基于LTE的城市轨道交通车地通信综合承载系统

戴克平　张艳兵　朱　力　唐　涛　赵红礼　蒋海林

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司　北京　100068； 2.北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室　北京　100044； 3.北京交通大学轨道交通运行控制系统国家工程研究中心　北京　100044)



基于LTE的城市轨道交通车地通信综合承载系统

戴克平1张艳兵1朱力2唐涛2赵红礼3蒋海林3

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司北京100068； 2.北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室北京100044； 3.北京交通大学轨道交通运行控制系统国家工程研究中心北京100044)

为保证城市轨道交通运营安全，迫切需要整合车地无线通信生产业务的承载需求，建立基于城市轨道交通专用无线频段的车地通信系统。利用我国自主知识产权的TD-LTE(time division long term evolution，分时长期演进)技术，设计出基于LTE(long term evolution，长期演进)的城市轨道交通车地通信综合承载系统(LTE-M)，在北京的国家铁道实验中心环形道进行全球第1个LTE-M系统的试验段测试。整个测试过程完全复制列车的实际运行场景，包括真实的车辆、设备以及高架、隧道等实际通信场景。大量的测试结果表明，所设计的LTE-M系统抗干扰能力强、综合承载能力强、频谱利用率高，能够满足轨道交通业务需求。LTE-M系统用于承载轨道交通综合业务，在保障CBTC(基于通信的列车控制)业务高可靠传输的同时，能够为CCTV(车辆视频监控)和PIS(乘客信息系统)等业务提供有效的传输通道。

城市轨道交通；车地通信；基于通信的列车控制；综合承载

1　城市轨道交通车地通信研究现状

城市轨道交通车地无线通信作为保障运营安全的重要环节，承载了基于通信的列车 运 行 控制(CBTC)系统、列车运行状态监测(TOSM)系统、车辆视频监控(CCTV)系统、轨道交通乘客信息系统(PIS)等4项基本业务[1]。车地无线通信是城市轨道交通安全运营的神经中枢。目前，城市轨道交通中CBTC、PIS和CCTV系统的车地无线通信主要采用工作在公共开放频段的无线局域网技术，独立设置网络。工程实践证明，目前基于WLAN(wireless local area networks，无线局域网)是实现轨道交通高安全性、高速度和高密度的最佳技术之一[2]。但这种技术也存在一些局限性，首先，WLAN不是为高速移动设计的；其次，无线局域网工作在开放频段，开放频段的使用不需要无线电管理部门的批准，也无需付费。但是很多民用设备也工作在这一开放频段，如：便携式WiFi(wireless fidelity，无线宽带)设备、蓝牙、微波炉等，它们可能会对城市轨道交通的车地无线传输产生干扰。2012年8—11月，深圳地铁2号线和5号线就多次发生由于无线干扰影响列车运营的事故[3]。另外，WLAN在多业务并发时无法按照优先级调度，无法保证按高优先级业务的实际使用带宽，不适用于综合承载。

目前，在轨道交通车地通信领域，学术界已经有了不少研究。如：北京交通大学研究了乘客信息系统的车地通信技术，将喷泉编码引入系统，提高了系统的传输能力[4]；在文献[5]里，作者通过设置邻小区列表，提出了适用于客运专线的切换技术；一种基于车载天线的新型切换机制在文献[6]中被提出；一种基于具有MIMO特性WLAN的车地通信系统的跨层设计方法在文献[2]中被提出，提高了CBTC车地通信系统的性能；在文献[7]中，一种运用于专用无线调度的，基于软件架构的车地通信系统被提出，以解决现有无线调度中出现的问题。虽然这些研究都很好地考虑了轨道交通特殊环境对车地通信的影响，但所有的研究都只是针对独立的车地生产业务。由于各项生产业务独立设置网络，系统间存在争抢频率资源的问题，所以迫切需要整合车地无线通信生产业务，建立基于城市轨道交通专用无线频段的车地通信系统，保证城市轨道交通运营安全的CBTC、TOSM、CCTV、PIS(含紧急文本)等信息能及时、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。

图1　LTE-M网络物理架构

TD-LTE(time division long term evolution,分时长期演进)是TDD(时分复用)版本的LTE(long term evolution,长期演进)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。利用TD-LTE技术，提出基于LTE的城市轨道交通车地通信综合承载系统(LTE for metro，LTE-M)，并组织业界主流通信、信号厂商，在北京的国家铁道实验中心对全球第1个LTE-M系统进行了现场测试。大量的测试结果表明，所设计的LTE-M系统具有抗干扰能力强、综合承载能力强、频谱利用率高的特点，能够满足轨道交通业务需求。LTE-M系统用于承载轨道交通综合业务，在保障CBTC业务高可靠传输的同时，能够为CCTV和PIS等业务提供有效的传输通道。

2　综合承载系统(LTE-M)

2.1系统结构设计

目前，LTE- M主要存在2种组网方案。

第一种组网方案是同频交织组网方式。在这种方式下，轨旁设备连接在同一个无线接入网下，组成2层网络，2层网络的基站按照站址交织放置，并采用相同的载波频率配置。

相邻无线射频单元(RRU)连接不同的无线基站(BBU)，单点BBU出现故障后，相邻的RRU也通过加大发射功率来覆盖故障BBU下的RRU覆盖区域。在没有设备出现故障的情况下，通过降低发射功率避免相邻基站干扰，在发现有基站故障后，相邻基站加大发射功率来覆盖故障基站的覆盖范围。这种组网方式的最大优点是全网只用一个频段，非常节省频率资源，缺点是由于轨旁设备没有设备备份，导致其可靠性有所降低，如果相邻两个基站失效，那系统将不能正常工作。本文的实验并没有采用这种方案。

另一种组网方案是同站址双网覆盖方案。在该方案中，系统提供A、B双网设计，2张网络完全独立，并行工作，互不影响。每个网络包括了核心网(EPC)、轨旁无线接入网(eNodeB)、车载无线终端(TAU)。A网络单独用于CBTC业务的承载，B网用于CBTC业务备份和PIS业务的承载。

图1为某条城市轨道交通线路的LTE-M网络物理架构。控制中心机房部署无线核心网和网管等，通过轨道交通专用传输网与车站连接。设备集中站配备专用机房，部署BBU，提供无线接入服务。非设备集中站无配备专用机房，无线信号覆盖通过相邻的设备集中站BBU接入完成。轨旁是车辆通行通道，在隧道内主要部署RRU和漏缆。对于特殊地段(如高架段、车辆段)主要用全向天线和定向天线覆盖。车辆基地主要是列车维修以及编组的地方，道岔较多，部署BBU、RRU、天线等设备，提供无线接入服务。在车辆的车头、尾两端分别部署车载无线终端，接入轨旁无线网络。

2.2专用频段选择

目前，900 MHz频段为GSM-R铁路专用，难以开展TD-LTE宽带数据移动业务，可以申请使用的城市轨道交通专网TD-LTE频段有：1 447～1 467 MHz(固定移动用户频段)，1 785～1 805 MHz(行业专网频段)，5 850～5 920 MHz(TD-LTE可用频段)。

由于5.9 G频段的空间传输损耗太大，并且硬件设备尚未完全成熟，因此比较适合应用于城市轨道交通的频段有1.8 G和1.4 G。目前，1.8 G频段已经被郑州、乌鲁木齐、兰州等城市申请到并应用于城市轨道交通。但近期被一行业用户所占用，因此我们选取了有代表性的1.4 G频段作为LTE-M系统的工作频段。本文的测试工作均是围绕1 447～1 467MHz频段展开的，其中1 447～1 452 MHz频段用于传输CBTC业务，1 453～1 467 MHz频段用于承载综合业务。需要指出的是，1.4 G目前已经在北京政务网中使用，因此当在LTE-M中采用这一频段时，需要在系统设计时考虑这一干扰。

2.3抗干扰能力设计

城市轨道交通1.4 GHz频段LTE网络的主要干扰是政务网干扰，由于轨道交通只是在轨道交通沿线需要LTE无线信号覆盖，可以结合轨道交通特点以及从工程应用角度考虑干扰规避措施，主要采用如下2条抗干扰措施以抑制政务网的干扰。

1) 全线采用漏缆进行覆盖。漏泄同轴电缆具有信号传输作用，又具有天线功能，通过对外导体开口的控制，可将受控的电磁波能量沿线路均匀地辐射出去或接收进来，实现对电磁场盲区的覆盖。2条漏缆沿轨旁布置，离开车载天线的距离大约1.7 m。双漏缆的覆盖不仅很好地抵御了外界的干扰，同时可以利用MIMO(多路进，多路出)特性，提高车地通信链路的传输性能。

2) 车载天线放置于车底，利用车辆的屏蔽作用降低干扰。

3　LTE-M系统性能测试场景设计

为了进一步验证LTE技术运用于城市轨道交通车地综合承载业务的可行性，在中国铁道科学研究院东郊分院开展了现场实地测试。测试是在真实的电磁环境，1.4 G政务网干扰条件中进行的。采用工程实施的组网结构，测试LTE-M系统在实际环境中的性能，判断其是否能够满足当前城市轨道交通车地综合承载生产业务的需求。

3.1测试场地

现场测试地点为中国铁道科学研究院东郊分院的环形铁道试验中心，位于朝阳区东北五环，其中的城市轨道交通试验线是我国唯一的一条用于试验和检验城市轨道交通装备的综合试验线(见图2)。

图2　测试试验线

试验线位于大环试验线内侧，为一条闭合的曲线，北半环与大环试验线并行，南半环位于小环试验线南侧并与小环试验线等高并行，与北半环封闭成环状。试验线正线长8 631.419 m，最高运行速度140 km/h。高架桥长785 m，隧道长925 m。试验线建设了城市轨道交通试验所必需的通信信号系统、电力及牵引供电系统和管理指挥系统等，能够全面地模拟城市轨道交通运行的各种真实环境。

3.2测试网络实施方案

试验段测试所构建的LTE-M系统采用A、B网冗余组网方式，共同承载测试相关业务数据，其中A网采用15 MHz带宽，承载CBTC业务信息、列车实时状态信息、车载CCTV监控图像信息和PIS图像信息(含紧急文本)等业务；B网采用5 MHz带宽，承载CBTC业务信息和紧急文本信息。每个网络均包括了核心网EPC、基带处理单元BBU、射频拉远单元RRU和车载无线终端TAU。BBU通过以太网交换机直接接入两套LTE核心网设备，通过光缆连接到轨旁RRU设备。区间主要采用RRU+漏泄同轴电缆方式覆盖，以减少来自无线环境的同频干扰。

在列车车头和车尾分别设置车载接入单元TAU，通

过车载交换机与应用系统车载设备相连，完成CBTC、PIS、CCTV和TOSM业务的接入，并实现不同业务之间的隔离与网络安全需求。其中，位于车头的TAU配置5 MHz带宽，只用来传输CBTC业务，而位于车尾的TAU则传输CBTC、PIS/CCTV和余下全部业务，CBTC业务信息在2套网络上同时传输。这是由于CBTC属于安全苛求系统，为了保证其对网络可靠性的要求，必须为CBTC业务部署冗余传输网络，而针对其他业务仅配置单一网络即可。

在测试中，试验线轨旁共布设9个RRU，相邻RRU之间的间距为1 km。由于上下行的业务数据速率非常接近，因此上下行子帧配置为模式1，即上行子帧与下行子帧的配比为2 ∶2。特殊子帧配置为模式7，即DwPTS、GP和UpPTS的配比为10 ∶2 ∶2。

为验证LTE系统满足信号系统的功能需求，需要测试BBU间切换时的LTE传输性能。在A、B网分别设置2台BBU，为增加切换次数，RRU交叉接入到相应的BBU上，使得车载无线终端每经过1个RRU就产生1次BBU间的切换，增加测试样本数。

3.3测试内容

本次实地测试是在城市轨道交通真实电磁环境下进行的，测试LTE-M系统的车地通信传输性能，验证LTE-M系统传输CBTC、TOSM、CCTV和PIS(含紧急文本信息)业务的综合承载能力。测试的内容包括LTE-M传输性能测试和综合承载传输性能测试。

4　测试结果与分析

4.1传输性能测试

传输性能测试包括传输时延、切换时延、丢包率和吞吐量等测试。由于在LTE-M系统中，地面设备与车载TAU的时钟不完全同步，因此在进行传输时延和切换时延测试时，主要关注环回时延而非单向时延。

图3　传输时延的概率分布函数

传输时延的概率分布函数如图3所示。由图3可知，传输时延大部分集中在10 ms左右，平均传输时延为11.6 ms，远远小于CBTC业务QoS需求中规定的150 ms，其中传输时延低于20 ms的概率接近100%。

图4为切换时延的概率分布函数，与传输时延不同，切换时延并不集中在某一固定的值周围，而是分布变化的。其中，平均切换时延在31 ms左右，小于CBTC业务QoS需求中规定的150 ms，切换时延低于45 ms的概率接近100%。

图4　切换时延的概率分布函数

列车驻留在一个小区内的信干噪比SINR和下行吞吐量的变化如图5和图6所示，显然在大部分时间内，SINR的值大于10 dB。对于下行吞吐量，除列车处于小区边缘的特殊情况外，吞吐量的值均在20 Mb/s左右波动。

图5　单小区下行信干噪比SINR

图6　单小区下行吞吐量

图7　上行吞吐量的概率分布函数

图8　下行吞吐量的概率分布函数

带宽为15 MHz时，上下行吞吐量的概率分布函数分别如图7和图8所示，分析可得上行平均吞吐量为17.1 Mb/s，下行吞吐量为19.3 Mb/s。

此外，在丢包测试中，整个测试过程没有发生丢包现象。

4.2综合承载性能测试

在综合承载性能测试中，为了研究PIS/CCTV业务对CBTC业务传输性能的影响，需要对LTE-M系统综合承载CBTC、CCTV、PIS和TOSM情况下CBTC业务的传输时延与切换时延进行测试。

由于PIS和CCTV业务的数据速率分别为4 Mb/s和2 Mb/s，因此将1套PIS设备和2套CCTV设备连接到LTE网络，同时使用IxChariot模拟双路CBTC业务，通过无线网络传输业务数据，进行104次循环测试。图9和图10分别为LTE-M系统综合承载业务的传输时延与切换时延，其中传输时延约为100 ms，切换时延小于50 ms。由此可以得出结论，TD-LTE系统的调度算法能够很好地工作，使得PIS/CCTV业务不会影响CBTC业务的传输性能。

图9　综合承载业务传输时延的概率分布函数

图10　综合承载业务切换时延的概率分布函数

5　结论与展望

笔者设计了基于LTE的城市轨道交通车地通信综合承载系统(LTE-M)。在北京的国家铁道实验中心进行了全球第1个LTE-M系统的实地测试。试验结果满足预期，验证了LTE系统抗干扰能力强、综合承载能力强、频谱利用率高的特点，能够满足轨道交通业务需求。

LTE-M系统用于承载轨道交通综合业务，在保障CBTC业务高可靠传输的同时，能够满足紧急文本下发和列车实时状态的传输需求，且能为CCTV和PIS等业务提供有效的传输通道。

下一步，将加快LTE-M系统在城市轨道交通的示范线建设，并同步推进LTE-M的技术规范工作，以规范和指导LTE-M系统的设计和研究工作。

[1] ZHAO H L，ZHU L，JIANG H L，et al.Design and performance tests in an integrated TD-LTE based train ground communication system[C]//2014 IEEE 17th International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC)，2014: 747-750.

[2] ZHU L，YU F R，NING B，et al.T.Cross-layer handoff design in MIMO enabled WLANs for communication-based train control (CBTC) systems[J].IEEE J.Sel.Areas Commun，2012，30(4): 719-728.

[3] HUANG Y L，SHI Y Y.Shenzhen Metro Disruption Leads to call to Ban wi-fi Devices on Subways[N].China Daily，2012-06-11(4).

[4] ZHU L，YU F R，NING B，et AL.Cross-Layer Design for Video Transmissions in Metro Passenger Information Systems[J].IEEE Transactionson Vehicular Technolocy，2011，60:1171-1181.

[5] HUSNG J，MA J，ZHONG Z.Research on handover of GSM-R network under high-speed scenarios[J].RailwayCommun.Signals，2006，42:51-53.

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[7] WEI Q，YU X，DU C X，et al.Design of tetra-based dedicated radio communication system for urban rail transit[C]//2012 3rd International Conference on System Science，Engineering Design and Manufacturing Informatization (ICSEM)，2012: 304-307.

(编辑：曹雪明)

An Integrated LTE-based Urban Rail Train Ground Communication System

Dai Keping1Zhang Yanbing1Zhu Li2Tang Tao2Zhao Hongli3Jiang Hailin3

(1. Beijing Rail Transit Construction and Management Co., Ltd., Beijing 100068; 2. State Key Lab. of Rail Traffic Control and Safety, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044; 3. National Eng. Research Center of Rail Transportation Operation and Control System, Beijing 100044)

To ensure the safe operation of urban rail, it is urgently needed to construct an integrated train ground communication with dedication frequency band. In this paper, we designed an integrated LTE- based train ground communication system for urban rail transit system (LTE- M) with TD- LTE technology. In order to test the integrated LTE- based train ground communication system performance, a real testing environment is set up. The testing environment includes the real train and real equipment. Real tunnels and elevated lines are used as well to represent the real urban rail transit environment. Extensive test results show that the designed LTE- M system has strong anti-interference capability. The system performance satisfies urban rail transit communication requirement. It can not only guarantee reliable transmission of CBTC traffic, but also provide efficient transmission path for CCTV and PIS traffic.

urban rail transit; train ground communication; CBTC; integrated service

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.01.017

2015-02-03

2015-04-01

戴克平，男，大学本科，部长，高级工程师，从事北京地铁新线通信信息系统建设管理工作，daikeping@263.net

轨道交通控制与安全国家重点实验室自主研究课题(RCS2015ZT00)；北京市科委项目(D141100000714002)

U231.7

A

1672-6073(2016)01-0069-06