城市轨道交通长期演进(LTE)综合承载系统的可靠性设计

2018-09-27刘懂懂

城市轨道交通研究 2018年9期

刘懂懂

(宁波市轨道交通集团有限公司建设分公司，315010，宁波//工程师)

车地通信系统是城市轨道交通信息通信网的重要组成部分。车地无线通信主要以WLAN(无线局域网)来承载。但近年来，由于WLAN采用ISM(工业、科学和医学)频段，存在干扰源多、安全性差、可靠性低、切换频繁、覆盖难及移动场景带宽低等问题。为此，研究人员在不断寻求适应性更强的车地无线通信方法。

LTE(长期演进)可提供高速环境下的移动性支持以及综合承载时的业务优先级管理，还可采用一定的安全机制和抗干扰技术，以确保数据传输的可靠性，具有大带宽、高移动性、强抗干扰能力、强扩展性、长区间覆盖等特点。宁波轨道交通建设的车地宽带无线网络使用1.8 GHz(1 790 MHz～1 800 MHz)频段，但受无线频谱资源限制，仅允许使用10 MHz频谱带宽。根据宁波轨道交通的规划，LTE通信网络主要承载CBTC(基于通信的列车控制)及无线集群调度业务。

1 车地无线通信的可靠性要求

CBTC是城市轨道交通核心系统之一，为保障列车的安全运行起到了关键作用，通常称为安全苛求系统(Safety Critical System)。CBTC对车地通信的可靠性和安全性要求极为苛刻。

无线集群业务主要为司机和地面调度人员提供及时、可靠、通畅的语音服务和数据通信服务，从而使城市轨道交通实现集中调度指挥功能。

由于无线集群和CBTC这两大涉及行车指挥的业务均综合承载在同一LTE系统上，故对网络的可靠性要求极高。

2 车地无线通信的可靠性设计

2.1 网络覆盖的可靠性设计

2.1.1 CBTC业务

为确保CBTC业务的可靠性，CBTC系统采取A网、B网完全相互独立的网络架构，从而实现无线信号冗余覆盖。A网、B网形式可为A、B无线双网或A、B双核心网。A、B无线双网分别采用不同的频点进行组网，各自网络内采用同频组网。A无线网络内采用频率为F1的同频组网，B无线网络内采用频率为F2的同频进行组网。无线双网的频率规划示意如图1所示。同时，在每列车的车头端、车尾端各设置1套车载无线设备，其中车头端的无线设备接入A网，车尾端的无线设备接入B网。

CBTC数据传输业务采用双网冗余传输，单网故障状态下，可由正常工作的另一网络完成传输，不影响CBTC系统正常工作。

图1 无线双网的频率规划示例

2.1.2 无线集群业务

由于语音话务的特殊性，无线数字调度业务无法实现双核心网。CBTC业务和无线集群业务均承载在LTE网络系统上，故集群业务要充分利用双网部署提高列车调度的可靠性，需考虑以下几点：

(1) 为保证CBTC业务的安全性要求，A、B网需相对独立，无传输交互。

(2) 语音行车调度可工作在双网的双频点下，如1个频点的基站发生故障，则能自动选择另1个频点基站接入网络，进行相关的语音业务。

(3) 无论语音终端工作在哪个频点上，集群业务都能在2个频点上互联互通。

根据以上要求，确定方案为集群终端(车载通信终端及手持台)在A网开户，根据信号强度随机接入到A网和B网。如果从A网接入，会连接到A核心网，如果从B网接入，也会通过B网基站eNodeB的RAN Sharing(接入网共享)特性路由到A核心网，从而实现非核心网级别的冗余备份(如图2所示)。虽然B网基站接入了2个核心网，但依然会根据不同的业务类型来选择相对应的核心网。例如，将CBTC业务接入B网核心网，将无线集群业务接入A网核心网，从而实现CBTC业务和无线集群业务的相互独立。

注:RRU为射频单元

图2 无线集群业务通信链路

2.1.3 设备布置

2.1.3.1 地下隧道区域

在地下隧道区域，车地无线通信网络使用漏缆覆盖。在车站应设置基站(BBU)设备和射频单元(RRU)。BBU设置于车站信号设备室，RRU设置于隧道壁靠近漏缆位置。原则上每隔1.2 km应设置1套RRU，且应安装在站台附近，小区切换在隧道区域。为增强可靠性，可在单个隧道内设置双漏缆。

由于地下隧道是封闭的长条形空间，且LTE采用1 800 MHz专用频段，故车站两侧双隧道的2个基站小区存在相互干扰，同向隧道中前后同频邻区间也存在干扰。这是需重点考虑的。

首先，分析车站两侧双隧道2个基站小区的相互干扰。当列车停靠在站台时，将同时接收到所处基站小区的信号和对侧站台基站小区的信号。由于室内传播环境与室外微蜂窝、宏蜂窝不同，因此，可选用室内传播模型 Keenan-Motley 进行同频隔离度计算分析。

LIndoor=LBS+k×F(k)+p×W(k)+D(d-db)

式中:

LIndoor——室内传播损耗;

LBS——自由空间传播损耗，LBS=32.5+20lgf+20lgd；其中，f为工作频率；

d——传播距离；

k——穿透的楼层数；

F(k)——楼层衰减因子；

p——穿透的墙壁数；

W(k)——墙壁衰减因子；

D——线性衰减因子;

db——室内转折点。

然后，分析同向隧道中前后同频邻区间的干扰。在隧道环境中，前后相邻基站小区同频，且在基站小区边缘的信噪比最差可达0，若不采取相应措施使同频干扰问题减小，基站小区边缘的无线通信干扰将非常严重，无法满足业务的正常使用需求。一般可通过功控算法、IRC(干扰抑制、合并)技术等来控制及消除。

2.1.3.2 高架桥及地面区域

高架桥及地面区域采用基站+定向天线进行定向覆盖。基站2个端口输出分别连接到双极化天线的2个端口，如果是需覆盖基站两侧的情况，则每端口功分后，连接2个方向天线的端口。RRU的配置与地下隧道相同，原则上每1.2 km设置1套。

2.1.3.3 其他区域

在站厅区域，为提供LTE信号，需对站厅进行室分覆盖，同时提供A、B网的无线覆盖，将RRU放置在通信或信号设备房内，并通过室分小天线提供无线信号。

在折返线及存车线区域，多条轨道并存于1个大隧道中，列车可能距离漏缆较远，从而导致其信号强度变差。因此，在链路预算上需考虑增加隧道的宽度因子。

2.2 传输链路的可靠性设计

为确保基站同核心网，以及基站和核心网同网管间的传输可靠性，应采用SCTP(流控制传输协议)双归属、IP路由备份、链路聚合及IPSec VPN(以互联网协议安全性实现远程接入的虚拟私密网)等多种先进技术，来提升传输网络链路和网管通道链路的可靠性。

2.2.1 SCTP多归属

SCTP多归属中，1个SCTP偶联是2个SCTP端点间的逻辑通道，1个SCTP偶联有2条路径(2个IP地址对)。SCTP偶联中的2条路径可分为主路径和从路径，即在2个SCTP端点间存在冗余传输路径。通常，主路径是激活的。当主路径发生故障时，可激活从路径以传送数据，从而提高容错能力。

配置的SCTP链路本端第1个IP地址和对端第1个IP地址构成主路径，本端第2个IP地址和对端第2个IP地址构成从路径。如图3所示，IP1和IP3、IP2和IP4确定的2条路径分别称作主路径和从路径。初始建立SCTP偶联时，一旦路径连通，则设置路径为激活状态；eNodeB优先选择激活状态的路径进行传输；如果主路径和从路径都是激活状态，则优先选择主路径进行传输。SCTP多归属只支持平行模式，不支持交叉模式。

图3 SCTP多归属链路

SCTP多归属链路状态可分为空闲时和忙时。SCTP链路根据链路状态有不同的通断检测方法，如表1所示。

表1 SCTP链路状态通断检测

2.2.2 IP路由备份

IP路由备份功能可提升IP层的可靠性，可通过设置路由优先级来标志2个备份路由。发送报文的时候，无线基站eNodeB优先选择状态为连通的路由，再从中选择优先级较高的路由。当高优先级的路由出现故障或中断时，则激活优先级较低的路由。

eNodeB支持端口中断时，进行路由备份切换。eNodeB也支持下一跳的路由检测，一旦检测到路由中断则切换路由备份。eNodeB支持的检测手段包括IEEE 802.1ag和BFD(双向转发检测)。

IP路由备份功能中，2个路由的出接口可相同，也可不同。出接口相同的情况下，接口需支持可配置多个IP。

在基站判断主路由故障后，基站的主路由会通过动态路由协议向其他路由器发布主路由不可达信息，且切换到备用路由。当主路由恢复后，主路由需将主路由可用的信息发布给其他路由。

2.2.3 链路聚合

eNodeB可通过以太链路聚合功能增强传输链路和Ethernet端口的可靠性。IEEE 802.3ad中定义了以太链路聚合。以太链路聚合是指将2个或多个以太链路组合在一起，成为1条逻辑路径，以提供更高带宽及更大吞吐量，从而大幅度提升整体网络能力。链路聚合中的任一链路断开时，剩余链路可继续正常工作，从而提高数据传输的可靠性。

2.2.4 IPSec VPN

LTE是全IP网络，而IP传输无法为数据提供机密性和完整性保护。这是由IP自身协议属性决定的。在LTE网络，控制器功能下移到eNodeB，终端数据在eNodeB和EPC(演进分组核心)之间是明文传输的，移动承载建立的过程也是明文传输的，在eNodeB同MME(移动管理实体)、SGW(服务网关)等网元之间，以及eNodeB和eNodeB之间采用Mesh型(网格型)连接，设备在传输层面互连互通，且没有接入认证机制，此外，Mesh网络还开放了多条接口。这些特点增大了网络风险。

对于LTE传输的安全威胁，主要依靠部署IPSec VPN技术对报文进行加密，并对接入EPC的流量作认证，进而保证进入EPC的流量都是来自真实用户的合法流量。

(1) 在EPC与回传网络的边界部署SGW，并终结来自eNodeB的IPSec隧道。此时，X2接口(eNodeB之间接口)的通信，也能通过SGW来建立IPSec隧道，并进行中转。

(2) 由于城市轨道交通的LTE网络中eNodeB数量较多，通过每台设备配置预共享密钥的方式来进行IPSec认证存在困难，通过部署PKI(公钥基础设施)证书系统，为eNodeB及SGW分发、更新证书，实现自动的双向认证。

(3) 通过SGW上的GTP(通用数据传输平台)安全特性，对S1-U接口(eNodeB与EPC间的通信接口)的流量进行GTP检查、过滤和限流，从而降低由GTP协议造成安全风险；同时，开启anti-DDoS软件，以防范来自移动终端的大量非法流量对EPC的冲击。

3 车地无线通信的现场验证

为验证LTE综合承载系统设计是否满足可靠性要求，在宁波市轨道交通1号线二期工程五乡站—邱隘站区间进行了现场试验。试验针对无线场强、信噪比、丢包率、切换时延(地下与地下小区切换、地下与地面小区切换、地面与地面小区切换)等通信指标进行了详细测试，并对其可靠性进行了验证。

3.1 场强和信噪比测试

列车以正常运行速度(约为60 km/h)匀速从邱隘站运行到五乡站，沿途测试参考信号接收功率(PRSR)和信噪比(RSN)，并使用车载终端Netbox平台自带的log文件读取PRSR和RSN的值。测试结果如图4所示。

a) A网PRSR

b) B网PRSR

c) A网RSN

d) B网RSN

由图4可见，A网的PRSR范围为-104～-44 dBm，A网的RSN范围为0～41 dB；B网的PRSR范围为-105～-44 dBm，B网的RSN范围为0～43 dB。测试线路上所有位置的PRSR均高于车载无线接入设备的最小接收功率。这说明车地通信无线信号已充分覆盖全线路，可满足无线通信的可靠性要求。