LTE-U在轨道交通通信与无线信号业务统一承载中的应用

彭 清

（比亚迪股份有限公司，广东 深圳 518000）

1 轨道交通通信与无线信号业务的常见承载方式

在轨道交通中，需要通过车地无线承载车辆PIS（乘客信息显示系统）、CCTV（视频监控系统）、CBTC（基于通信的列车控制系统）以及无线集群通信业务。由于信号业务关乎行车安全，一般采用A、B双WLAN无线局域网承载。其中，承载PIS、CCTV业务一般需要单独建设一张WLAN网，用以完成车辆与地面间的通信。而承载无线集群通信业务一般需采用TETRA（陆上集群无线电）网络，在不考虑公安专网业务的情况下，共需建设四张网络。

2 承载方式带来的问题

在国内与国外地铁中，通常建设四张网络进行业务承载，增加了维护管理难度，建设投资也急剧上升。从技术、维护运营与建设成本角度考虑，建设统一无线承载网络具有重要意义。当前，LTE-U（长期技术演进-非授权频谱）网络可满足无线业务统一承载的要求[1]。

3 基于LTE-U的无线业务统一承载方案的设计及应用

3.1 系统构成

3.1.1 系统组网方案

LTE-U网络采用A+B双网覆盖方式，可以保证CBTC业务的可靠性。其中一张网络为PIS和CCTV网络提供传输通道，峰值吞吐率上行达到40 Mb/s，下行达到50 Mb/s，后期采用40 MHz载波，速率可达到100 Mb/s。

3.1.2 系统设备组成

LTE-U无线网络主要由核心网、地面基站、TAU传输适配单元和网络管理系统组成。核心网作为业务控制核心，主要负责控制网络设备，并基于电信级虚拟化硬件平台，为业务提供高可靠的核心接入控制和数据交换处理，最终通过统一IP网络接入客户业务平台；LTE-U室外型地面基站可提供unlicensed非授权频谱的无线接入设备；TAU提供对应unlicensed频段的车载接入功能，可连接车厢交换机、CBTC、视频摄像头以及PIS；网管能够管理和控制无线网络设备，对设备进行远程维护升级和监控。

3.2 整体方案设计

3.2.1 推荐组网方式

为保证地面基站支持IP传输，传输组网推荐使用星型组网。其组网方式如图1所示。

图1 LTE-U星型组网图

该星型组网方式每个地面基站都可通过传输网络直接和核心网服务器连接，组网方式简单，工程施工、维护和扩容方便。此外，地面基站和核心网能够直接进行数据传输，信号经过的节点少，线路可靠性高。

3.2.2 业务承载设计

无线PIS/CCTV网络主要用于承载PIS、CCTV或紧急文本信息，也可以承载车辆状态信息。针对不同的业务，需采用不同的QoS服务质量保障等级。

利用LTE-U网络的QoS保障机制，可为CBTC业务分配所需的高优先级，也可在准入或拥塞场景充分保证CBTC业务的时延、丢包率和速率要求，为后续业务扩展建立基础。

LTE-U网络定义的QoS即是端到端的QoS过程，不但可以在LTE-U网络内部进行QoS保障，也可以运用相应手段进行LTE-U网络与传输网络的QoS映射。业务安全性要求高的定义为高优先级，安全性要求不高的定义为低优先级，充分保障各业务统一承载的正常运行。

3.2.3 时钟同步方案设计

LTE-U基站需要保持高精度时钟同步（≤0.05 ppm，±1.5 μs），否则会造成小区切换丢包或延时，影响列车正常运行。在地面的停车场，基站可采用GPS时钟同步方案。而在地下站点，应将GPS信号转换成PTP时钟同步报文，通过光纤拉远到基站。

3.3 无线网络规划设计

3.3.1 轨旁站点部署

基于5.8 GHz频段的LTE-U基站应统筹考虑站点之间的切换和覆盖，对各点部署A、B两个地面基站[1]。

3.3.2 天线覆盖设计

采取定向天线覆盖方式，天线挂高4.5 m。要求背对放置基站上的两个天线，使其各自覆盖180°范围。

3.3.3 站点设备组网

轨旁地面基站单个站点4端口分裂成2个2T2R（2发2收）的小区，两个小区之间采用异频组网方式，以减少小区与小区之间的干扰。具体组网如图2所示。

图2 设备连接示意图

如图2所示，地面基站借助4根3 m长的射频线连接到2副天线的2个射频口；基站上的两个天线各自覆盖180°范围；数据光口通过光纤与车站交换机和控制中心的核心网连接。

3.3.4 站点覆盖设计

LTE-U轨旁站点之间的距离可达到500 m，实际部署时需要考虑弯道和遮挡情况，确保站点的平滑切换和业务的连续性。为保证CBTC的可靠性，应单点部署两个地面基站，采用A+B双网覆盖，且两张网络要求物理独立，确保一张网络单点失效后，CBTC能在另一张网上进行业务，不影响行车安全。

3.3.5 无线频点规划

站点之间采用双频交替组网方式，可以减轻小区之间的干扰，提升网络性能。车载终端TAU能够在不同小区间实现站内切换和站间切换，即站点处异频切换和站点间同频切换。由于站点的A网和B网均采用异频组网，一个站点需要使用4个不同的频段。

3.3.6 车辆组网设计

车辆组网主要涉及设备与业务系统的对接，应用于TAU、电源线、电源转换器以及车载天线。为方便设备在车辆的安装和部署，应提前了解现有车辆供电、天线安装位置和车载业务接口。车头车尾皆应安装TAU，并分别接入A网和B网，车载CBTC系统也要分别连接到车头车尾的TAU，形成主备冗余。

3.3.7 控制中心组网

控制中心需要部署核心网和交换机。核心网通过光纤与车辆段设备连接，交换机则一端连接核心网，另一端连接CBTC/PIS/CCTV/无线集群业务系统，如图3所示。

图3 控制中心连接示意图

3.4 LTE-U的应用

2017年8月31日，作为第九届中国花卉博览会重点项目的比亚迪“云轨”花博园旅游专线在宁夏银川花博园顺利通车。“云轨”银川花博园段采用单根轨道组成环线，总长5.67 km，主要用于服务园区游客，共设8个站，并采用三节编组，现有8辆车投入运营。车地无线业务采用LTE-U网络进行承载。LTE-U网络采取星形组网方式，在控制中心放置两个工业级交换机（A/B网分开），和所有地面基站皆采用光纤直连。在LTE-U基站布放后，A/B双网共有26个地面基站。银川花博园云轨项目至今运行良好，LTE-U网络统一承载方式完全满足业务运行需求。

4 结 论

LTE-U承载轨道交通通信与无线信号业务的效果突出，是城市轨道交通未来无线业务承载的重点选择，在简化维护、降低建设成本和提高效益方面彰显出强大优势。