LTE技术在城市轨道交通车地通信中的应用

顾蔡君

（中国铁路通信信号上海工程局集团有限公司，上海 200436）

城市轨道的安全高效运营需要诸多系统共同协调工作，车地无线通信系统是实现列车控制与运行的重要系统之一。城市轨道交通车地无线通信系统主要由基于通信的列车运行控制（CBTC）、乘客信息系统（PIS）和闭路电视监控（CCTV）等系统组成。目前，它们绝大数依靠运行在公共开放频段的无线局域网（WLAN）技术。实践证明，采用WLAN技术构建的车地无线通信网络是符合城市轨道交通运输效率高、安全可靠性高、运营组织与控制自动化程度高等需求的最佳技术手段之一[1]。然而WLAN技术也存在某些不可避免的缺陷。例如，WLAN一般工作在2.4 G/5.8 G频段，属于免费频段，很难避免同样工作在此免费频段的民用Wi-Fi设备造成的同频干扰，这就直接影响正常的车地无线通信。另外，WLAN技术并不是针对高速移动而研发的技术。近些年来，深圳地铁2号线和5号线曾因为车地无线通信系统受到干扰影响而触发了区间内的多次紧急制动，造成诸多乘客滞留车站，给社会带来严重的影响[2]。再者，WLAN网络的覆盖区域有限，对于单个无线接入点（AP）来说，无线信号只能覆盖200 m的轨道区间范围，严重增加施工难度和后期工程维护成本。

为从根本上解决目前车地无线通信中的干扰问题，中国城市轨道交通协会近些年来已经开始着手规划轨道交通专用频率的工作，一直致力于引入新技术来建立高宽带、抗干扰能力强、高移动性、高扩展性、高可靠性的车地无线传输系统。伴随第四代移动通信LTE技术的成熟应用，基于LTE技术的车地无线通信系统受到关注，并逐渐完善和成熟。LTE是由第三代合作伙伴计划（3GPP）主导的无线通信技术的演进，主要采用正交频分复用（OFDM）、多输入多输出（MIMO）、自适应调制编码（AMC）及混合反馈重发（HARQ）等技术[3]。LTE技术依靠其业务可靠性高、抗干扰能力强、移动接入性强、长区间覆盖、终端掉线率低、维护简单等方面的优点[4]，可以成为适合城市轨道交通运行的通信系统。本文提出基于LTE技术的城市轨道交通车地无线通信平台的设计方案，旨在为城市轨道交通的车地通信综合业务承载提供更有力的指导和参考。

1 LTE的技术优势分析

LTE的设计初衷主要着眼于满足高带宽的要求。在20 MHz频谱带宽下能够提供下行100 Mbit/s与上行50 Mbit/s的峰值速率。LTE基于MIMO、OFDM、HARQ等先进技术，显著提高了频谱效率、传输速率和抗干扰能力[5]。TD-LTE是时分复用（TDD）的LTE技术，它是一种专门为移动宽带应用而设计的无线通信标准，是中国拥有核心自主知识产权的第四代移动通信技术（4G）国际通信技术标准。TD-LTE为减少控制平面和用户平面的时延，采用扁平化的网络结构，能够提供优先级调度和高速移动性支持，并通过抗干扰技术（如小区间干扰协调（ICIC）技术、干扰抑制合并（IRC）技术等）和安全机制（如用于空口加密的国产祖冲之算法等）保证无线数据传输的安全性和可靠性。

目前国内进行TD-LTE产品研发生产的厂家主要有华为、中兴、烽火、普天和信威等，各厂家的LTE产品已经商用化多年，并在民用通信、政务网等通信业务领域提供了优质通信服务，其产品平台已成熟化。TD-LTE无线传输技术与WLAN传输技术相比具备完善的服务质量（QoS）保障机制。另外在数据链路层设计引入了不同于WLAN自由竞争的接入技术，从而使业务信息的传输稳定性较无线局域网技术有了较大幅度的提升。与WLAN技术相比，LTE的技术优势具体表现在如下几个方面。

1.1 抗干扰能力强

WLAN网络由于工作在开放频段，难以避免干扰；而LTE网络运行在专有频段，具备系统内完善的抗干扰机制。LTE主要基于IRC、ICIC等抗干扰技术，解决系统内的干扰问题，能够发挥毫秒级的调度机制，有效提高小区吞吐率，并降低小区边缘频率干扰。

1.2 移动接入性强

WLAN的定位初衷是覆盖办公、机场、宾馆等场所区域，旨在解决网络布线的问题，其协议标准确定了支持步行运动的慢速移动；而LTE基于抗频偏的算法，能够支持350 km/h的高速移动速度。LTE在上海磁悬浮得到的验证，说明其完全可以满足地铁移动速度的要求。

1.3 覆盖区域广

与WLAN相比，LTE由于工作在专有频段且采用了先进的信号处理技术，使得LTE设备的发射功率大幅提升，从而扩大了其网络覆盖区域。LTE的每个基站射频处理单元（RRU）覆盖区域可以达到1 km以上。

与WLAN平均每200 m就要设置一个AP设备来说，1 km的覆盖范围大幅度减少了轨旁设备布设，设备量大大减少，便于后期的运营维护[6]。

1.4 QoS保障

LTE系统为指示不同业务的QoS（传输延时、丢包率、误码率等）特征，针对不同的业务承载类型，定义9个标准的服务质量等级标识（QCI）属性。其中，标准QCI对应的参数是在各个设备中预先配置的，每个QCI与一组参数相对应，具体分配如表1所示。

表1 LTE系统QCI等级

表1中，保证比三特速率(Guaranteed Bit Rate，GBR)为保证带宽，表示系统能够保证业务承载的最小带宽；Non-GBR则与此相反，是指没有配置保证带宽的承载，当网络出现拥堵的情况下，该承载的带宽并不能被保障。

2 城市轨道交通车地无线综合承载需求

城市轨道交通中的车地无线通信综合传输平台一般需承载CBTC、PIS、CCTV和列车运行状态监视系统等4项基本业务。车地无线通信传输系统能够在列车高速行驶过程中，提供低时延、高宽带、稳定性较强，并且具有QoS机制的列车运行控制信息、PIS/CCTV信息的车地无线数据业务承载。

CBTC技术主要涉及自动化控制技术、计算机技术以及无线电通信技术。CBTC车地无线通信系统支撑实现车载信号设备、轨旁信号设备、车站设备以及控制中心设备之间的点对点、点对多点的信息连续交换功能，从而实现移动闭塞系统[7-8]。CBTC系统要实现对列车运行的高效安全控制，大容量、双向连续的车地数据通信系统应具备几点要求：1）车地无线网络覆盖范围包括正线车站及区间、折返线、存/停车线、渡线区域；2）采用A/B双网覆盖，物理上完全冗余，确保信号系统的安全性不受单点故障影响；3）车载无线单元与基站之间在传递数据前，须建立授权并关联；4）车头、车尾分别提供与A、B网的无线传输通道。单网传输速率上下行至少达到100 kbit/s；单网信息丢包率应低于1%，单网信息误码率小于10-6；单网跨区切换时间为100 ms以内，信息经有线和无线网络的时延应在150 ms以内；应实现不低于120 km/h运行速度下车地实时双向通信。

PIS系统主要承载车载PIS直播业务（含紧急文本业务），通过车载PIS显示终端实时显示媒体新闻、乘车须知、政府公告、赛事直播等服务信息。按照规范，PIS视频信息流需采用720P以上标清码流，每路图像带宽需求为下行4～6 Mbit/s，传输时延要求不超过300 ms。紧急文本为上行信息，按照点对点通信方式传输，带宽需求为10 kbit/s。

车载CCTV系统需能保证列车车厢内部情况得到有效可靠地监控，并将相关情况以图像方式实施录像，同时基于车地通信网络实时回传给控制中心（OCC）。当列车在正线运营过程中，全线需向OCC传送2路客室监控图像信息，监控图像最大分辨率不低于720P。根据使用要求和覆盖情况，每路图像的传输码率应为1～2 Mbit/s。

列车运行状态监视系统业务为周期性数据，需能够进行点对点传输，要求传输时延不超过300 ms的概率不小于98%。另外，列车运行状态监视业务要求上行每路宽带传输速率不小于24 kbit/s，最大传输速率100 kbit/s，信息丢包率应低于1%。

城市轨道交通车地通信业务承载需求如表2所示。

表2 城市轨道交通车地通信业务承载需求汇总

3 基于LTE技术的车地无线传输通信

综上所述，城市轨道交通车地无线传输通信系统可采用大带宽、低时延、高可靠性的LTE技术进行构建和设计，同时满足CBTC、CCTV、PIS等系统业务数据信息的综合承载需求。

3.1 总体方案设计

应用LTE技术进行组建的车地无线传输通信系统整体架构，如图1所示。

TD-LTE系统的基本构成包括核心网设备（EPC）、车载无线终端设备（TAU）、网管设备、基站系统、天馈系统、漏泄同轴电缆等设备，其中基站系统主要由基站基带处理单元（BBU）和基站射频处理单元（RRU）组成。TD-LTE采用冗余设计架构，因此考虑采用A/B双网覆盖方式，如图1所示。A/B双网采用独立网络方式，每张网内各有1套核心网和基站系统，完全覆盖行车区域，因此A/B双网共需要设置2套核心网和基站系统，A/B双网的基站天馈接口通过合路器汇接后与泄漏电缆或天线连接，实现无线信号的覆盖。

控制中心机房部署无线核心网和网管等设备，通过LTE轨旁以太网与车站连接。CBTC服务器基于以太网交换机接口将计算机联锁系统（CI）、区域控制器（ZC）、列车自动监控系统（ATS）等信号系统的相关信息通过TD-LTE无线网络传送到列车上。

车辆段、停车场、设备集中站以及试车线主要部署无线基站BBU，LTE基站通过以太网接入车站网络交换机，通过LTE轨旁以太网与无线核心网和网管连接。在未部署BBU的车站，无线网信号的覆盖主要依靠相邻设备集中站的BBU接入实现。

在作为车辆通行通道的轨旁站台区域，主要部署LTE的RRU设备，覆盖站台邻边区域。在高架以及隧道轨旁主要布置RRU和漏缆（1.8 GHz）等设备；车辆段分布较多道岔，是列车编组以及检修的地方，一般布置RRU、BBU等设备，采用天线进行覆盖。

试车线与正线共用核心网，无线侧物理设备区分，分别部署1套双网，利用虚拟专用网（VPN）隔离。

在列车车头，车尾的司机室分别部署2个TDLTE系统的车载终端TAU，这2套TAU分别驻留在A/B网上。TAU天线安装在司机车厢外侧上方或侧面，并控制与漏缆尽量短的距离以及视线的无遮挡，保持良好无线传输。TAU通过以太网接口与车载列车自动防护系统/列车自动驾驶系统（ATP/ATO）和PIS/CCTV连接，传输信号系统的控制信息、列车状态、PIS/CCTV及票务等信息。

3.2 业务承载设计

对CBTC业务来说，需要在单点故障（核心网、基站、车载无线主机或者传输链路故障）下确保业务不间断地传输。

要实现CBTC车地数据的连续稳定传输，CBTC业务系统需确保数据信息的双份冗余及处理。CBTC业务系统在发送端对一样的数据采取发送2份信息的方法，在接收端CBTC业务系统获得2份信息，只要正确接收到其中1份信息，就可以正确获取发送端的数据。

基于CBTC业务系统传输车地数据的特征，LTE网络可以采取A/B独立双网的冗余设计结构来承载CBTC等系统业务。A/B独立双网主要由A/B双核心网和A/B无线双网组成。

A/B无线双网能够保证在轨旁由2张无线网络进行无线信号的冗余覆盖。A/B无线网络分别基于不一样的频点F1和F2进行交织组网，如图2所示。而A无线网络和B无线网络均采用同频组网的方式。A/B双核心网即是2个独立的核心网。A无线网和A核心网构成能够进行点到点通信的LTE-A 网络，B无线网和B核心网构成能够进行点到点通信的LTE-B网络。无线网络的无线信号覆盖通过共用漏缆来完成。

根据城市轨道交通车地无线综合业务承载不同业务的要求，结合LTE对优先级和服务质量分类，将各业务的优先级和服务质量（延时、丢包等）定义如表3所示。基于LTE网络的QoS保障策略，需为CBTC业务分配最需要的优先级，从而满足CBTC业务的速率、时延和丢包率要求，因此将CBTC业务设置为GBR承载类型并赋予其相对较高的优先级；CCTV和PIS业务可以设置为Non-GBR承载类型，并赋予其较低的优先级，这样即使在一张网络中同时传输CBTC、CCTV及PIS业务，当网络通道拥塞时，也会优先保证CBTC业务信息的顺利传输。

表3 业务QCI划分

3.3 测试方法和手段

为了验证采用LTE技术设计的城市轨道交通车地无线通信系统的应用可行性，需要在真实的轨道线路现场实施测试。测试基本流程：首先，LTE的组网方式基于实际工程进行构建，测试LTE系统在真实环境中的各项性能是否达标；其次，当完成LTE系统的各项性能指标测试后，分析该LTE系统是否能够满足当前城市轨道交通车地无线通信的综合承载业务需求；最后，基于结果分析，判断LTE技术在城市轨道交通车地通信中应用是否具备现实可行性。

因测试要求，基于LTE技术的车地无线传输通信系统采用A/B双网、全线冗余覆盖的组网结构进行搭建，一同承载测试CBTC等业务数据。如果能申请到20 MHz的频宽资源，则可用15 MHz和5 MHz分成A/B双网组网或两个10 MHz组成A/B双网，两种组网方式及业务承载如表4所示。LTE系统的每个网络都含有核心网、BBU、RRU以及车载无线终端等设备。基站基带处理单元与2套LTE的EPC主要通过以太网交换机进行连接，与轨旁的RRU主要通过光缆进行连接。

表4 A/B组网方式及业务承载

测试手段可以采用业界著名的Ixchariot工具，服务器端设置在地面，分别在车载和地面布置测试节点。LTE的CBTC、CCTV和PIS的业务承载测试内容基本包含列车状态信息静态测试、传输延时性能测试、丢包性能测试、切换延时性能测试、切换丢包性能测试、传输中断概率测试、拥塞场景性能测试、干扰性能测试和异频异带宽切换场景测试等。

4 结束语

综上分析，无论是抗干扰能力、可维护性还是服务质量，LTE相比WLAN都有很大的优点和潜力。采用LTE技术设计的城市轨道交通车地无线通信系统，满足承载CBTC、CCTV、PIS等业务信息的综合需求，为城市轨道交通的高效运营提供有力的保障。当然，LTE近些年来才在城市轨道交通综合承载中获得应用，在一些方面和领域还需要改进和提高，比如各厂家互联互通、切换边缘速率低等问题。可以预见，未来城市轨道交通领域是LTE最重要的应用市场之一。

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