城軌車地LTE-M系統(tǒng)能力受限原因探討

王立銳

（安徽電信規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

我國(guó)城市軌道交通（以下簡(jiǎn)稱城軌）行業(yè)蓬勃發(fā)展，據(jù)中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)（以下簡(jiǎn)稱協(xié)會(huì)）在《城市軌道交通2020年度統(tǒng)計(jì)和分析報(bào)告》指出，截至2020年底，大陸地區(qū)共有45個(gè)城市開通城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路244條，運(yùn)營(yíng)線路總長(zhǎng)度7 969.7 km，日均客運(yùn)總量達(dá)到5 131.7萬人次。軌道公司以及乘客對(duì)城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)要求不斷提高，列車與地面之間的信息交互需求也在逐漸增加。目前城軌行業(yè)車地?zé)o線通信系統(tǒng)主要由基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）、視頻監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）、乘客信息系統(tǒng)（PIS）、列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、專用通信系統(tǒng)等多個(gè)部分內(nèi)容共同構(gòu)成。車地?zé)o線通信系統(tǒng)主要采用數(shù)字集群通信（TETRA）、無線局域網(wǎng)（WLAN）、長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）等通信網(wǎng)絡(luò)制式技術(shù)[1-2]。

而當(dāng)前車地?zé)o線通信系統(tǒng)面臨著一個(gè)重要問題是，受限于移動(dòng)性支持、傳輸速率、抗干擾等多種原因，多個(gè)車地?zé)o線通信系統(tǒng)能力均受到嚴(yán)重制約。具體表現(xiàn)有：視頻類數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸性能不好，經(jīng)常性出現(xiàn)卡頓、花屏、黑屏等現(xiàn)象；其他行業(yè)、公眾用戶等均可能對(duì)軌道交通通信系統(tǒng)形成干擾，造成列車緊急停車、大面積晚點(diǎn)等事件，影響軌道交通行車安全；無法實(shí)現(xiàn)新聞、天氣、通告等多媒體信息的實(shí)時(shí)畫面顯示。這些情況的發(fā)生在給乘客造成諸多不便的同時(shí)，更給軌道運(yùn)營(yíng)方帶來巨大挑戰(zhàn)。

關(guān)于城軌行業(yè)車地?zé)o線通信系統(tǒng)能力受限制的研究還有很多，如文獻(xiàn)[3]中對(duì) IEEE 802.11ac版本的測(cè)試研究；文獻(xiàn)[4]中對(duì)不同帶寬下LTE網(wǎng)絡(luò)在中低量軌道交通上業(yè)務(wù)承載的方案建議；文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[5]探討了5G技術(shù)在城軌行業(yè)的應(yīng)用前景。但大多均為討論城軌車地?zé)o線通信的可行性，均未能反映出LTE-M系統(tǒng)為什么在實(shí)際應(yīng)用中受到諸多制約限制。

如何解決當(dāng)前車地?zé)o線通信系統(tǒng)能力受限情況，適應(yīng)全自動(dòng)運(yùn)行（FAO）線路需求及智慧城軌的發(fā)展方向，是城軌行業(yè)需要重點(diǎn)關(guān)注的課題。

1 車地?zé)o線通信系統(tǒng)需求測(cè)算

當(dāng)前城軌車地?zé)o線通信系統(tǒng)主要有以下需求。

（1）帶寬。上行方向（車-地）。一般軌道交通列車為6節(jié)編組，每節(jié)車廂客室及列頭、列尾的司機(jī)室內(nèi)部均設(shè)置2個(gè)監(jiān)控?cái)z像頭，此外第一節(jié)客室還設(shè)置 1個(gè) LCD屏顯示狀態(tài)監(jiān)測(cè)，共計(jì)17個(gè)視頻攝像頭；所有攝像頭均為720 P高清數(shù)字?jǐn)z像頭，采用MPEG-2格式編碼，單路視頻傳輸帶寬需求約為2 Mbps；因此，若單列車所有監(jiān)控視頻均需實(shí)時(shí)上傳總計(jì)約 34Mbps帶寬需求。目前城軌行業(yè)并不要求每個(gè)攝像頭的圖像實(shí)時(shí)上傳，通常為2路或4路即可；但究其原因還是由于 LTE-M 系統(tǒng)并不能很好的支持全部上傳帶寬需求，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)不得不對(duì)CCTV等大流量的部分業(yè)務(wù)予以舍棄。實(shí)際上，未來城軌行業(yè)運(yùn)營(yíng)服務(wù)的高效化、低成本、高安全性等發(fā)展趨勢(shì)，必然要求所有攝像頭均要能夠適時(shí)上傳。

此外，軌道路面監(jiān)測(cè)、緊急呼叫視頻圖像、列車狀態(tài)監(jiān)測(cè)及火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)（FAS）等信息上傳預(yù)計(jì)需6Mbps帶寬需求。

下行方向（地-車）。為提供 PIS車載子系統(tǒng)的高可靠性，實(shí)現(xiàn)冗余管理，每列車需接收2路占用帶寬為8 Mbps的高清視頻信號(hào)；同時(shí)考慮到緊急文本、調(diào)度、車輛狀態(tài)信息等業(yè)務(wù)下行占用帶寬約1 Mbps。

綜上，單列列車車地?zé)o線通信帶寬需求詳見表1。

表1 單列列車車地?zé)o線通信帶寬需求Tab.1 train-ground wireless communication bandwidth requirements of single train

由表1可知，在不考慮乘客上網(wǎng)業(yè)務(wù)時(shí)，單列整車上行帶寬需求不小于 40 Mbps，下行帶寬需求不小于17 Mbps，合計(jì)吞吐率應(yīng)不小于57 Mbps。按照通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般冗余量25%考慮，城軌車地?zé)o線通信系統(tǒng)吞吐率應(yīng)不低于72 Mbps。

（2）時(shí)延及丟包率。時(shí)延及丟包率對(duì)視頻播放等業(yè)務(wù)存在較大影響，時(shí)延及丟包率如果過大，會(huì)產(chǎn)生視頻播放卡頓、花屏甚至黑屏等現(xiàn)象。依據(jù)《城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)（LTE-M）總體規(guī)范》（T/CAMET 04005-2018）要求，LTE-M系統(tǒng)支持的各類網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)丟包率均不超過1%、時(shí)延一般應(yīng)控制在500 ms以內(nèi)，其中CBTC業(yè)務(wù)的相關(guān)要求更高，單路單向傳輸時(shí)延不超過 150ms的概率不小于98%等。

（3）干擾。車地?zé)o線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜，包括PIS、CBTC、專用無線通信、公安/消防無線通信、公眾無線通信、緊急文本、列車行車綜合自動(dòng)化系統(tǒng)（TIAS）信息等多個(gè)系統(tǒng)及業(yè)務(wù)。各系統(tǒng)、各業(yè)務(wù)無線網(wǎng)絡(luò)不能相互干擾，尤其是CBTC列車控制系統(tǒng)，安全性要求非常高。

（4）系統(tǒng)可維護(hù)性。部分系統(tǒng)如PIS等直接面向旅客，其系統(tǒng)好壞直接關(guān)系到軌道公司的企業(yè)形象，無形中也關(guān)系著當(dāng)?shù)丶笆》莸男蜗螅徊糠窒到y(tǒng)如CBTC等事關(guān)行車安全，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性要求極高。因此車地?zé)o線通信系統(tǒng)應(yīng)具備高可維護(hù)性。同時(shí)，在列車運(yùn)營(yíng)期間，因行車需要，隧道內(nèi)部不能通過人工方式進(jìn)行檢修，因此車地?zé)o線通信系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備均應(yīng)具備網(wǎng)管在線管理功能，通過遠(yuǎn)程方式實(shí)時(shí)查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及告警等信息，從而快速定位并給出解決方案。

2 LTE-M

對(duì)于WLAN技術(shù)有兩個(gè)顯著問題：時(shí)延、干擾，這是由WLAN技術(shù)本身的特性決定，目前基于該制式下已應(yīng)用的多個(gè)版本并無很好的解決方案；而且由于其調(diào)制方式、編碼方式、多址接入、天線分集、信道帶寬等原因，802.11、802.11a、802.11b、802.11g、802.11n等版本也無法滿足車地?zé)o線通信系統(tǒng)容量的需求。行業(yè)內(nèi)關(guān)于WLAN技術(shù)的原因分析及解決方案的研究非常豐富，但更多以優(yōu)化為主，偶見的從原理出發(fā)的解決方案如TD-Wifi等存在著技術(shù)私有化、產(chǎn)業(yè)鏈不豐富等問題。

對(duì)于TETRA技術(shù)，其主要應(yīng)用于調(diào)度、公安消防等。由于其使用專有頻率資源，且一般其系統(tǒng)吞吐量較小，因此對(duì)城軌車地?zé)o線通信系統(tǒng)整體影響較小。

綜上，本文僅針對(duì)車地綜合通信系統(tǒng)（LTEM）技術(shù)，從技術(shù)原理出發(fā)進(jìn)行詳細(xì)分析，最終得出LTE-M系統(tǒng)能力瓶頸的具體原因。

2.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

LTE-M 是針對(duì)城軌綜合業(yè)務(wù)承載需求的基于具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的分時(shí)長(zhǎng)期演進(jìn)（TD-LTE）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可滿足 CBTC、CCTV、PIS、列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、集群調(diào)度業(yè)務(wù)等運(yùn)營(yíng)安全需要。

2014年開通的鄭州地鐵1號(hào)線是國(guó)內(nèi)第一條采用 LTE技術(shù)作為車地?zé)o線通信系統(tǒng)的線路。2016年5月，協(xié)會(huì)發(fā)布《關(guān)于推薦城軌交通項(xiàng)目新建CBTC系統(tǒng)使用1.8GHz專用頻段和LTE綜合無線通信系統(tǒng)的通知》（中城軌〔2016〕003號(hào)文），建議在2016年及以后新招標(biāo)的工程項(xiàng)目中采用LTE-M技術(shù)規(guī)范。

截至目前，協(xié)會(huì)編制的LTE-M系列規(guī)范共由總體規(guī)范[T/CAMET 04005-2018]，接口規(guī)范[T/CAMET 04006-2018]，設(shè)備技術(shù)規(guī)范[T/CAMET 04007-2018]，測(cè)試規(guī)范[T/CAMET 04008-2018]，設(shè)計(jì)、工程規(guī)范[T/CAMET 04009-2018]等共計(jì)5部分19項(xiàng)組成。

LTE技術(shù)是由 3GPP組織制定的通用移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)期演進(jìn)，是 WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA等 3G（第三代移動(dòng)通信）技術(shù)的后繼者，被大眾通俗地稱為4G，其主要存在時(shí)分雙工（TDD）和頻分雙工（FDD）兩種模式，其中我國(guó)軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)使用的是TD-LTE。

2.2 帶寬

LTE技術(shù)具有高移動(dòng)速度下保持較高性能（最高可支持350 km/h）；靈活的QoS等級(jí)策略設(shè)計(jì)；頻譜設(shè)置靈活、頻譜效率更高；小區(qū)干擾協(xié)調(diào)（ICIC）抑制算法；20 MHz帶寬內(nèi)上下行峰值速率可分別達(dá)到50 Mbit/s、100 Mbit/s等優(yōu)點(diǎn)。

但LTE技術(shù)使用授權(quán)頻譜，帶寬資源成為其系統(tǒng)能力的主要限制因素。

2015年2月，工業(yè)和信息化部《關(guān)于重新發(fā)布1785-1805 Mhz頻段無線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》（工信部無〔2015〕65號(hào)）規(guī)定，將1785-1805 MHz頻段用于滿足交通（城市軌道交通等）、電力、石油等行業(yè)專用通信網(wǎng)和公眾通信網(wǎng)的應(yīng)用需求，接入系統(tǒng)采用時(shí)分雙工（TDD）方式，信道帶寬包括250 kHz、500 kHz、1 MHz、1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz。這一文件規(guī)定間接促成了城軌交通項(xiàng)目中 LTE-M 技術(shù)的規(guī)模應(yīng)用，同樣，該規(guī)定中的最大10 MHz帶寬要求也是造成LTE-M系統(tǒng)能力瓶頸的關(guān)鍵原因。

2018年9月，協(xié)會(huì)發(fā)布的LTE-M系統(tǒng)規(guī)范中，總體規(guī)范（T/CAMET 04005-2018）及設(shè)計(jì)、工程規(guī)范（T/CAMET 04009-2018）均同樣規(guī)定，LTE-M系統(tǒng)配置的信道帶寬最大僅為10 MHz。

以上兩個(gè)文件從根本上造成了全國(guó)各城軌行業(yè)無論其具有何種頻率資源，但LTE-M系統(tǒng)均最大僅能使用10 MHz帶寬。

眾所周知，依據(jù)香農(nóng)公式，信道容量與信道帶寬成正比。而車地?zé)o線通信系統(tǒng)需要承載的業(yè)務(wù)眾多，其中事關(guān)行車安全的CBTC系統(tǒng)的保障優(yōu)先級(jí)最高，優(yōu)先占用頻段資源，此時(shí)，CCTV及PIS等視頻業(yè)務(wù)的大數(shù)據(jù)流則難以保障。

2.3 系統(tǒng)容量計(jì)算

依據(jù)3GPP TS36系列協(xié)議，LTE系統(tǒng)名義帶寬與資源塊（RB）數(shù)量對(duì)應(yīng)如表2。

表2 LTE系統(tǒng)名義帶寬與RB數(shù)量對(duì)應(yīng)明細(xì)Tab.2 transmission bandwidth configuration NRB in E-UTRA channel bandwidths

LTE系統(tǒng)采用10 MHz帶寬，則對(duì)應(yīng)RB數(shù)量為50個(gè)。每個(gè)RB中包括12個(gè)子載波，每個(gè)子載波占用1個(gè)子幀（2個(gè)時(shí)隙），每個(gè)時(shí)隙包括7個(gè)OFDM符號(hào)，每個(gè)OFDM符號(hào)包含6bit信息（下行64QAM最高調(diào)制方式）。

因此，在10 MHz帶寬情況下，LTE系統(tǒng)的理論峰值速率為：50（RB數(shù)）×12（子載波）×2（時(shí)隙）×7（OFDM符號(hào)）×6（承載信息bit）×2（多天線MIMO技術(shù)）bit/1 ms，即100.8 Mbps。TD-LTE系統(tǒng)無線幀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 TD-LTE系統(tǒng)無線幀結(jié)構(gòu)Fig.1 transmission bandwidth configuration NRB in E-UTRA channel bandwidths

每個(gè)10 ms無線幀包括2個(gè)長(zhǎng)度為5 ms的半幀，每個(gè)半幀由4個(gè)數(shù)據(jù)子幀和1個(gè)特殊子幀組成，總計(jì)10個(gè)子幀，每個(gè)子幀上下行配比方式詳見表3。

表3中，“D”、“DL”代表下行傳輸，“U”、“UL”代表上行傳輸，“S”代表由DwPTS、GP、UpPTS組成的特殊子幀。

表3 TD-LTE系統(tǒng)無線子幀上下行配比方式Tab.3 transmission bandwidth configuration NRB in E-UTRA channel bandwidths

由此可見，同一帶寬下，不同的時(shí)隙配比方式對(duì)應(yīng)著不同的上行和下行速率。不同帶寬不同的時(shí)隙配比對(duì)應(yīng)上下行理論速率詳見表 4（因?qū)嶋H最大帶寬限制以及使用需求，僅測(cè)算 10 MHz和5 MHz情況，其他信道帶寬對(duì)應(yīng)的峰值速率可同理計(jì)算得出）。

表4 不同帶寬不同的時(shí)隙配比對(duì)應(yīng)的上下行理論速率Tab.4 theoretical uplink and downlink rates under different conditions

2.4 瓶頸原因分析

由第1章可知，城軌車地?zé)o線通信系統(tǒng)單列整車上行帶寬需求不小于 50 Mbps，下行帶寬需求不小于22 Mbps。

據(jù)此查表4可知：若采用TD-LTE系統(tǒng)，應(yīng)主要考慮配置 0、1、6，同時(shí)其帶寬至少應(yīng)為10 MHz。

但實(shí)際情況是，3GPP協(xié)議規(guī)定，LTE系統(tǒng)信道帶寬只能是固定的1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz，而允許用于城軌行業(yè)的10 MHz需要進(jìn)行拆分，其中5 MHz用于保障CBTC系統(tǒng)，那么在剩余5 MHz信道帶寬的前提下，城軌車地?zé)o線通信系統(tǒng)需求無法得到全部滿足，尤其是CCTV、PIS等系統(tǒng)中包含視頻業(yè)務(wù)的大數(shù)據(jù)流量需求，而這也正是LTE-M系統(tǒng)能力瓶頸的具體原因所在。

實(shí)際上，由于最為寶貴的專用頻率資源的稀缺性，導(dǎo)致了城軌行業(yè)車地?zé)o線通信系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化具有極大挑戰(zhàn)，甚至不得不因頻率不足而選擇其他折中方案或路線。

3 解決思路

如前述，當(dāng)前城軌行業(yè)LTE-M系統(tǒng)的應(yīng)用因帶寬問題產(chǎn)生能力瓶頸。為此，在綜合考慮車地?zé)o線系統(tǒng)的速率要求、移動(dòng)性、安全性、實(shí)用性、系統(tǒng)復(fù)雜程度、產(chǎn)業(yè)鏈豐富程度等因素，提出以下解決思路。

一是推薦5G+LTE方案，即CBTC業(yè)務(wù)仍由LTE網(wǎng)絡(luò)承載；其他業(yè)務(wù)，尤其是高清視頻業(yè)務(wù)，改由5G承載。5G作為下一代通信技術(shù)的演進(jìn)方向，具有大帶寬、低時(shí)延、高可靠等特性，是LTE技術(shù)的更高層次發(fā)展，其網(wǎng)絡(luò)性能能夠完全滿足軌道交通行業(yè)車地?zé)o線通信系統(tǒng)各類指標(biāo)要求；同時(shí) 5G也是未來城軌行業(yè)智慧城軌領(lǐng)域建設(shè)的重要依托，軌道公司可以依托 5G網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算等能力進(jìn)行差異化定制組網(wǎng)，采用本方案完全吻合城軌行業(yè)的發(fā)展方向。

二是建議WLAN+LTE方案，即WLAN承載CBTC業(yè)務(wù)，通過采取5.8 GHz組網(wǎng)、加裝專用濾波器等防護(hù)措施以滿足CBTC安全性要求；LTE承載大流量業(yè)務(wù)，使用全部的10 MHz帶寬資源。但總體上看該方案是一種倒退，不能適應(yīng)當(dāng)前城軌行業(yè)的運(yùn)營(yíng)發(fā)展需要；而且WLAN網(wǎng)絡(luò)的安全性實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。

三是考慮繼續(xù)采用LTE方案，但頻率分配進(jìn)行重新調(diào)整。文獻(xiàn)[6]通過測(cè)試得出在1.4 MHz帶寬配置時(shí)，在滿足丟包和時(shí)延的條件下可承載 3路CBTC業(yè)務(wù)。此時(shí)，可以考慮就剩余頻率資源采用5 MHz、3 MHz作帶內(nèi)載波聚合（CA）方式實(shí)現(xiàn)近似于8 MHz帶寬的效果，從而滿足車地?zé)o線通信系統(tǒng)需求。本方案實(shí)現(xiàn)形式較為簡(jiǎn)單，組網(wǎng)技術(shù)在公用通信運(yùn)營(yíng)商層面已有非常豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但一個(gè)顯著的問題是帶內(nèi)載波聚合頻譜利用率較低，其實(shí)際速率需要進(jìn)一步驗(yàn)證。當(dāng)然，也可以考慮引入其他頻譜資源進(jìn)行帶外CA，但同樣存在著需要引入雙 RRU+漏纜方式進(jìn)行復(fù)雜的系統(tǒng)部署等問題。

4 結(jié)論

本文通過對(duì) LTE-M 的技術(shù)原理進(jìn)行詳細(xì)分析，得出該系統(tǒng)能力受到制約的具體原因，對(duì)目前軌道公司運(yùn)營(yíng)服務(wù)的改進(jìn)及發(fā)展方向的確定具有參考意義。

對(duì)于該系統(tǒng)能力受限可能的解決方案，由于其內(nèi)容豐富，因此本文僅給出了一些可能的解決思路，各方案的具體內(nèi)容還需要城軌行業(yè)內(nèi)從業(yè)人員持續(xù)深入研究討論。