郑州市轨道交通LTE综合承载方案分析
2018-07-05李亚军
李亚军
(郑州市轨道交通有限公司,郑州 450000)
1 概述
作为大容量的乘客输送系统,城市轨道交通在中国方兴未艾。车地无线通信系统作为城市轨道交通的核心系统之一,承担着信号、车载乘客信息系统(PIS)等数据的传输,其安全可靠性对整个轨道交通系统的稳定可靠运行至关重要。随着无线通信系统的快速发展,由分时长期演进(Time Division Long Term Evolution,TD-LTE)作为车地无线通信系统承载业务数据,已经成为城市轨道交通建设的趋势。根据工信部和城市轨道交通协会下发的通知,结合郑州市轨道交通1、2号线和城郊铁路TD-LTE单业务的使用及2号线六站五区间对TD-LTE综合承载科研测试结果,通过对频率资源分配、有线传输网络的选用、无线覆盖方案的确定、同频干扰解决方案等方面的分析,探讨郑州市轨道交通5号线及后续新建线路,基于无线通信的信号系统(CBTC)车地无线通信方式采用基于TD-LTE综合承载方案系统架构的合理性和可行性。
2 综合承载业务需求
郑州市轨道交通LTE综合承载的业务主要有CBTC车地无线通信实时数据业务、车载视频监视数据业务(CCTV)和车载乘客信息多媒体业务(PIS)、车辆状态信息及紧急文本信息等。
2.1 CBTC车地无线通信实时数据业务
CBTC车地无线通信主要传输列车位置信息、运行状态信息、移动授权信息、命令及其他任务报文,该业务属于运营安全信息,是城市轨道交通数据业务中优先级最高的一种业务。
2.2 车载视频监视数据业务(CCTV)
车载视频监视将列车驾驶室、列车车厢的视频监视图像通过无线的方式实时传输到控制中心,进行集中监视并为应急调度指挥提供实时的车内高清动态图像信息。
2.3 车载乘客信息多媒体业务(PIS)
车载乘客信息多媒体业务(PIS)用于列车车厢内资讯发布、乘客指引信息的视频展播。
2.4 车辆状态信息
车辆状态信息将通过传感器采集到的列车关键参数,车辆状态信息实时传送到地面监测中心。
2.5 紧急文本信息
列车紧急文本信息通知乘客列车运营信息或其他紧急信息。
3 系统架构
在总结郑州轨道交通1、2号线,城郊铁路TD-LTE承载车载PIS和车载CCTV业务使用情况的基础上,结合2号线六站五区间对TD-LTE综合承载科研测试结果,从安全性、可靠性、冗余性和投资等方面综合考虑,综合承载业务的系统架构从网络结构设置区域层面可以划分为5层,即中心设备层、有线传输层、无线覆盖层、车载终端以及应用层。
1)中心设备层:中心设备层是整个无线网络的关键组成部分,完成车地无线传输数据的上传和下发以及与其他业务子系统的互联,为它们提供可靠的双向数据通信服务,综合的车地无线接入数据均需要通过核心网与外部系统通信。
2)有线传输层:提供中心设备与车站设备间的传输通道。
3)无线覆盖层:提供沿线无线接入服务,同时上行接入地面有线网络,与中心核心网设备对接,完成对各类业务的数据传输。
4)车载网络:由车载终端组成,用于连接轨旁无线网络。
5)应用层:由PIS系统、CCTV系统、CBTC系统、车辆状态信息等组成。
LTE综合承载系统架构采用基于IP的扁平化网络结构,架构简单,维护节点少,核心设备冗余设置,满足安全性的要求,系统架构如图1所示。
4 A、B网无线资源分配分析
根据信号系统的双网冗余结构,结合郑州市轨道交通申请到的20 MHz带宽,考虑到TD-LTE目前只能支持1.4/3/5/10/15/20 MHz组网,郑州市轨道交通基于TD-LTE的车地无线通信A、B网采用15 M+5 M的频率配置方案,A网(1 790~1 805 MHz)采用15 M带宽资源同频组网,实现综合承载;B网(1 785~1 790 MHz)采用5 M带宽资源同频组网,承载信号CBTC列车控制信息,A、B无线资源分配如图2所示。
5 A、B网有线传输网络选用分析
综合承载有线传输网络采用何种组网方案,不同城市有不同的做法,可采用以下三种方案,方案一:利用专用通信传输网络;方案二:利用专用通信传输网络和增加一套交换机组网的以太网网络;方案三:利用信号系统自身的数据通信系统(DCS)网络。
方案一利用通信专业传输网络承载TD-LTE A网和B网,通常专用通信传输网络在控制中心、车站、车辆段、停车场为单台设备,其冗余方案为传输设备的板卡级冗余。
方案二在方案一的基础上,考虑TD-LTE A网由通信传输设备承载,增设一套交换机网络承载TD-LTE B网,虽然满足信号系统的双网传输冗余要求,但两张网络设备制式、网络架构有所不同。
方案三利用信号系统的DCS网络,由信号DCS网络承载TD-LTE A网和B网数据信息,信号DCS网络采用2套千兆以太网交换机组网,从带宽上可满足远期车辆配属情况下通信、信号数据的带宽需求,并可提供设备级的冗余保护。在DCS网络承载A网(通信)、B网(信号)数据时可通过VLAN隔离确保数据流传送安全;在LTE网络中传输时,可通过隧道协议保护实现隔离。因此,采用2套DCS网络同时传输TD-LTE A网和B网数据信息,可靠性和安全性均得以保障;同时,利用信号系统的DCS网络,未改变信号系统的有线传输网络架构,由信号专业实施,既能满足信号系统的要求,与通信的界面也清晰。
综合对上述三个方案的分析对比,本着利用传统系统架构不变、不增加过多投资的原则确定采用方案三。综合承载有线传输网络由信号系统在原有DCS网络中配置双套。
6 无线网络覆盖分析
6.1 正线无线网络覆盖方案
郑州轨道交通1、2号线及城郊铁路TD-LTE承载PIS和CCTV业务正线地下区间使用漏缆覆盖,高架和车站使用天线覆盖。综合承载TD-LTE A网和B网针对地下区间漏缆覆盖有两种解决方案:方案一,与800 M专用无线通信系统共享一根漏缆;方案二,与800 M专用无线通信系统和350 M警用无线通信系统共享两根漏缆。
方案一可通过LTE隧道协议保护实现A网和B网的数据隔离,但A/B网信号在合路器合路后在一根漏缆中传输,未实现物理上的双网冗余,不满足信号系统冗余要求。如果单独增加一根漏缆与专用无线漏缆共同组成双网,可以满足信号冗余要求。但是增加一根漏缆,一方面增加投资,另一方面,隧道内安装空间有限,将影响漏缆安装及信号的传输效果。方案二的A网和B网信号同时通过两根漏缆传输,当一根漏缆出现问题时,另外一根漏缆仍可保证系统的正常使用,减小单点故障对整个系统业务的影响。且在同一根漏缆中A/B网信号由于使用不同的频率进行承载(A网1 785~1 790 MHz,B网1 790~1 805 MHz),在传播过程中仍然通过频率实现硬隔离,相互之间不存在干扰。另外,采用敷设两根漏缆的方案,还可以实现MIMO功能,提高系统的吞吐量,改善通信效果。通过共享专用无线通信系统和警用无线通信系统的两根漏缆实现资源共享,既减少工程投资,又节省隧道内有限的安装空间。
综上所述,郑州地铁综合承载漏缆覆盖采用方案二,共享专用无线通信系统和警用无线通信系统的两根漏缆。
鉴于信号系统共享专用无线通信系统和警用无线通信系统的两根漏缆,从维护的便利性和专业化考虑,漏缆和区间分合路器由通信专业承设,信号专业与通信专业的划分界面在分合路器处。
6.2 车辆基地无线网络覆盖方案
1)车辆基地停车列检库:列检库内采用室内分布式天线覆盖。
2)出入段/场线:采用漏缆覆盖。
3)出入段/场线隧道口:采用定向天线覆盖。
4)试车线:采用漏缆覆盖。
6.3 正线BBU、RRU和控制中心核心网设置方案
系统采用A、B双网冗余组网,正线按照链状网结构设置两套相同的分布式基带处理单元(BBU)+射频拉远单元(RRU)网络,通过信号DCS网络接入控制中心两套核心网设备。
结合BBU可以星型或者链型连接多个RRU的特点,郑州地铁BBU和RRU的设置方案采用星型拓扑结构,即BBU采用分散设置的方案,在正线每个信号设备集中站设置2个BBU设备,在正线信号设备集中站和非集中站均设置2个RRU设备,对于长度大于1 200 m的区间,增设4个RRU设置(上、下行各两个),并为区间RRU提供相应电源,各个RRU设置以星型连接至所属集中站的相应BBU设备。
控制中心设置两套核心网设备,A、B网分开,信号系统和通信系统通过核心网设备的路由器与综合承载无线通信系统连接。
7 车载网络分析
综合承载车载网络由车头和车尾的驾驶室网络组成,其中车头、车尾驾驶室网络分别由车载TAU、车载天线,车载交换机等组成。车载网络示意如图3所示。
每列车上安装4套TAU、4个天线,车头和车尾各两套TAU及两个天线。TAU用来实现车载设备和轨旁设备间的数据传输。单端司机室车载ATP和ATO子系统通过两个独立的以太网连接到其中一个TAU,采用双绞线彼此连接的以太网扩展设备来实现车头车尾之间的通信。另外一个TAU一路连接到通信车载交换机,再接入相应的系统,实现车载PIS、车载CCTV的传输,另一路接到车辆设备,实现车辆状态信息(含紧急文本信息)的传输。综合承载在车上每个驾驶端为车载PIS(含车载CCTV)提供1个以太网接口。综合承载在车上每个驾驶端为车辆状态信息(含紧急文本信息)提供1个以太网接口,车辆状态信息(含紧急文本信息)可同时由车载TCMS从车头车尾发送。
一个车载控制器安装在列车的一端(车头),包括一个ATP子系统和ATO子系统;同样的一个车载控制器安装在另一端(车尾)。所有列车上的设备能通过两个独立的以太网连接在一起,形成CBTC车载数据通信网络。从而保证车载设备在单端故障时,车地通信数据的可靠性传输,不会影响到列车的正常运行。
车载通信系统由两个完全独立的网络(红网和蓝网)组成,这两个网络互为冗余。
8 同频干扰解决方案分析
对于同台换乘车站,如果两条换乘线路都采用了基于TD-LTE的车地无线通信系统,两条线路使用相同或者说重叠的频率,存在同频干扰的可能。
郑州东站为5号线与8号线同台换乘车站,为解决同频干扰问题,综合考虑不同信号厂家、不同LTE设备厂家的情况下,5号线和8号线的综合承载系统采用异频方案,即将1 785~1 805 MHz的频段平均分配给5号线和8号线各10 MHz,5号线采用的频段为1 785~1 795 MHz,8号线采用的频段为1 795~1 805 MHz。
9 结束语
通过对郑州轨道交通5号线TD-LTE综合承载系统方案的介绍,了解郑州地铁LTE综合承载系统的承载业务需求、组网架构、抗干扰对策等,对LTE综合承载系统在类似的应用领域有很好的借鉴作用。
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