上海軌道交通LTE綜合承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究

紀(jì)文莉

(上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心,201103,上海 ∥ 高級(jí)工程師)

城市軌道交通無(wú)線通信系統(tǒng)是其日常運(yùn)營(yíng)的神經(jīng)系統(tǒng)，承擔(dān)著列車運(yùn)行控制、運(yùn)營(yíng)調(diào)度、應(yīng)急通信、企業(yè)管理等眾多業(yè)務(wù)功能，是軌道交通網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保障。隨著城市軌道交通列車運(yùn)行的自動(dòng)化、智能化水平的不斷提高，無(wú)線通信傳輸對(duì)大帶寬、低時(shí)延、高移動(dòng)性、高可靠安全的需求更加迫切。

LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))是3GPP(第三代合作伙伴計(jì)劃)組織制定的第四代無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其通過扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和高集成的網(wǎng)元設(shè)備，減少了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和系統(tǒng)復(fù)雜度，從而在穩(wěn)定性、切換性能、通信時(shí)延、安全性、可維護(hù)性等方面較WLAN(無(wú)線局域網(wǎng))系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì)，能較好地滿足城市軌道交通高可靠業(yè)務(wù)的移動(dòng)通信需求。在相關(guān)政策和標(biāo)準(zhǔn)的引導(dǎo)下，國(guó)內(nèi)各城市軌道交通線路正積極建設(shè)LTE專用網(wǎng)絡(luò)。少部分城市僅承載車載PIS(乘客信息系統(tǒng))業(yè)務(wù)，部分城市LTE用作CBTC(基于通信的列車控制)無(wú)線專網(wǎng)，部分城市綜合承載了CBTC、車載PIS和車載CCTV(閉路電視)等業(yè)務(wù)。

上海軌道交通14號(hào)、15號(hào)、18號(hào)線(以下簡(jiǎn)稱“新三線”)均為全自動(dòng)運(yùn)行線路。目前，這3條線路都在建設(shè)基于B-TrunC(Broadband Trunked Communication,寬帶集群通信)標(biāo)準(zhǔn)的LTE網(wǎng)絡(luò)，且LTE網(wǎng)絡(luò)綜合承載CBTC、無(wú)線集群調(diào)度、車載緊急文本、車載重要的狀態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等業(yè)務(wù)。較之于其他城市，上海軌道交通承載的業(yè)務(wù)種類最多、集成要求最高、接口最復(fù)雜。

1 上海軌道交通LTE網(wǎng)絡(luò)的要求和挑戰(zhàn)

城市軌道交通專網(wǎng)較之于公共網(wǎng)絡(luò)，對(duì)業(yè)務(wù)的連續(xù)性、可靠性、安全性、穩(wěn)定性等方面具有更高的要求，并在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和組網(wǎng)方案上具有較大的差別。本文將分析上海軌道交通引入基于LTE的無(wú)線通信專網(wǎng)所需滿足的實(shí)施要求和業(yè)務(wù)承載，并針對(duì)上述問題，提出綜合承載CBTC、集群調(diào)度、車載重要的狀態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等業(yè)務(wù)的LTE專網(wǎng)的總體方案及其關(guān)鍵保障技術(shù)措施。

1.1 總體要求

城市軌道交通需要無(wú)線通信支持的系統(tǒng)包括列車運(yùn)行指揮類系統(tǒng)和列車運(yùn)行輔助類系統(tǒng)兩大類。其中，列車運(yùn)行指揮類系統(tǒng)主要包括CBTC系統(tǒng)和無(wú)線集群調(diào)度系統(tǒng)，該系統(tǒng)直接應(yīng)用于行車指揮，以實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行控制和列車運(yùn)行人員間通信；列車運(yùn)行輔助類系統(tǒng)主要包括車載PIS、車載CCTV、列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和移動(dòng)信息化系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用于輔助列車管理、降低列車故障率、增強(qiáng)信息傳播和應(yīng)急疏散能力等。

總體而言，列車運(yùn)行輔助類的通信業(yè)務(wù)主要涉及管理、圖像監(jiān)視，以及與旅客服務(wù)相關(guān)的內(nèi)容，對(duì)帶寬容量要求比較高，但對(duì)RAMS(可靠性、可用性、可維護(hù)性、安全性)的要求相對(duì)較低；涉及列車運(yùn)行指揮的通信業(yè)務(wù)主要包括列車運(yùn)行控制和調(diào)度方面的通信業(yè)務(wù)，其對(duì)通信的可靠性、響應(yīng)速度及抗干擾能力等要求很高，對(duì)帶寬容量要求較低。

LTE承載CBTC和集群調(diào)度等業(yè)務(wù)，除滿足LTE-M(基于長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)的城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng))等相關(guān)規(guī)范中的功能和性能指標(biāo)外，還應(yīng)滿足：

1) 系統(tǒng)具有合理可靠的信息安全保護(hù)能力。

2) 系統(tǒng)應(yīng)具備高可靠性，其關(guān)鍵部件/設(shè)備冗余配置及其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)避免單節(jié)點(diǎn)故障等。除考慮充分的冗余外，CBTC無(wú)線通信區(qū)域應(yīng)至少實(shí)現(xiàn)雙重?zé)o線覆蓋。

3) 系統(tǒng)具有高實(shí)時(shí)性，語(yǔ)音通話和視頻通信的時(shí)延不大于150 ms且服務(wù)連續(xù)不中斷。

4) 呼叫接通速度快，通常要求組呼建立時(shí)間小于300 ms。具備優(yōu)先級(jí)設(shè)置，確保關(guān)鍵信息、指令暢通。

1.2 網(wǎng)絡(luò)化要求

針對(duì)無(wú)線通信，城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化提出了網(wǎng)絡(luò)化支撐的目標(biāo)：應(yīng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線通信系統(tǒng)的互聯(lián)互通，形成網(wǎng)絡(luò)化無(wú)線通信；結(jié)合路網(wǎng)和控制中心規(guī)劃，解決無(wú)線交換組網(wǎng)架構(gòu)及其分布實(shí)施方案，實(shí)現(xiàn)無(wú)線頻點(diǎn)的統(tǒng)一規(guī)劃與編號(hào)計(jì)劃[1]。

目前，行業(yè)內(nèi)CBTC互聯(lián)互通的場(chǎng)景需求主要可支持列車跨線運(yùn)行。作為基礎(chǔ)的無(wú)線通信，則要求配置的TAU(車載接入單元)支持跨線運(yùn)行，且為CC(車載控制器)連接到不同線路的ZC(區(qū)域控制器)提供穩(wěn)定的傳輸通道，保證業(yè)務(wù)中斷時(shí)延小于2 s。

對(duì)于集群調(diào)度，應(yīng)實(shí)現(xiàn)跨線路的互聯(lián)互通和用戶漫游，以服務(wù)換乘站統(tǒng)一管理、維護(hù)保障及應(yīng)急管理等場(chǎng)景的調(diào)度指揮。

1.3 LTE網(wǎng)絡(luò)綜合承載對(duì)核心網(wǎng)的挑戰(zhàn)

新三線為全地下線路，申請(qǐng)到了地下20 MHz的頻段。因此，上海軌道交通LTE網(wǎng)絡(luò)采用A/B雙網(wǎng)冗余架構(gòu)，其中，A網(wǎng)無(wú)線側(cè)配置頻率為15 MHz，綜合承載CBTC、集群調(diào)度、列車PIS緊急文本、列車實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、2路車載CCTV等業(yè)務(wù)；B網(wǎng)配置頻率為5 MHz，承載CBTC、集群語(yǔ)音備份等業(yè)務(wù)。在承載行車指揮類業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上承載行車輔助類業(yè)務(wù)系統(tǒng)的部分重要數(shù)據(jù)，發(fā)揮LTE綜合承載網(wǎng)絡(luò)的效益，更好地服務(wù)運(yùn)營(yíng)指揮管理。由于無(wú)線集群和CBTC這兩大涉及行車指揮的業(yè)務(wù)均綜合承載在LTE網(wǎng)絡(luò)上，故對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可靠性、故障情況下的影響等提出了更大挑戰(zhàn)。

LTE系統(tǒng)主要分為L(zhǎng)TE有線通信和LTE車地?zé)o線通信兩部分。CBTC業(yè)務(wù)與LTE網(wǎng)絡(luò)的接口位于TAU和EPC(演進(jìn)分組核心)處，主要為CBTC業(yè)務(wù)傳輸列車實(shí)時(shí)運(yùn)行信息以及地面下達(dá)的列車控制信息等。數(shù)據(jù)流向如圖1所示。為滿足CBTC無(wú)線通信系統(tǒng)冗余性的要求，LTE建設(shè)了A、B雙網(wǎng)系統(tǒng)，兩網(wǎng)的核心網(wǎng)、接入網(wǎng)、終端設(shè)備均獨(dú)立。CBTC主要以本線內(nèi)行車指揮控制為主，線路內(nèi)配套建設(shè)LTE核心網(wǎng)。因CBTC系統(tǒng)安全性、獨(dú)立性的要求，其重要的配套設(shè)備均需獨(dú)立建設(shè)，包括傳輸網(wǎng)、電源等。目前未要求新三線實(shí)現(xiàn)CBTC互聯(lián)互通，因此從信號(hào)專業(yè)角度而言，不建議LTE核心網(wǎng)之間互聯(lián)，而需在線路側(cè)分流CBTC業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

圖1 CBTC數(shù)據(jù)在LTE網(wǎng)絡(luò)中的流向示意圖

對(duì)于無(wú)線集群調(diào)度系統(tǒng)，上海軌道交通從2005年開始使用TETRA(陸上集群無(wú)線電)制式、線網(wǎng)共享主備交換核心的網(wǎng)絡(luò)。雖與LTE技術(shù)制式不同，但基于線網(wǎng)級(jí)交換核心的業(yè)務(wù)應(yīng)用模式和故障切換機(jī)制已經(jīng)成熟。另外，考慮到部分集群調(diào)度用戶在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)自由漫游的需求，系統(tǒng)需互聯(lián)互通。因此，集群調(diào)度系統(tǒng)宜共享共建線網(wǎng)級(jí)核心網(wǎng)，在減少線路間系統(tǒng)接口和數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)的資源共享，使得網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)和維護(hù)團(tuán)隊(duì)能獲得統(tǒng)一的集群調(diào)度通信服務(wù)，并有效提高系統(tǒng)資源利用率。

2 上海軌道交通LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和組成

城市軌道交通行業(yè)內(nèi)建設(shè)的LTE綜合承載網(wǎng)絡(luò)大多是考慮在CBTC業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，綜合承載車載PIS、CCTV等業(yè)務(wù)，且大多以線路內(nèi)業(yè)務(wù)為主。上海軌道交通CBTC、通信兩專業(yè)在核心網(wǎng)互聯(lián)共享的需求存在矛盾的情況下，為保障網(wǎng)絡(luò)后續(xù)管理、維護(hù)界面清晰,基站共享技術(shù)提供了解決方案。

2.1 基站共享技術(shù)及模式

目前，基站共享在公眾移動(dòng)通信中已有不少部署案例，如沃達(dá)豐和Orange公司在鄉(xiāng)村場(chǎng)景LTE 2 100 MHz的頻段采用獨(dú)立載頻的方案共享基站，核心網(wǎng)相互獨(dú)立；電訊盈科和香港電訊通過共享載頻的方式部署了共享基站。中國(guó)聯(lián)通和中國(guó)電信深度合作推進(jìn)共享基站的建設(shè)，著眼于至少一方存在不良覆蓋的場(chǎng)景以及業(yè)務(wù)質(zhì)量較低、亟待改善的場(chǎng)景，主要包括偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村等廣覆蓋區(qū)域，以及高鐵、高速公路和部分室分場(chǎng)景[2]。

3GPP TS 23.251中定義了基站共享架構(gòu)，包括GWCN(網(wǎng)關(guān)核心網(wǎng))和MOCN(多運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng))兩種模式。MOCN模式僅僅共享RAN(無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)),而GWCN模式除了共享RAN之外，還要共享MME(移動(dòng)管理單元)和核心網(wǎng)關(guān)。

兩種模式下，共享的RAN都可以連接到多個(gè)運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。需要廣播每個(gè)運(yùn)營(yíng)商的PLMN(公共陸地移動(dòng)網(wǎng)絡(luò))號(hào)，以保證不同運(yùn)營(yíng)商的用戶都能夠接入網(wǎng)絡(luò)。在共享模式下，用戶無(wú)感知，不會(huì)降低用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)感受，對(duì)終端基本無(wú)要求。GWCN架構(gòu)共享的資源更多，但核心網(wǎng)部分涉及到的改動(dòng)量更大，用戶管理、業(yè)務(wù)計(jì)費(fèi)等參數(shù)的統(tǒng)一配置難度非常大。而MOCN模式則不共享核心網(wǎng)，實(shí)施較簡(jiǎn)單。

MOCN模式下，從載波資源配置角度，基站共享技術(shù)可進(jìn)一步分為獨(dú)立載頻、共享載頻兩種模式[3]，如圖2所示。

圖2 MOCN模式基站共享示意圖

2.2 上海軌道交通LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為解決CBTC和集群調(diào)度兩專業(yè)對(duì)于LTE核心網(wǎng)互聯(lián)共享需求的矛盾，上海軌道交通新三線分別建設(shè)LTE線路級(jí)和線網(wǎng)級(jí)核心網(wǎng)。線路級(jí)核心網(wǎng)由信號(hào)專業(yè)在各條線獨(dú)立配置，服務(wù)數(shù)據(jù)用戶；線網(wǎng)級(jí)核心網(wǎng)由通信專業(yè)建設(shè)，服務(wù)集群用戶。因LTE核心網(wǎng)可容納5萬(wàn)個(gè)以上的集群用戶同時(shí)在線，基站接入容量大于1 000個(gè)，考慮到軌道交通單線的基站和集群用戶數(shù)量有限，為充分利用LTE核心網(wǎng)資源，線網(wǎng)級(jí)核心網(wǎng)應(yīng)由多線共享。通過基站共享技術(shù)，共享使用軌行區(qū)的基站，并將不同的用戶分別接入到對(duì)應(yīng)的核心網(wǎng)中。

按照服務(wù)不同用戶和業(yè)務(wù)配置，兩種核心網(wǎng)資源不需共享，因此可采用MOCN模式進(jìn)行基站共享?？紤]到軌道交通統(tǒng)一申請(qǐng)頻率，為提升頻率的使用效率，可將有限的頻率資源供相關(guān)業(yè)務(wù)靈活使用，且通信、信號(hào)兩專業(yè)的接口界面已較清晰，故共享基站采用共享載波模式。

共享基站綜合接入數(shù)據(jù)用戶和集群用戶，同時(shí)廣播兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的PLMN，并將兩種用戶的業(yè)務(wù)傳輸至不同核心：數(shù)據(jù)用戶的業(yè)務(wù)通過信號(hào)系統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)上傳至單線路LTE核心設(shè)備進(jìn)行處理；集群用戶的業(yè)務(wù)通過通信專業(yè)傳輸網(wǎng)至控制中心后，再通過網(wǎng)絡(luò)級(jí)傳輸網(wǎng)(又稱高速數(shù)據(jù)網(wǎng))連接至線網(wǎng)級(jí)LTE集群核心。A網(wǎng)架構(gòu)如圖3所示。B網(wǎng)架構(gòu)與A網(wǎng)架構(gòu)類似，只是承載的業(yè)務(wù)種類更少，且沒有非軌行區(qū)的天饋系統(tǒng)。

圖3 上海軌道交通新三線LTE系統(tǒng)A網(wǎng)架構(gòu)和組成示意圖

正常情況下，集群業(yè)務(wù)由A網(wǎng)進(jìn)行承載。當(dāng)A網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，集群用戶應(yīng)能通過頻率重選快速切換到B網(wǎng)承載，并接入到線網(wǎng)級(jí)集群核心網(wǎng)。采用此架構(gòu)，一方面共享無(wú)線接入層資源，提高了頻率和無(wú)線接入層的綜合利用率；另外，通過增加了線網(wǎng)級(jí)的集群核心網(wǎng)，解決了兩種業(yè)務(wù)在核心網(wǎng)互聯(lián)互通方面的矛盾；而且，保持CBTC和集群業(yè)務(wù)一定的獨(dú)立性，提高了系統(tǒng)的可用性，也有利于后續(xù)維護(hù)管理。除上海軌道交通外，寧波地鐵3號(hào)線的B網(wǎng)基站也采用了基站共享技術(shù)，但上海軌道交通在共享的范圍和深度上有了進(jìn)一步提升。

2.3 系統(tǒng)組成

上海軌道交通LTE綜合承載網(wǎng)絡(luò)主要分為核心網(wǎng)、無(wú)線接入系統(tǒng)、終端3大部分。

2.3.1 核心網(wǎng)

核心網(wǎng)主要實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)核心交換功能、網(wǎng)絡(luò)控制管理功能，以及與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)(如數(shù)據(jù)核心網(wǎng)和集群核心網(wǎng))接口的連接。其中，數(shù)據(jù)核心網(wǎng)由各條軌道交通線路獨(dú)立冗余配置，即每條線路設(shè)置A、B兩套核心網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的控制管理和接口連接。而集群核心網(wǎng)多線共享、統(tǒng)一設(shè)置，并異地設(shè)置備份以提高核心網(wǎng)的可靠性。集群核心網(wǎng)包括EPC設(shè)備、線網(wǎng)集群調(diào)度機(jī)、網(wǎng)管服務(wù)器、三層交換機(jī)等。

2.3.2 無(wú)線接入系統(tǒng)

對(duì)于正線區(qū)域，在車站機(jī)房設(shè)置BBU。在區(qū)間設(shè)置RRU，兩個(gè)RRU間距不超過1.2 km；采用2根泄漏同軸電纜分別饋入A、B網(wǎng)絡(luò)信號(hào)進(jìn)行覆蓋，不進(jìn)行合路。另外，在站廳和設(shè)備區(qū)等區(qū)域設(shè)置天線，接入至獨(dú)立的RRU。

對(duì)于車輛基地，在機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置BBU，在停車庫(kù)、DCC(車輛段控制中心)辦公區(qū)等區(qū)域設(shè)置RRU，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行泄漏同軸電纜覆蓋或天線覆蓋，為區(qū)域內(nèi)終端設(shè)備提供無(wú)線接入服務(wù)。

2.3.3 終端

終端主要包括調(diào)度臺(tái)、手持臺(tái)、固定臺(tái)、TAU及集群車載臺(tái)等。其中，TAU為信號(hào)、車載視頻等業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口，且信號(hào)系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置TAU；集群車載臺(tái)用于集群調(diào)度通信。所有的車載終端應(yīng)共用車載天線，車載天線安裝在車體外側(cè)，并盡量與泄漏同軸電纜保持視距。系統(tǒng)應(yīng)為調(diào)度人員配置調(diào)度臺(tái)，為車站行車值班員配置固定臺(tái)，以及為車站管理人員、維保人員、運(yùn)營(yíng)管理人員配置手持臺(tái)。

另外，鑒于城市軌道交通行業(yè)調(diào)度臺(tái)和車載臺(tái)應(yīng)具有特色功能和界面的要求，因此還需要在控制中心設(shè)置集群二次開發(fā)調(diào)度服務(wù)器。

2.4 系統(tǒng)配置

系統(tǒng)的主要配置包括：

1) 基站配置。BBU的版本支持基站共享功能，RRU和天饋都不需要因基站共享進(jìn)行改造。但基站應(yīng)配置唯一的eNodeB ID(標(biāo)志)，以及統(tǒng)一的特性參數(shù)，統(tǒng)一規(guī)劃TAC(跟蹤區(qū)域碼)，以確保實(shí)現(xiàn)正確的位置更新和尋呼流程。

2) 傳輸方式。在3GPP的規(guī)范中，已經(jīng)定義通過多個(gè)PLMN標(biāo)志支持多個(gè)不同運(yùn)營(yíng)商。終端基于PLMN通過S1接口選擇正確的核心網(wǎng)。共享基站分別與線路數(shù)據(jù)、線網(wǎng)集群核心構(gòu)建S1鏈路，基站端的S1鏈路使用獨(dú)立的S1接口IP。

3) 資源管理。RRC(無(wú)線資源控制)連接數(shù)及總的吞吐量均為基站級(jí)資源，集群、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可共享使用。在共享載波配置模式下，可以考慮動(dòng)態(tài)地對(duì)資源進(jìn)行調(diào)配。上海軌道交通A網(wǎng)資源由CBTC、集群調(diào)度業(yè)務(wù)、列車PIS緊急文本、列車實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、2路車載CCTV業(yè)務(wù)共享使用。LTE網(wǎng)絡(luò)綜合承載業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)置如表1所示。

表1 LTE網(wǎng)絡(luò)綜合承載業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)

3 結(jié)語(yǔ)

本文分析了上海軌道交通 LTE網(wǎng)絡(luò)需求，鑒于 LTE 網(wǎng)絡(luò)綜合承載 CBTC和無(wú)線集群調(diào)度業(yè)務(wù)，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提出了新挑戰(zhàn)。本文介紹了基站共享技術(shù)和共享架構(gòu)，提出通過MOCN模式、共享載頻實(shí)現(xiàn)上海軌道交通軌行區(qū)基站的共享，提出了上海軌道交通LTE網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和組成，并明確了系統(tǒng)的配置。從而在共享無(wú)線接入層資源的基礎(chǔ)上，保持CBTC和集群業(yè)務(wù)一定的獨(dú)立性，提高了系統(tǒng)的可用性，也有利于后續(xù)維護(hù)管理。