LTE-M技術(shù)在大連地鐵13號(hào)線信號(hào)CBTC系統(tǒng)的規(guī)劃研究

王文明,杜曉菲,萬(wàn) 霞

(大連地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司,遼寧 大連 116000)

0 引言

當(dāng)前,城市軌道交通車地?zé)o線通信設(shè)備多數(shù)采用2.4 GHz的WLAN技術(shù)。WLAN技術(shù)的工作頻段為2.4 GHz公用頻段,很難保證通信信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性和持久性,特別是隨著智能設(shè)備的應(yīng)用普及,智能手機(jī)、無(wú)線藍(lán)牙耳機(jī)、智能手表等無(wú)線設(shè)備都會(huì)給地鐵信號(hào)車地通信的穩(wěn)定性帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。近2年,城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)受網(wǎng)絡(luò)干擾問題時(shí)有發(fā)生。以大連地鐵為例,地鐵1、2號(hào)線車地?zé)o線通信由于受網(wǎng)絡(luò)干擾,導(dǎo)致列車運(yùn)行多次發(fā)生突發(fā)緊急制動(dòng),特別是客流量較大的車站,比如地鐵1、2號(hào)線西安路站,對(duì)軌道交通的穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)造成了不利影響。因此,在工信部〔2015〕65號(hào)文《工業(yè)和信息化部關(guān)于重新發(fā)布1 785～1 805 MHz頻段無(wú)線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》中,為滿足軌道交通無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的需求,解決2.4 GHz無(wú)線干擾問題,建議軌道交通構(gòu)建1 785～1 805 MHz無(wú)線通信頻段[1]。目前,基于LTE-M技術(shù)的信號(hào)車地?zé)o線通信系統(tǒng)在地鐵13號(hào)線的實(shí)際應(yīng)用中運(yùn)行穩(wěn)定。

1 大連地鐵13號(hào)線信號(hào)DCS系統(tǒng)介紹

大連地鐵13號(hào)線分散控制系統(tǒng)(Distributed Control System,DCS)采用雙網(wǎng)冗余設(shè)計(jì),A網(wǎng)和B網(wǎng)是完全相同并且獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò),雙網(wǎng)硬件獨(dú)立,互不影響,每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)都要包括軌旁有線設(shè)備、車載設(shè)備以及車地?zé)o線設(shè)備。系統(tǒng)包括有線通信部分和無(wú)線通信部分,其中有線通信部分是基于IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),無(wú)線通信部分采用分時(shí)長(zhǎng)期演進(jìn)(Time Division Long Term Evolution,TD-LTE)技術(shù),均使用在業(yè)界較為成熟的通信設(shè)備。DCS子系統(tǒng)的車地?zé)o線通信網(wǎng)是溝通車載數(shù)據(jù)通信網(wǎng)與軌旁網(wǎng)絡(luò)的渠道,實(shí)現(xiàn)車地之間的雙向通信。13號(hào)線DCS系統(tǒng)共有20 MHz頻寬可用,A/B網(wǎng)各使用不同的5 MHz網(wǎng)絡(luò)頻寬。

1.1 LTE軌旁環(huán)網(wǎng)

軌旁有線網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3。在控制中心、設(shè)備集中站、車輛段設(shè)置環(huán)網(wǎng)傳輸節(jié)點(diǎn),環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間由工業(yè)級(jí)交換機(jī)相連,組成RRPP環(huán)網(wǎng),環(huán)網(wǎng)收斂時(shí)間<50 ms;非設(shè)備集中站的交換機(jī)通過光纖連接到所屬聯(lián)鎖區(qū)的集中站環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上?？刂浦行暮投锉ふ镜慕粨Q機(jī)分別作為環(huán)網(wǎng)的主用網(wǎng)關(guān)和備用網(wǎng)關(guān),A/B 2張網(wǎng)互相獨(dú)立冗余。

1.2 LTE車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)

車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)采用雙網(wǎng)冗余架構(gòu),A/B雙網(wǎng)覆蓋承載信號(hào)系統(tǒng)車地通信業(yè)務(wù)。軌旁通過漏纜實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)覆蓋,提高了LTE無(wú)線信號(hào)覆蓋質(zhì)量。LTE無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)提供上行、下行各不小于3 Mbit/s的信息傳輸速率。

LTE車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)由EPC核心交換機(jī)、軌旁基站系統(tǒng)以及車載終端設(shè)備組成,其中軌旁基站系統(tǒng)由基帶單元(Building Baseband Unit,BBU)以及遠(yuǎn)端射頻單元(Remote Radio Unit,RRU)構(gòu)成。BBU及RRU數(shù)量設(shè)置需滿足線路運(yùn)行條件,支持多列車在運(yùn)行時(shí)車載接入單元(Train Access Unit,TAU)的自動(dòng)切換、無(wú)縫連接。RRU通過合路器匯接漏纜,最終實(shí)現(xiàn)軌旁無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。

1.3 核心網(wǎng)設(shè)備EPC

LTE技術(shù)的核心部分就是電子動(dòng)力控制(Electronic Power Control,EPC)系統(tǒng),在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中作用至關(guān)重要。為保證信號(hào)CBTC系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,分別于控制中心和車輛段配置2套核心網(wǎng)設(shè)備,雙網(wǎng)冗余并行獨(dú)立,采用不小于3 Mbit/s的傳輸速率。EPC單網(wǎng)出現(xiàn)故障后不影響列車正常運(yùn)營(yíng)。

核心網(wǎng)EPC交換機(jī)通過有線傳輸網(wǎng)絡(luò)(環(huán)網(wǎng)交換機(jī))與基帶BBU進(jìn)行通信,建立S1接口,通過網(wǎng)管設(shè)備監(jiān)控全網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行情況。

1.4 時(shí)鐘同步服務(wù)器

LTE-M技術(shù)要求基站時(shí)鐘保持同步,不同基站之間的頻率必須同步在一定精度之內(nèi),否則就會(huì)出現(xiàn)丟包、延時(shí)。地鐵13號(hào)線LTE采用了GPS/北斗+時(shí)鐘同步服務(wù)器1588V2的高精度時(shí)鐘同步解決方案,單個(gè)基站GPS出現(xiàn)問題后,基站設(shè)備將同步交換機(jī)傳遞過來(lái)的1588V2時(shí)鐘信號(hào),保障運(yùn)行。

1.5 LTE系統(tǒng)基站

LTE基站由BBU設(shè)備及RRU設(shè)備構(gòu)成。BBU部署在各設(shè)備集中站,通過有線傳輸網(wǎng)絡(luò)與核心網(wǎng)交換機(jī)相連。RRU沿線路進(jìn)行部署,包括車站、區(qū)間、岔區(qū)、折返線、車輛段及出入段線等需要計(jì)算機(jī)控制列車傳輸系統(tǒng)(Computer-based Train Control,CBTC)覆蓋的所有區(qū)域。RRU通過光纖與集中站BBU相連。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的部署使用了漏纜覆蓋,上下行各敷設(shè)一根漏纜,通過合路器將信號(hào)饋入RRU,避免了無(wú)線信號(hào)的泄露,有很強(qiáng)的抗干擾性。

1.6 LTE車載設(shè)備

地鐵13號(hào)線列車支持CBTC模式下的列車自動(dòng)駕駛(Automatic Train Operation,ATO)、列車超速防護(hù)系統(tǒng)(Automation Train Protection,ATP)模式運(yùn)行。車載無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供車載設(shè)備間通信接口,車載交換機(jī)遵循國(guó)際通行的IEEE802.3u和802.3x協(xié)議,為車載設(shè)備提供10 M/100 M以太網(wǎng)接口。車載通信網(wǎng)由TAU、TAU天線及車載交換機(jī)組成。TAU天線采用魚鰭天線和板狀天線,分別安裝在車頂和車底。列車兩端的無(wú)線設(shè)備互為A/B網(wǎng)冗余設(shè)計(jì),一端出現(xiàn)故障后不影響車地通信功能,不會(huì)對(duì)列車運(yùn)行造成影響。

1.7 頻率規(guī)劃

地鐵13號(hào)線無(wú)線通信頻率規(guī)劃方案采用工信部建議的交通行業(yè)專用頻段1.8 GHz(1 790～1 800 MHz),A、B雙網(wǎng)各采用5 MHz頻寬,并行工作。A網(wǎng)使用1 790～1 795 MHz帶寬組網(wǎng),B網(wǎng)使用1 795～1 800 MHz帶寬組網(wǎng)。A/B雙網(wǎng)帶寬及速率如表1所示。

表1 A/B雙網(wǎng)帶寬及速率

2 LTE方案的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

下文將結(jié)合LTE與WLAN 2種方案在大連地鐵不同線路之間的應(yīng)用,分別在系統(tǒng)架構(gòu)、抗干擾性、數(shù)據(jù)傳輸性能、可維護(hù)性等方面進(jìn)行全面比較。

2.1 無(wú)線系統(tǒng)架構(gòu)

地鐵1、2號(hào)線WLAN技術(shù)的無(wú)線系統(tǒng)架構(gòu)主要由軌旁接入點(diǎn)(Access Point,AP)及接收天線、車載中置后驅(qū)(Middle Engine Rear Drive,MR)及八木定向天線組成。軌旁AP及天線沿地鐵線路布置,通過光纜接入信號(hào)設(shè)備機(jī)房,同接入交換機(jī)相連。地鐵13號(hào)線LTE技術(shù)的無(wú)線系統(tǒng)架構(gòu)主要由軌旁基站系統(tǒng)(包括BBU和RRU)、漏纜、軌旁GPS天線、時(shí)鐘服務(wù)器、核心網(wǎng)EPC以及車載TAU及鰭狀天線組成。對(duì)于2種方案,車載無(wú)線設(shè)備數(shù)量基本一致,但LTE方案中軌旁無(wú)線設(shè)備種類較多,可以看出在無(wú)線系統(tǒng)架構(gòu)方面,WLAN技術(shù)設(shè)備組成較LTE技術(shù)簡(jiǎn)單。

2.2 抗干擾性

地鐵13號(hào)線使用LTE-M專用頻段,即1.8 GHz(1 790～1 800 MHz),該頻段不向公眾開放。同WLAN技術(shù)相比,與3大運(yùn)營(yíng)商的信號(hào)頻段相對(duì)較遠(yuǎn),受智能無(wú)線設(shè)備信號(hào)干擾風(fēng)險(xiǎn)較小。而且LTE技術(shù)具有完善的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)傳輸管理策略,9級(jí)算法實(shí)現(xiàn)9個(gè)調(diào)度優(yōu)先級(jí),基于業(yè)務(wù)需求分配帶寬,信號(hào)CBTC系統(tǒng)會(huì)被優(yōu)先滿足,確保行車安全[2]。另外,地鐵13號(hào)線的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)采用漏纜覆蓋,軌旁RRU單網(wǎng)布置的距離可達(dá)1.5 km,減少列車終端TAU切換次數(shù),對(duì)比地鐵1、2號(hào)線采用軌旁AP定向天線進(jìn)行車地?zé)o線通信,信號(hào)要更加連續(xù)、穩(wěn)定。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸性能

WLAN技術(shù)最初的目標(biāo)是替代有線網(wǎng)絡(luò),主要解決無(wú)線熱點(diǎn)覆蓋及適度的移動(dòng)性,并沒有考慮高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景。因此,城市軌道交通列車高速運(yùn)行時(shí),車載通信設(shè)備在與軌旁AP進(jìn)行連接-斷開-再連接的過程中,易發(fā)生丟包情況。地鐵13號(hào)線軌旁無(wú)線網(wǎng)覆蓋采用漏纜,漏纜對(duì)于低頻1.8 GHz頻段衰減較小,每百米損耗約4 dB。同時(shí),RRU最大發(fā)射功率為33 dBm/MHz。在 LTE承載的CBTC業(yè)務(wù)中,共有20 MHz帶寬可用,地鐵13號(hào)線A/B雙網(wǎng)各采用5 MHz頻寬,上下行速率可達(dá)3 Mbps。而且,LTE的無(wú)線切換性能要高于WLAN技術(shù),采用WLAN技術(shù)時(shí),列車在運(yùn)行過程中需要不斷與軌旁AP天線進(jìn)行切換,切換過程中難免存在丟包情況。而LTE技術(shù)中,RRU的布置距離為1.2 km,在RRU之間的切換一般不會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟包。因此,LTE技術(shù)更適合高速度移動(dòng)場(chǎng)景。

2.4 可維護(hù)性

地鐵1、2號(hào)線軌旁AP的布置距離大約在150～200 m,以2站區(qū)間2 km為例,單網(wǎng)就需要布置約10個(gè)AP設(shè)備,軌旁無(wú)線設(shè)備布置數(shù)目較多。LTE技術(shù)在地鐵13號(hào)線的實(shí)際應(yīng)用中,采用漏纜,覆蓋距離遠(yuǎn),而且RRU的布置距離也較遠(yuǎn),單網(wǎng)大約每隔1.5 km布置1個(gè),相比于WLAN技術(shù),LTE的軌旁無(wú)線設(shè)備更少、運(yùn)維更簡(jiǎn)單、可維護(hù)性更高[3]。

通過以上4個(gè)維度對(duì)比發(fā)現(xiàn),WLAN技術(shù)在系統(tǒng)架構(gòu)方面設(shè)備組成要更簡(jiǎn)單,LTE在抗干擾性、數(shù)據(jù)傳輸性能以及可維護(hù)性方面有更明顯的優(yōu)勢(shì)。所以,LTE技術(shù)比WLAN技術(shù)更適合地鐵高速移動(dòng)場(chǎng)景。

3 結(jié)語(yǔ)

最近幾年,大連地鐵軌道交通事業(yè)飛速發(fā)展,為大連市民創(chuàng)造了方便快捷的出行方式。對(duì)于大連地鐵的安全運(yùn)營(yíng),信號(hào)車地?zé)o線通信系統(tǒng)起到了至關(guān)重要的作用。LTE技術(shù)的應(yīng)用不僅解決了WLAN技術(shù)2.4 GHz頻段的民用設(shè)備干擾,而且通過對(duì)地鐵13號(hào)線車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)測(cè)試,全線各站、各區(qū)間信號(hào)均能實(shí)現(xiàn)全面覆蓋,系統(tǒng)故障率極低,可用性及穩(wěn)定性都較高?？偠灾?LTE已成為目前CBTC系統(tǒng)車地通信的主流技術(shù),將來(lái)若要徹底解決地鐵1、2號(hào)線西安路站車地?zé)o線干擾問題,LTE方案可作為首選。