(xiàn)地鐵內(nèi)部高效的行車指揮通信，也作為應(yīng)急搶險(xiǎn)救援的手段占有較為重要的地位，下圖1為2號(hào)線無(wú)線調(diào)度系統(tǒng)基站信道占用情況。

由圖1可以看出， 2號(hào)線潏河停車場(chǎng)（13 Tingcc）4個(gè)信道全部占用，渭河車輛段（12 Cheld）只有2、3、4空閑，沿線車站也存在基站信道繁忙占用率高的情況，因此通信傳輸網(wǎng)絡(luò)作為無(wú)線調(diào)度業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的接入平臺(tái)和傳輸通道占用過(guò)于飽和，無(wú)法保障調(diào)度業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)安全性，嚴(yán)重影響司機(jī)和行調(diào)的通信，容易導(dǎo)致安全事故發(fā)生。

2? ? ?采用TD-LTE技術(shù)實(shí)現(xiàn)4號(hào)線CBTC中車-地?cái)?shù)據(jù)的傳送

TD-LTE是第四代（4G）移動(dòng)通信技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)，其TDD（時(shí)分雙工）方式可以利用信道的非對(duì)稱特性提高傳輸效率、靈活分配上、下行信道的無(wú)線資源，使得無(wú)線接入業(yè)務(wù)時(shí)延降低至10ms，頻譜利用率與原有通信技術(shù)相比可提高2～4倍[2]。相較于其他技術(shù)，LTE技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯：①由于整體采用了扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以將數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延降低，用戶使用體驗(yàn)較好，方便地鐵列車運(yùn)營(yíng)部署及降低成本[6]。②頻譜可動(dòng)態(tài)配置，實(shí)現(xiàn)所需帶寬并可根據(jù)用戶業(yè)務(wù)需求靈活動(dòng)態(tài)調(diào)整。在20M的帶寬內(nèi)可實(shí)現(xiàn)下行100Mbps，上行50Mbps的系統(tǒng)峰值速率。③具有較好移動(dòng)性，可實(shí)現(xiàn)終端移動(dòng)速度為0～15km/h時(shí)擁有最佳性能，15～120km/h有較好性能，120～350km/h保持連接，確保不掉線。④延遲小，子幀長(zhǎng)度為0.5ms和0.675ms，解決了向下兼容的問(wèn)題，控制面延遲小于100ms，用戶面時(shí)延小于5ms。⑤通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的多級(jí)QoS（Quality of Service：服務(wù)質(zhì)量）機(jī)制，能夠保證不同業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)和實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。⑥ TD-LTE網(wǎng)絡(luò)和通信鏈路具有獨(dú)立的加密系統(tǒng)，保證了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳送的安全[7]。

CBTC是基于通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)，由LTE無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)完成車-地雙向數(shù)據(jù)的大量傳送，包括上傳列車的位置信息以及接收地面發(fā)送的列車移動(dòng)授權(quán)信息（MAL），從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞控制列車運(yùn)行[3]。

西安地鐵4號(hào)線采用TD-LTE技術(shù)搭建的通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)CBTC系統(tǒng)車-地?cái)?shù)據(jù)的傳送，基于TD-LTE通信網(wǎng)絡(luò)稱為DCS，負(fù)責(zé)將車載的狀態(tài)信息傳送到軌旁，同時(shí)把軌旁控制信息發(fā)送到車載，來(lái)控制列車的安全運(yùn)行。根據(jù)線路分布，LTE網(wǎng)絡(luò)在各集中站、車輛段、停車場(chǎng)和控制中心分別設(shè)置骨干節(jié)點(diǎn)，組成 A、B 兩套獨(dú)立的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

其主要結(jié)構(gòu)包括：參見(jiàn)如下A，B網(wǎng)界面示意。①用A/B雙網(wǎng)冗余組網(wǎng)，全線各節(jié)點(diǎn)均部署兩套完全相同的BBU（分布式基帶處理單元）+RRU（射頻拉遠(yuǎn)單元），分別接入設(shè)置在航天城控制中心的A/B網(wǎng)核心設(shè)備。② A、B網(wǎng)絡(luò)完全獨(dú)立，互不影響。車-地信息可在兩套網(wǎng)絡(luò)上同時(shí)傳輸，最終由信號(hào)系統(tǒng)接收并判斷使用[8]。③在控制中心設(shè)備室分別設(shè)置A網(wǎng)和B網(wǎng)的EPC（核心網(wǎng)設(shè)備，含服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)）。通過(guò)中心交換機(jī)實(shí)現(xiàn)車-地信息和PIS（旅客信息導(dǎo)向系統(tǒng)）信息的收發(fā)，并完成用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的隔離保證用戶業(yè)務(wù)的安全性。④列車頭尾司機(jī)室分別設(shè)置一套TAU（車載通信終端），通過(guò)TAU與CBTC車載設(shè)備相連，傳輸車-地信息[4]。

3? ? ?綜合聯(lián)調(diào)測(cè)試驗(yàn)證

為驗(yàn)證采用TD-LTE技術(shù)搭建的通信網(wǎng)絡(luò)能否實(shí)現(xiàn)CBTC車-地?cái)?shù)據(jù)的傳送要求，在4號(hào)線進(jìn)行以下測(cè)試，測(cè)試結(jié)果最終需滿足CBTC模式下列車控制業(yè)務(wù)越區(qū)切換時(shí)間小于150m的概率不小于95%;列車控制業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率應(yīng)小于1%;列車控制業(yè)務(wù)通信中斷時(shí)間不超過(guò)2s等[5]。

經(jīng)綜合聯(lián)調(diào)測(cè)試驗(yàn)證，西安地鐵4號(hào)線采用TD-LTE技術(shù)構(gòu)建的通信網(wǎng)絡(luò)性能符合CBTC車-地通信數(shù)據(jù)的傳輸要求，滿足地鐵運(yùn)營(yíng)需求[9]。

4? ? ?結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于TD-LTE技術(shù)的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)在車-地?cái)?shù)據(jù)傳送方面各項(xiàng)指標(biāo)滿足CBTC的要求，收發(fā)數(shù)據(jù)的吞吐量、可靠性以及數(shù)據(jù)的丟包率、傳輸時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)的切換時(shí)延等均達(dá)到CBTC的要求，支持地鐵列車的高速移動(dòng)性，符合通信技術(shù)的演進(jìn)趨勢(shì)，能夠應(yīng)對(duì)未來(lái)城市軌道交通的飛速發(fā)展;同時(shí)采用TD-LTE 作為車-地傳輸技術(shù)的CBTC滿足設(shè)備國(guó)產(chǎn)化要求，后期維護(hù)更便捷也能在一定程度上降低整體投資成本[10]。

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