LTE在城市轨道交通CBTC信号系统车地无线通信的应用

■ 黄云玲

LTE在城市轨道交通CBTC信号系统车地无线通信的应用

■ 黄云玲

探讨目前城市轨道交通CBTC信号系统车地无线通信技术WLAN存在的不足，以及LTE-M技术在安全性、可靠性、稳定性、抗干扰能力、移动接入性等方面的优势；对LTE-M的政策支持、技术优势、组网方案、频率配置、设备配置、抗干扰措施、产品支持等方面进行分析；阐述未来LTE-M技术将成为城市轨道交通CBTC信号系统车地无线通信技术的发展方向。

轨道交通；WLAN；LTE；CBTC信号系统；车地无线通信

0 引言

现代城市轨道交通的主要运行特点是行车密度高、站间距离短及行车间隔时间短。信号系统是实现行车指挥、列车运行监控和管理所需技术措施及配套装备的集合体，控制中心和车载计算机之间数据传输的稳定和高效尤为重要。由于行车间隔非常短，所以必须采用高度自动化的手段来保证列车安全准点运行，一般采用车地通信为基础的超速防护系统最为妥当，其中包括应用移动闭塞系统[1]。基于通信的列车自动防护系统的车地通信宜采用无线通信方式，其无线场强覆盖可采用天线、漏缆和裂缝波导管等方式，车地通信系统应保证列车高速移动时的漫游切换，不应影响列车控制的连续性，且应采用冗余的场强覆盖[2]。基于通信的列车控制系统（CBTC）可以实现双向信息传输和更高的传输速率及更多的信息量[1]。

随着我国城市轨道交通客流量的大幅攀升、网络化运营及装备自动化程度的不断提高，对CBTC信号系统的安全可靠性提出了更高的要求。车地无线通信是信号系统数据传输子系统的重要组成部分，是确保CBTC信号系统识别列车信息，实现轨旁设备和车载设备连续双向、安全可靠进行数据交换及实现列车速度控制的重要技术手段。目前，国内城市轨道交通CBTC信号系统的车地无线通信技术多采用基于IEEE802．11系列标准的无线局域网络（WLAN）技术，该技术采用的2．4G公共频段对公众开放，同时承载如个人热点、医疗、蓝牙等数据，并且随着无线智能城市的发展即将有更多的干扰源出现，存在影响行车安全的不可控因素，对城市轨道交通安全运营产生威胁[3]。

时分长期演进系统（TD-LTE）是第三代合作伙伴计划3GPP组织制定的以正交频分复用技术（OFDM）和多输入多输出技术（MIMO）为核心技术的新一代无线通用技术标准，其显著提高了频谱利用率和数据传输速率（在20M带宽下，上/下行峰值速率分别为50 Mb/s和100 Mb/s），并支持多种频带配置（1．4M、3M、5M、15M、20M等），其目标是为无线通信网络提供更高的传输速率和更稳定的传输质量[4]。LTE-M是针对城市轨道交通承载业务需求的TD-LTE系统，支持的频带为1 785～1 805 MHz。2015年，工业和信息化部明确1．8G作为城市轨道交通等行业专用频段，该频段属于受法律保护的专用频段，可在频段使用上避免其他用户的干扰，保障行车安全。

1 LTE-M的政策支持及技术优势

1.1 相关政策

近2年，国家相关部门及有关行业协会对城市轨道交通采用基于1．8G频段的TD-LTE车地无线通信技术给予相关政策及应用推广，并出台了相关指导意见及行业规范标准。

（1）2015年2月，工业和信息化部发布《关于重新发布1 785～1 805 MHz频段无线接入系统频率使用事宜的通知》（工信部无［2015］65号）。

（2） 2015年3月，中国城市轨道交通协会发布《关于转发工信部1 785～1 805 MHz频段使用事宜通知及有关落实工作意见》（中城协［2015］008号）。

（3） 2016年2月，中国城市轨道交通协会技术装备委员会发布《关于发布＜城市轨道交通车地综合通信系统（LTE-M）规范＞中7个子规范的通知》（中城装备［2016］009号），规范于2016年5月4日起试行。

（4） 2016年5月，中国城市轨道交通协会发布《关于推荐城轨交通新建项目CBTC系统使用1．8G专用频段和LTE综合无线通信系统的通知》（中城轨［2016］003号）。

1.2 调查方法 采用问卷调查法。在取得3所医院护理部同意和支持，并符合知情同意原则的情况下，由调查者统一发放调查表，并进行调查内容及填写方法的指导;由护士长帮助回收。本次调查发放问卷250份，回收问卷246份，回收率98.4%，有效问卷228份，问卷有效率92.7%。

1.2 技术优势

目前广泛应用于工程实践的WLAN技术虽具有产业链完整、技术成熟、造价低等优点，但由于其工作于向公众开放的2．4G公共频段，其他民用同频设备易对信号系统产生干扰，抢占信号系统的数据传输通道，甚至阻断信号系统数据的传输，造成信号系统车地无线通信中断，引起列车紧急停车，威胁行车安全。而且，由于WLAN技术标准的定制初期是定位在室内静态场景下的无线局域网接入，不支持高速运行设备的数据切换，随着列车运行速度的提高，系统需要更大的控制信息开销以克服因快速移动带来的频移、衰落等，将引起有效带宽的降低和丢包率的上升；另外，由于WLAN无线技术覆盖范围小，轨旁AP接入点较多（间距为200～300 m），系统越区切换频繁，潜在故障点多、维保量大。相比WLAN技术的局限性，LTE-M技术具有以下优势：

（1）抗干扰能力强。LTE采用1．8G专用频段，减少外部设备的干扰；系统内部采用小区间干扰协调技术（ICIC）和软频率复用（SFR）等抗干扰技术措施，有效降低小区边缘频率干扰，提高小区吞吐率。

（2）优先级保障机制完善。LTE支持高达9级的业务优先级控制，通过对系统所承载的业务分配不同的优先级别，保障高优先级别业务（如CBTC）的数据传输服务质量（QoS）。

（3）移动接入性强。LTE采用自动频率校正技术（AFC），确保无线系统发送和接收的正常通信和高速移动（＞350 km/h）场景下的无线链路质量，接入能力强、速度快。

（4）可维护性能好。LTE无线覆盖距离远，单个射频拉远单元（RRU）覆盖距离可达1．2 km，轨旁无线设备减少，系统越区切换次数大幅减少，维护工作简单。

（5）系统可靠性高。LTE采用基于频偏的切换技术，可保证高速切换场景下的带宽稳定；LTE采用扁平化组网方案，简化了网络架构，减少了网元数量，系统可靠性高。

2 组网方案

2.1 单独承载CBTC信号系统

信号CBTC系统业务采用基于1．8G频段的LTE-M技术单独组网承载。LTE-M应采用双网冗余结构，2个网络的所有网元设备（包括核心网、基站、车载终端等）都是独立的。2个独立的网络应分别为CBTC信号系统提供独立的地面物理接口[5]（见图1）。

2.2 综合承载

采用基于1．8G频段的LTE-M技术组建车地无线通信综合承载网，承载CBTC信号系统、视频监控系统、乘客信息系统、列车管理信息系统等业务数据。为适应CBTC信号系统车地无线业务需要双网热备冗余通道的业务需求，无线通信综合承载网采用A/B双网建设方案，2张网络完全独立。其中，A网单独承载CBTC信号系统，B网综合承载CBTC、视频监控、乘客信息、列车管理信息等系统。A/B双网热备冗余传输信号系统数据业务，满足其对传输网络可靠性的要求。综合承载可根据所获批复的频率宽度及城市轨道交通的实际需求，选择相应的综合承载业务类型。

3 LTE设备配置

LTE系统设备由核心网设备、基站设备、网管设备和车载数据终端组成。在控制中心或设备集中站分别设置A/B网冗余的EPC核心网设备，与信号系统骨干网相连。在车站布置冗余的BBU和RRU基站设备，地下车站及区间采用漏缆进行无线覆盖，车辆段、停车场等地面区域可采用漏缆、自由天线和定向天线的方式进行覆盖，基站的天馈线接口通过合路器汇接后与漏泄电缆或自由天线连接，实现行车区域无线信号的覆盖。在每列车的车头和车尾分别设置车载接入设备（TAU），通过车载交换机与信号车载设备相连（见图2）。

图1 单独承载CBTC信号系统组网方案

图2 LTE设备配置

为了保证基站无线信号的时钟与空口时分双工（TDD）同步，基站的BBU需要接入GPS同步时钟源，要求传输网络支持1588V2协议，将GPS授时转换为1588V2 IP时钟报文，并通过光纤拉远到车站。

4 LTE频段划分原则

（1）1．4 MHz适用非全自动无人驾驶（FAO）级别列车运行等级，应承载有限的列车运行控制业务信息。

（2）3 MHz适用非FAO级别列车运行等级，应承载列车运行控制业务信息。

（3）5 MHz适用非FAO及FAO级别列车运行等级，应承载列车运行控制业务信息，可承载集群调度业务信息、紧急文本业务信息及列车运行状态监测业务信息。

（4）10 MHz适用非FAO级别列车运行等级，应承载列车运行控制业务信息，可承载紧急文本业务信息、列车运行状态监测业务信息、集群调度业务信息、视频监控业务信息及乘客信息业务信息。

5 抗干扰措施

处于开放空间的轨道交通线路（车辆段、停车场、高架线、地面线）及线路公用、线路并行、同站台换乘等复杂场景，将面临与其他系统同频干扰的问题，目前可采用频率错开、共用车站核心交换设备、物理隔离等措施解决同频干扰的问题。

6 产品支持

TD-LTE制式在我国已经形成了完整的产业链，一系列具有实力的通信企业能够提供满足LTE-M技术规范的系统和产品。而且从2014年开始，陆续与国内主流信号集成商进行了实验室专项测试，测试结果符合LTE-M技术规范要求，满足CBTC信号系统对车地无线数据传输的需求。

7 结束语

由于LTE-M技术在QoS保障机制、抗干扰、传输速率、延时、通信质量、可维护性等方面具有较大优势，中国城市轨道交通协会在《关于推荐城轨交通新建项目CBTC系统使用1．8G专用频段和LTE综合无线通信系统的通知》（中城轨［2016］003号）中，建议各项目业主单位在2016年及以后招标的工程项目中采用LTE-M技术。根据目前初步统计，国内城市轨道交通采用LTE-M技术承载信号CBTC系统的已招标项目有15条，其中在建项目12条，率先使用LTE-M的武汉地铁6号线将在2016年12月28日建成开通。LTE-M技术代表着城市轨道交通车地无线通信技术的发展方向。

综上所述，LTE技术在行业引导、应用经验、产品支持、发展趋势等方面均具备在城市轨道交通CBTC信号系统车地无线通信应用的可行性。结合先行采用LTE-M技术的项目在设计和工程建设实施等方面的相关经验，轨道交通应用LTE-M技术将会更加成熟稳定。

[1] 刘晓娟，张雁鹏，汤自安． 城市轨道交通智能控制系统[M]． 北京：中国铁道出版社，2012．

[2] GB 50157—2013 地铁设计规范[S]．

[3] 中城轨［2016］003号 关于推荐城轨交通新建项目CBTC系统使用1．8G专用频段和LTE综合无线通信系统的通知[S]．

[4] 夏云琦． 铁路无线通信技术向LTE-R的演进[J]． 中国铁路，2012(8)：75-76．

[5] CZJS/T 0067—2016 LTE-M系统承载CBTC业务及接口规范[S]．

黄云玲：南宁轨道交通集团有限责任公司，工程师，广西  南宁，530029

责任编辑卢敏

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1672-061X（2016）06-0091-04