轨道交通车地通信TD-LTE综合业务承载研究

顾向锋，孙寰宇

(1.中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司，郑州 450052；2.郑州市轨道交通有限公司，郑州 450002)

轨道交通车地通信TD-LTE综合业务承载研究

顾向锋1，孙寰宇2

(1.中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司，郑州 450052；2.郑州市轨道交通有限公司，郑州 450002)

为研究采用TD-LTE技术进行轨道交通综合业务承载的可行性，分析车地通信业务的承载需求和TD-LTE的技术特点，提出一种适用于轨道交通综合业务承载的TD-LTE车地无线技术方案，并在郑州市轨道交通1号线一期工程上进行测试验证，结果表明，TD-LTE技术可以满足轨道交通综合业务承载的需要。

TD-LTE；车地通信；综合业务承载；Qos

1 概述

随着我国城市化进程的加快，大量流动人口涌进城市，私家车数量迅速增长，使城市交通面临着巨大的压力，交通拥堵、空气污染日益严重，严重影响了城市的经济发展和人们的日常生活。因此各大中城市都在积极发展大容量、快捷、准点、安全的城市轨道交通系统。

而车地无线通信作为保障城市轨道交通安全运营的重要环节，承载了列车控制系统(CBTC，Communication Based Train Control system)、列车运行监测系统，视频监控系统(CCTV，Closed Circuit Television)，乘客信息系统(PIS，Passenger Information System)等信息的传送，可谓是轨道交通系统的神经中枢。

目前，城市轨道交通中车地无线通信主要采用无线局域网(WLAN)技术。工程实践证明，虽然WLAN可以满足当前车地无线通信可用性、可靠性、安全性等要求，但其存在诸多局限性，比如：

(1)运行速度限制，仿真和研究表明，列车速度超过120 km/h时，误码率会急剧增加；

(2)覆盖距离短、链路设计复杂，需要在沿线安装大量的AP及附属设备，降低系统的可靠性和可用性，而且频繁的AP间切换，影响通信质量[1]；

(3)无线干扰严重，WLAN工作在开放频段，容易受到便携式WIFI等其他电子设备的干扰，影响轨道交通安全运营[2]；

(4)多业务并发时无法按照优先级调度，无法保证高优先级业务的实际使用带宽，不适用于综合业务承载。

为提高城市轨道交通运营安全性和服务水平，迫切需要整合车地无线通信生产业务承载需求，建立基于城市轨道交通专用无线频段的车地通信系统，使得CBTC信息、列车状态监测信息、CCTV、PIS(含紧急文本)等能及时、准确地传输，为城市轨道交通系统的安全、高效运营提供有力支撑。

2 车地通信业务承载需求

2.1 CBTC系统应用需求

CBTC系统完成对车辆安全行驶的控制功能，需覆盖城市轨道交通的正线(含折返线、联络线)、出入段/场线、段/场咽喉区、段/场车库内、试车线。系统要求采用独立的双网冗余物理通信通道设计，并对传输数据加密，保证通信安全，试车线部分需与其他部分隔离。整条线路每列车单网传输速率不低于200 kbps，上下行各100 kbps[3]，误码率小于或等于10-6，越区切换时间和传输时延在150 ms以内，且双网中同一时刻至少有一个网络无中断。

2.2 列车运行状态监测系统应用需求

列车运行状态监测系统，用于保障车辆运行期间关键设备系统的安全运转，包含信息采集、信息传输、信息显示、信息处理和分析以及信息发布等5个环节[4]。

列车运行状态监测系统信息传输为单向传输，信息采集量有1 500个开关量，每个1 bit；500个模拟量，每个2字节。一次采集的信息量为9.5 kbits，采集周期为300 ms一次，按每秒4次来计算，传输速率为38 kbps。考虑一定的信息传输余量，共需要传输速率为100 kbps。列车运行状态监测系统车到地的信息传输时延要求小于150 ms，丢包率要求低于1%。

2.3 CCTV系统应用需求

车载CCTV视频监控图像回传将车载视频监控图像上传到控制中心，在正常情况下，正线全线需向中心上传2路客室监控图像信息。车载CCTV业务上行带宽需求为2×2 Mbps=4 Mbps[5]。列车停靠在车辆基地时，中心可同时调取4路客室监控图像的录像信息，上行带宽需求为4×1 Mbps=4 Mbps。CCTV系统传输时延要求小于300 ms，时延抖动要求小于100 ms。

2.4 PIS系统应用需求

PIS系统(含紧急文本)需将播控中心下发的播放节目，如紧急文本信息、行车信息、新闻广播、旅行指南、换乘信息、在线广告等便民信息在车载PIS显示屏上实时显示[6]。

PIS图像采用标清图像质量，每列车业务信息承载带宽为下行2 Mbps。在正常情况下，无线小区内有两列车，PIS图像下发播放的带宽需求为2×2 Mbps=4 Mbps(下行信息)。在有条件时，采用高清(1 080 P)图像质量预设业务信道带宽，则每路图像带宽需求为下行4～6 Mbps。紧急文本信息带宽需求为10 kbps。PIS系统传输时延要求小于300 ms，时延抖动要求小于100 ms。

2.5 车地无线通信需求总结

城市轨道交通生产业务车地无线通信需求总结见表1。

表1 车地无线通信需求

3 车地通信综合业务LTE承载技术分析

LTE是3GPP制定的全球通用标准，在20 MHz带宽组网，单天线传输情况下，峰值速率下行可达100 Mbps，上行可达50 Mbps，同时LTE采用扁平的网络架构，降低控制面和用户面时延，采用了OFDM(正交频分复用)、MIMO(多入多出)、HARQ(混合自动重传请求)等先进技术，有效提高数据速率、频谱效率和抗干扰性能，且提供综合业务承载的优先级调度和高速移动性支持，并通过抗干扰技术和安全机制保证无线数据业务的安全可靠传输[7]。

TD-LTE是TDD(时分复用)版本的LTE技术，也是中国拥有核心自主知识产权的4G国际通信标准技术，是一种专门为移动高宽带应用而设计的无线通信标准。工信部已于2013年底向3家运营商颁发了TD-LTE牌照，从当前TD-LTE网络商用情况来看，TD-LTE网络的产业现状已经成熟，网络覆盖、连续覆盖与切换等性能指标都已达到预期要求。

3.1 综合业务Qos保障

LTE系统按照预定义的可能承载业务类型，对应不同的服务质量(延时、丢包等)要求，定义了9个QCI(服务质量类别标识)[8]，如表2所示。系统根据QCI对应的优先级进行资源分配和调度，优先级越小者优先保障资源分配和调度。

表2 LTE的业务优先级分类

3.2 高速移动性支持

LTE支持350 km/h的终端移动速度(在某些频段甚至支持500 km/h)[9]。

对于移动通信系统而言，当移动终端速度达到200 km/h以上时，需要考虑多普勒频移效应的影响。LTE在设计上已有所考虑，在基站侧接收机采用AFC(Automatic Frequency Control，自动频率控制)进行频率纠偏。AFC通过快速测算高速移动带来的频率偏移，补偿多普勒效应，改善无线链路的稳定性，从而提高解调性能。

3.3 安全机制

无线网络的安全隐患主要来自无线空口的恶意接入和侦听。终端UE在接入LTE无线网络时，必须首先通过LTE无线核心网的认证和鉴权，避免未授权终端进入网络和未授权网络接收终端接入。此外，LTE采用AES(高级加密标准)、SNOW-3G或者祖冲之算法对数据进行加密和保护，支持128位动态密码，有效防止数据被窃取和篡改[10]。

3.4 抗干扰技术

LTE网络采用专用频段，针对系统内部存在的同频干扰，LTE采用ICIC(Inter-Cell Interference Coordination， 小区间干扰协调)技术进行小区间的干扰协调，采用IRC(Interference Rejection Combining)技术进行干扰消除[11]，有效提高了小区边缘的业务速率和用户体验。

4 车地无线通信综合业务承载方案

4.1 组网架构

基于TD-LTE技术的城市轨道交通车地无线宽带网络，主要承载CBTC系统，列车运行状态监测系统、CCTV和PIS系统信息的传输。该网络支持未来业务扩展，可承载语音调度和列车维护等其它业务。

网络的整体逻辑架构分为3个部分：核心层、接入层、终端层[12]，如图1所示。

图1 LTE综合承载总体逻辑架构

核心子系统：是整个无线网络关键部分，完成无线传输数据的汇聚与分发，与其它业务子系统互联，为它们提供可靠的双向数据通信服务，所有的无线接入数据都需要通过核心层与外部系统通信。核心子系统同时负责整个网络的管理与维护。

接入子系统：提供轨道沿线无线接入服务，同时上行接入地面有线网络，与中心子系统对接，完成对各类业务的数据传输。

车载无线终端: 由车载无线终端组成，用于连接轨旁无线网络，发送和接收业务信息。

采用TD-LTE技术建设车地无线通信系统时，为增强系统的安全性，建议采用A、B双网冗余设计，两张网络完全独立，并行工作，互不影响。A网络单独用于CBTC业务的承载，B网用于CBTC业务备份和列车运行状态监测、PIS及CCTV业务的承载，两网具有自动倒换功能，当其中一个网络出现故障期间，自动由另一张网络承载所有业务。

4.2 Qos规划

根据业务的重要性和传输性能要求，结合LTE对优先级和服务质量的分类，按表3所示，定义各车地通信业务的优先级和服务质量(延时、丢包等)。

将CBTC列车控制信号承载业务的优先级设置为1，即系统中的最高优先级。由于紧急信息在特殊需求情况下下发，因此也要求有较高的优先级，较低的时延，丢包率也要较低。而车厢的CCTV视频监控回传，PIS多媒体流则定义为低优先级。

表3 业务优先级和服务质量划分

通过给不同的业务划分不同的优先级，可以保证CBTC业务传输的高优先级及服务质量(延时、丢包等)，在此基础上再进行其它业务的调度传输。

4.3 方案验证

TD-LTE的传输性能和切换时延，在商用通信系统中已经被广泛测试证明，完全可以满足轨道交通车地通信各种生产业务的传输性能需求。

为验证TD-LTE系统在城市轨道交通车地无线通信多业务综合承载的可行性，以及各厂商信号系统对TD-LTE传输通道的适应性，我们在郑州地铁1号线搭建了TD-LTE综合业务承载测试平台，方案如图2所示。

图2 TD-LTE网络综合业务测试方案

为简单起见，采用单网系统进行综合业务承载的可行性验证，实际建设建议采用双网冗余组网，提高可靠性。郑州轨道交通1号线一期工程共部署24个BBU，67个射频拉远单元RRU和50个车载无线单元TAU。正线隧道内通过漏缆进行覆盖，与商用通信系统共漏缆，RRU通过频分合路器与商用系统合路出两路信号接入2根漏缆进行无线覆盖，车站和车辆段等特殊地段采用全向和定向天线进行覆盖。

业务系统中，CBTC业务信息、列车实时状态信息采用模拟方式进行业务数据的发送和接收，车载CCTV监控图像信息和PIS图像信息采用真实设备进行发送和接收。

测试时，使用业务模拟器产生2路模拟CBTC业务，1路列车状态信息业务，列为最高优先级；在15 M带宽，20 W发射功率，上下行子帧配比2∶2的条件下，上传两路CCTV视频监控，速率为2×2 Mbps；下行分发一路PIS视频，速率为6 Mbps，使用业务模拟器产生1路紧急文本业务。承载测试结果如下。

(1)CBTC业务测试

列车在车速分别保持20、40、60 km/h的情况下，进行了CBTC业务数据测试，CBTC均可看到正常的数据业务流，无丢包现象。

(2)上行车厢视频监控测试

上行业务进行反复拉网测试，在OCC控制中心调取行车的车内视频监控，视频采集码率2.0 Mbps的情况下视频流畅清晰，且可以同时调取多路视频，保持拉网过程中清晰流畅。

(3)上下行视频并发测试

专车拉网验证，正线全线进行测试，并发业务，下行由控制中心向全网运行车辆播发6 Mbps高清片源保持，上行控制心中同时调取行车内视频监控1-3路保持。车速分别保持在20、40、60 km/h，测试表明整个拉网测试中上行视频监控和下行视频均播放流畅无马赛克。

将TD-LTE带宽减小为10 MHz，功率等其他条件不变，进行同样的测试，结果显示，CBTC业务正常，无丢包现象，下行6 Mbps视频播放流畅，而上行，同时调取2路监控的情况下，拉网过程中有停顿和马赛克现象，调取1路监控时播放基本流畅。保持带宽10 MHz，更改上下行子帧配比为3∶1，拉网测试结果显示，高优先级CBTC业务正常无丢包，上行2路视频监控和下行高清视频播放均流畅，基本无马赛克。

进一步降低带宽到5 MHz，上下行子帧配比2∶2，测试表明，高优先级CBTC业务正常无丢包，但上下行视频播放均有马赛克现象，尤其在相邻RRU覆盖的交界区域，视频无法正常播放。

综合测试结果显示，在网络信号覆盖良好，带宽不小于10 MHz的情况下，通过设置适当的上下行比例，TD-LTE可以满足CBTC，列车运行状态监测，2路CCTV监控，PIS视频等综合业务承载的需求。当带宽进一步降低，网络的承载速率将不足以满足视频监控及视频下发的需求。因此建议采用TD-LTE进行车地通信综合业务承载时，需确保10 MHz以上的带宽，并根据上下行业务需求合理设置上下行子帧比例，以满足多业务承载带宽的需求。

5 结语

TD-LTE作为一种先进的无线通信技术，具有的高带宽，高可靠性是其他无线通信技术无法比拟的，通过郑州地铁1号线轨道交通车地无线通信综合业务承载的测试验证，TD-LTE无线网络具有实时性好、可靠性高、稳定性强、丢包率低等优点，能够满足轨道交通多种业务综合承载需要，在轨道交通专用通信领域有着广阔的应用前景。

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[11]张帅，周韬，张海涛.高速铁路场景中LTE系统干扰消除技术的研究[J].移动通信，2013 (18).

[12]杨雪，黄纯昉，苌红涛.城市轨道交通车地无线的网络架构及应用[J].都市快轨交通，2014，27(6).

Study on Multi-service Fulfillment of Metro Train-Ground Communication Based on TD-LTE Technology

GU Xiang-feng1， SUN Huan-yu2

(1.The Fourth Division， China International Telecommunication Construction Group Design Institute Co.， Ltd.，Zhengzhou 450052, China; 2.Zhengzhou Metro Co.， Ltd.， Zhengzhou 450002, China)

To study the feasibility of multi-service of TD-LTE-based metro train-ground communication， the requirements of metro train-ground communication services and the advantages of TD-LTE technology are analyzed， and a TD-LTE based networking solution suitable for Metro train-ground multi-service bearing is proposed. The solution is tested and verified on Zhengzhou Metro Line 1 phase 1， and the results show that TD-LTE network is capable of fulfilling multi-service in metro train-ground communication.

TD-LTE; Train-ground communication; Multi-service fulfillment; Qos

2015-03-03；

2015-03-31

河南省科技攻关计划项目(142102210145)

顾向锋(1982—)，男，工程师，2006年毕业于北京邮电大学，工学硕士，E-mail:guxf5@163.com。

1004-2954(2015)11-0110-04

U231+.7

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.026