基于TDD-LTE技术的城市轨道交通车地无线通信网络化技术

黄 辉

(卡斯柯信号有限公司,200071,上海∥工程师)



基于TDD-LTE技术的城市轨道交通车地无线通信网络化技术

黄 辉

(卡斯柯信号有限公司,200071,上海∥工程师)

近年来,我国城市轨道交通发展迅速,已步入网络化建设和运营阶段。在无线通信系统网络化方面,TDD-LTE(时分双工-长期演进)技术在城市轨道交通车地无线通信中的应用也是时下的热点。分析了TDD-LTE技术的优势和特点，基于TDD-LTE技术在城市轨道交通车地无线通信系统中的应用,提出建立互联互通车地无线通信网络的方案，并从上层传输网络的建立、LTE核心网的布置、LTE网络的互联互通和列车的互联互通等四个方面,对这一方案进行初步研究,为城市轨道交通无线通信网络的长期技术演进提供参考。

城市轨道交通； 车地无线通信; 互联互通； TDD-LTE技术

Author′s address CASCO Signal Co.,Ltd.,200071,Shanghai,China

由于我国各城市的规模、社会经济发展水平不同,使得各城市的轨道交通建设发展有较大差异,但在行业发展的趋势下,在建及拟建轨道交通的城市目前都已树立了网络化建设的理念,编制了城市轨道交通网络规划。截止2010年底,我国已有近50个城市编制了轨道交通网络规划,并陆续编制建设规划,用以指导轨道交通的网络化建设。本文基于TDD-LTE(时分双工-长期演进)技术在轨道交通车地无线通信系统中的应用分析，提出利用LTE技术优势和特点建立城市轨道交通互联互通无线通信网络，并讨论其可行性，从而为城市轨道交通无线通信网络的长期技术演进提供参考。

1 城市轨道交通无线通信系统网络化目标及内容

城市轨道交通网络化的主要内容是形成网络规划、建设、运营、城市发展的良性循环。文献[2]中关于无线网络技术支撑体系方面的目标和内容为:

(1) 解决网络无线通信系统的互联互通；

(2) 结合各城市轨道交通路网和控制中心规划,解决无线交换组网架构、分布实施方案，以及基于系统网络架构的路网无线频点的统一规划、编号计划、网络无线通信的互联互通技术标准。

轨道交通网络化，要求无线通信系统也实现互联互通,最终形成网络化。因为CBTC(基于通信的列车控制)信号系统中,无线通信系统的主要功能是为轨旁和车载CBTC系统提供可靠、持续、双向的冗余通信通道。

2 TDD-LTE技术在轨道交通无线通信系统中的应用分析

2.1 城市轨道交通无线通信系统现状

当前,轨道交通无线通信系统主要由TETRA(地面集群无线电)和WiFi(无线局域网)网络来承载。其中，TETRA主要提供语音调度；WiFi负责信号CBTC系统承载和PIS(乘客信息系统)等数据业务。CBTC系统、PIS、CCTV(闭路电视)监控系统使用的无线通信制式是基于IEEE 802.11a/b/g系列标准,在工作频段上使用的是开放、免授权的2.4 GHz ISM(工业，科学，医疗)频段。由于各CBTC系统厂商使用的无线技术标准不同,有跳频扩频(FHSS)、直接序列扩频(DSSS)及正交频分复用(OFDM)技术,使得无线通信系统网络的互联互通无法实现。

2.2 LTE技术特点

2013年底,工信部向国内移动通信运营商颁发了LTE/第四代数字蜂窝移动通信业务(TDD-LTE)经营许可,由此揭开了LTE技术在我国商用的大幕。TDD-LTE作为我国具有自主知识产权的技术,具有以下优势[3]:

(1) 通信速率有了提高,下行峰值速率为100 Mbit/s、上行为50 Mbit/s;

(2) 提高了频谱效率,下行链路5 (bit/s)/ Hz,上行链路2.5 (bit/s)/ Hz;

(3) 由于使用专用频段规避干扰,以及采用ICIC(小区间干扰协调)等专业技术,系统抗干扰能力显著提高;

(4) QoS(业务服务质量)保证,通过系统设计和严格的QoS机制,保证CBTC信号业务或者实时业务(如VoIP)的服务质量;

(5) 系统部署灵活,能够支持5 MHz、10 MHz、15 MHz和20 MHz等多种系统带宽;

(6) 高速度适应性,满足更高速度(大于200 km/h)下的系统吞吐量性能。

正是因为LTE具有众多的技术优势,使得其替代WiFi技术服务于城市轨道交通车地无线通信业务成为一种发展趋势。

2.3 基于TDD-LTE技术的城市轨道交通车地无线通信综合承载网络

目前，在城市轨道交通业务中,CBTC系统、PIS系统以及CCTV系统是各自建立独立的WiFi网络来进行承载,建设成本较大,维护管理较为分散。图1为LTE与WiFi的对比，可见LTE相比WiFi更适用于车地无线通信综合承载。

随着车地无线通信业务的发展需求,可利用LTE技术建立车地无线通信综合承载网络,在此网络上可承载CBTC、PIS(包括紧急文本的下发)、CCTV和列车状态信息等业务,甚至还可兼容数字集群业务(TETRA系统),如图2所示。该网络以精细化分级业务管理QoS机制保证CBTC系统重要数据高优先级,确保进行低时延、低丢包率的端到端传输；各城市在建设轨道交通无线网络时,可根据需求选择具体承载的业务,使用灵活性高；其融合了多个WiFi网络,可以较好地降低建设成本,提高管理效率。

图1 LTE与WiFi技术对比示意图

CBTC、PIS和CCTV等系统对数据传输的安全性和可靠性要求不同,应考虑各系统的特点及性能要求,通过LTE的QoS机制对其进行分级管理。表1给出了各业务的优先级建议,作为参考。

3 应用TDD-LTE的互联互通无线通信网络

随着新一代通信技术的发展,当LTE技术在城市轨道交通新线建设和既有老线改造中的车地无线通信网络中得到广泛应用时,就具备条件进行无线通信网络互联互通的规划和建设。

注：BBU—基带处理单元；TAU—列车接入单元；LCD—液晶显示器；ATO—列车自动运行；ATP—列车自动防护

序号业务类型QCI(业务质量等级标志)资源类型优先级分组数据最大延时/ms分组数据误码率1CBTC1GBR(保证比特率)210010-22CCTV6Non-GBR(非保证比特率)630010-63PIS6Non-GBR630010-6

建立城市轨道交通互联互通的无线通信系统网络需要长期详细的规划,首先需在各条线路之间建立一张连通的上层传输网络,其次需考虑LTE核心网的布置,以及如何实现同时管理各条线路的基站,进而实现无线网络的互联互通。

3.1 各条线路之间的连通网络

在TDD-LTE技术应用于城市轨道交通车地无线通信系统的基础上,结合城市轨道交通路网和控制指挥中心规划,建立上层传输网络,将城市轨道交通路网中各条线路的运营控制中心(OCC)连通起来。为了实现以上网络规划,在一些大城市,已经开始建设网络运营监控中心(COCC)项目,将各条线路的OCC连接起来,便于统一管理。如图3所示。

在上海,为了适应轨道交通网络化发展的目标,建立了满足网络化运营管理要求的综合系统。随着COCC一期、二期工程的建设,COCC已接入了上海轨道交通1～11号线,尚有新建线路和延伸线路的正线信息需要接入COCC和备用COCC中,这些新建线路的停车场信息也要接入COCC[5]。 LTE系统的上层传输网络建设可以参照COCC项目。

图3 连通的COCC网络

3.2 LTE核心网的布置

核心网的布置也是一个逐步规划的过程。在无线通信系统网络化初期,为了便于实现各线路的互联互通,在各条线路的OCC设置一台LTE核心网,管理各条线路的无线基站和车载终端。各线路OCC的LTE核心网之间可通过建设类似于COCC项目的上层传输网络实现互联互通。虽然在城市轨道交通建设中各条线路的LTE网络供应商可能不同,但各厂商都按照LTE标准开发,车载终端接入不同的核心网是可以实现的,就如同手机终端可在不同运营商网络或同一运营商的不同地方网络之间进行漫游。车载终端的典型漫游架构如图4所示。

注：VPLMN—拜访公众陆地移动网；HPLMN—本地公众陆地移动网；EPC—演进型分组核心网；S-GW—业务网关；eNodeB—演进的NodeB；MME—移动性管理实体；P-GW—PDN(公用数据网)网关；UE—用户终端

图4 车载终端的漫游架构

3.3 LTE网络的互联互通

在各条线路互联互通建设过程中,各线路还是需要分别设立LTE核心网(见图4)。若是能解决不同厂商核心网与基站eNodeB(简为“eNB”)之间的互联互通问题,就可以在类似于COCC的项目中设置一套核心网,同时管理各条线路的基站。从核心网侧来说,其容量比较大；而对于基站设备,因其发射功率较大,配合使用漏缆传输,一个基站的无线覆盖距离相比WiFi技术下一个AP(无线接入点)的无线覆盖距离有明显提高,可达到1 km以上,因此每条线路需设置的基站数量并不多。基于以上分析,一套核心网设备完全可同时管理各条线路的基站,主要问题是各厂商对于核心网与基站之间的接口有一些自定义开发,导致不同厂商的核心网与基站之间的互联效果不好。而在国内公网运营商4G网络中,都是通过核心网互联来实现的。基于目前LTE产品现状,各厂商均需在COCC设置一套核心网络,管理本线路的基站设备,如图5所示。从长远发展来看,随着LTE技术在轨道交通中应用标准的制定,出于对各条线路的运营维护和互联互通问题的考虑,必须要实现基站与核心网之间的互联互通功能。

3.4 列车的互联互通

无线通信系统的互联互通,还要解决移动列车的互联互通。即列车在跨不同线路移动过程中的切换。可开放各厂商核心网之间的接口,就如同公网中的漫游切换,或者将厂商A和厂商B的设备设置为相同PLMN(公众陆地移动网)组网,如图6所示。

图5 LTE网络的互联互通

图6 列车的互联互通

车载终端连接在厂商A基站上,并获得厂商A基站下发的临区测量列表,其中包括厂商B基站的小区测量信息。车载终端移动到厂商A基站和厂商B基站的重叠覆盖区域,并测量重选到厂商B基站。以开放核心网之间接口来实现跨线切换的组网方案,其切换效果与同一LTE网络中基站间的切换效果类似,可满足轨道交通车地无线业务的需求。

4 结语

在城市轨道交通领域,TDD-LTE技术给多个系统的融合提供了统一平台的可能性,综合业务的承载将促使轨道交通无线通信网络更加便捷、经济、高效。本文基于TDD-LTE技术在城市轨道交通车地无线通信系统中的应用,提出建设城市轨道交通互联互通无线网络方案,并讨论其可行性,从而为轨道交通无线通信网络的长期技术演进提供参考。

[1] 李继成.上海市的延安路、西藏路上或建设现代有轨电车[N].东方早报,2014-05-31(A02).

[2] 利敏.我国城市轨道交通关键技术对策研究报告[EB/OL].(2013-06-27)[2015-02-19].http:∥wenku.baidu.com/view/1a7b5253b307e87101f69674.html.

[3] 韩涛.4G技术TD-LTE无线通信在信号系统中的应用研究报告[R].上海:卡斯柯信号有限公司,2013.

[4] 刘辉.基于TD-LTE的GoTa 4G地铁解决方案[R].南京:中兴高达技术有限公司,2014.

[5] 司培河.上海轨道交通新五线与COCC接入项目ATS技术方案[R].上海:卡斯柯信号有限公司,2012.

Networking of Metro Wireless Communication System Based on TDD LTE Technology

HUANG Hui

In recent years, the development of urban rail transit construction in China has entered the network construction and operation stage. In wireless communication system networking, the application of TDD LTE technology in rail transit wireless communication has become a hot topic. In this paper, the advantages and features of TDD LTE technology are analyzed, on this basis, a train/ground wireless communication scheme is proposed, a preliminary research to this solution is conducted from 4 aspects: the establishment of upper transport network, the core network layout, the LTE network interconnection and the train/ground communication interconnection. This research could provide some

for the long term technology evolution (LTE) in rail transit wireless communication network.

urban rail transit; train/ground wireless communication; interconnection; TDD LTE technology

U 231.7

10.16037/j.1007-869x.2016.04.007

2015-02-19)