LTE-M在城市轨道交通线网中搭建方案的研究

晋云功

(北京通号国铁城市轨道技术有限公司，北京 100070)

LTE-M在城市轨道交通线网中搭建方案的研究

晋云功

(北京通号国铁城市轨道技术有限公司，北京 100070)

介绍LTE-M的基本技术，论证LTE-M在城市轨道交通线网中的搭建方案，分析各个方案之间的优缺点。

LTE-M；基本技术；轨道交通线网；搭建方案

1 概述

目前，随着我国城镇化进程的不断推进，城市人口不断增加，交通拥堵、尾气污染、停车难等问题日渐明显，大力建设城市轨道交通的需求在日益增加，与此同时部分城市单线运营存在的问题也在逐步凸显，无法统一调度不同线路上装备不同信号厂家的列车，无法共享运力资源，造成较大的浪费。因此各大中城市加快城市轨道交通路网建设已经成为必然，城市轨道交通现状将从单一线路建设逐步走向多线路并行建设，并初步形成线网轨道交通格局。“十二五”期间，共建成投运线路2 019 km，预计“十三五”期末，建成投运线路超过3 000 km，在建城市将达到80个，运营城市将达到50个。

在城市轨道交通网络化运营的背景下，基于LTE-M的互联互通CBTC系统正在逐步成为主流信号系统。而其中作为互联互通CBTC系统数据通信载体的核心骨干通信网络LTE-M的网络搭建方案就显得尤为重要，本文旨在研究城市轨道交通网络化运营、各线互联互通需求旺盛的趋势下，LTE-M网络的搭建方案，通过对比分析方案间差异，推荐后续规划建设方案。

2 LTE标准演进

LTE（Long Term Evolution，长期演进）是一项长期演进的无线通信技术，通信技术标准由国际3GPP组织制定。自诞生之日起，此标准就在不断引入新的特性，2009年发布Release 8版本，至今已发布至Release 14版本。

建立一个能够获得高传输速率、低时延，支持增强型多媒体广播组播业务（e-MBMS）、基于优化可演进的无线接入架构是LTE移动通信技术的目标。为了实现这一目标，LTE系统采用接近于全IP化的扁平化网络结构，集成了众多适用于宽带移动通信传输的先进技术：小区间干扰协调（ICIC）、正交频分复用（OFDM）、自适应调制编码（AMC）、多输入多输出（MIMO）、混合自动请求重传（HARQ）等。

LTE在技术上已经成熟，通用的TDD和FDD两种工作模式在国内、外均已在公网大规模商用。LTE作为先进的4G通信技术，具有传输速率快、频谱利用率高、容量大、带宽配置灵活、抗干扰能力强、高速移动接入能力强、QoS机制完善、可实现高质量的多媒体通信等优势。

在高铁、普速铁路通信专网领域，国际铁路联盟（International Union of Railway，UIC） 已确定原有的GSM-R技术将向LTE方向发展，中国铁总目前已成立LTE-R工作组，启动频率申请、铁路移动通信需求研究、LTE-R试验段方案以及标准制定工作。

在城市轨道交通领域，既有多数地铁CBTC系统采用基于ISM（2.4 GHz）频段的WLAN设备，随着2.4 GHz频段WLAN设备使用规模的不断扩大，地铁WLAN设备的稳定性面临更大的风险，CBTC系统的运营安全受到更大的挑战。中国城市轨道交通协会（以下简称中城协）已成立LTE-M工作组，着手进行相关需求研究及标准制定工作，同时推进频率申请等工作。

3 LTE-M基本技术

3.1 系统构成

地铁信号系统的数据通信网络部分被称为DCS （Data Communication System）系统，包括地面网络和车地通信网络，车地通信网络主要为轨旁ATP设备与车载ATP设备提供通信通道，DCS网络采用冗余双网设计，分A网和B网，两张网络完全独立，互不影响。具体组网结构如图1所示。

图1 基于LTE-M的DCS车地通信网络组网架构

3.2 功能划分

根据CBTC系统组网的特点，LTE系统划分为中心设备（EPC）、车站设备（BBU）、轨旁设备（RRU）以及车载设备（TAU）。其中，EPC属于核心层、BBU/RRU属于接入层、TAU属于车载终端设备。各层的功能划分如下：

核心层：包括核心网EPC设备，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，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。同时负责整个网络的管理与维护。

接入层：包括BBU和RRU设备，提供沿线无线接入服务，同时上行接入地面有线网络，与核心层对接，完成对各业务的数据传输。

车载终端：由车载无线终端TAU组成，用于连接轨旁无线网络。

另外，LTE设备需要使用漏泄电缆/天线方式接发射频信号；LTE设备工作，需要严格的时钟同步，确保基站射频信号的时钟和空口TDD同步。

3.3 LTE-M网络需求分析

3.3.1 网络性能分析

CBTC系统对LTE-M网络核心性能指标需求包括传输速率、传输时延、丢包率、切换中断等，具体如表1所示。

3.3.2 综合业务承载需求分析

LTE-M系统凭借高带宽、完善的多业务优先级保障机制，可用于承载城轨交通综合业务，在保障CBTC业务高可靠传输的同时，能够同时满足紧

表1 CBTC系统对LTE-M网络核心性能指标需求

急文本下发和列车实时状态的传输需求，且能为车载视频监控（CCTV）、乘客信息（PIS）和集群语音调度等业务提供有效的传输通道[1]。具体的需求分析如表2所示。

4 LTE-M网络搭建方案研究

方案一：单线单独搭建LTE-M网络

目前在建的地铁项目中，采用LTE技术的CBTC系统多数应用单线单独搭建LTE网络的方案，即每条地铁线路单独搭建LTE网络，建立本线单独的EPC，各个地铁线路间通过EPC之间的通信连接实现互联互通。具体通信连接方式如图2所示。

表2 LTE-M综合业务承载需求分析

图2 核心网之间通信连接图

在单线单独搭建方案中存在以下几个关键问题：

1）同站台换乘存在不同线路的LTE系统之间的干扰问题。

2）线路重叠区/联络线存在LTE系统间切换问题。

3）数据路由路径复杂。

4）线网中各线单独建设LTE-M网络，存在建设投资高的问题。

5）线网中各线单独建设LTE-M网络，设备数量必然增加，存在故障点增加、后续维护成本高的问题。

此方案的优点是一个EPC故障仅影响一条线路，不会对其他线路产生影响。

方案二：线网综合搭建LTE-M网络

随着LTE-M在地铁领域的不断应用，技术+业务的整合程度越来越高，已经具备采用整个地铁线网搭建一套LTE网络，线网中只有一套EPC（热备冗余）的方案。LTE网络容量（几十万用户）完全满足此方案的需求。尤其在地铁建设项目刚刚起步的城市，可以优先考虑此方案。

一个城市地铁线网中搭建一套LTE系统，实现CBTC及其他通信业务的综合承载有以下优点：

1）很好的避免了同站台干扰问题，同一网络，统一进行频率分配。

2）不存在线路重叠区/联络线LTE系统间切换问题。

3）优化数据路由路径。

4）避免了跨核心网的切换，降低列车跨线切换中断时间，提高系统性能。

5）避免重复建设问题，节约投资。

6）减少网络设备数量，可以有效的降低设备故障点数，实现运营期维护成本的降低。

除上述优点外，本方案也存在一个关键问题：

一个地铁线网一套EPC，存在EPC故障，整个线网所有列车降级的风险，影响较大。

但鉴于LTE设备成熟的商用背景以及板卡级的热备冗余，此风险发生的概率极低。

5 结论

综上所述，随着LTE技术的不断演进和成熟，LTE-M在轨道交通领域应用案例的不断增加，关于线网LTE搭建方案的尝试越来越多，线网综合搭建方案与单线单独搭建方案相比有许多无法比拟的优势，节约投资、降低维护成本，减少线间切换失败的风险。在进行城市线网规划之初，就要综合考虑数据通信综合承载网络的搭建方案，对于地铁建设刚刚起步的城市尤为重要。

[1]张成国，李文明.长期演进（LTE）技术在地铁无线通信中的应用[J].城市轨道交通研究，2015，18（1）：112-117.

This paper introduces the basic technology of LTE-M, discusses the construction schemes of LTE-M in urban rail transit network, and analyzes the advantages and disadvantages of each scheme.

LTE-M; basic technology; rail transit network; architecture scheme

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.06.015

2016-07-15）