LTE技术在城市轨道CBTC系统的应用与设计

李永龙 张运强

1 中铁第六勘察设计院集团有限公司 天津 300308

2 通号城市轨道交通技术有限公司 北京 100070

正文：

一、概述

随着LTE技术的发展与成熟，在无线传输方面的优势明显，LTE技术在各领域的应用不断展开。城市轨道交通CBTC系统近年得到了迅猛发展，其中它的关键子系统车-地无线通信系统急需得到一个稳定可靠的无线通讯技术提升，以取代不理想的WLAN无线系统的应用，经过大量理论讨论和实验验证，在城市轨道CBTC系统中，LTE技术不但可用且效果很好，有取代应用WLAN的优势，这里就LTE技术在城市轨道CBTC系统的应用与设计与大家分享。

二、LTE原理及技术特点

1、LTE的原理与基本架构

LTE(Long Term Evolution)是由无线接入的蜂窝技术演进而来，在LTE系统演进初期，目标和需求就非常明确的确定为：降低传输时延；提高数据传输速率；扩大系统容量和覆盖；实现运营成本降低。最重要的技术包括更大的宽带（聚合波技术）、多入多出技术（MIMO）、正交频分复用（OFDM）、协作多点（CoMP）发送或接收，中继、家用增强基站（HeNB）和机器类的通信技术等。接入网演进为E-UTRAN（Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network）。

（1）LTE的核心网EPC(Evolved Packet Core)由MME，S-GW和P-GW组成。LTE的网络结更加简单扁平化，组网灵活性好，较大地减少传输时延，组网成本较低。LTE的接入网E-UTRAN由e-NodeB组成，提供用户面和控制面。LTE结构如图1所示。

图1：LTE结构示意图

（2）LTE的网络接口协议包括:

a) 基站（e-NodeB）之间通过X2空口协议进行连接，由X2空口协议支持基站（e-NodeB）之间数据和信令的相互传输。

b) 基站（e-NodeB）与核心网EPC间通过S1接口协议进行连接。其中，S1-MME是基站（e-NodeB）连接MME的控制面接口，S1-U是基站（e-NodeB）连接S-GW 的用户面接口。

c) S-GW和P-GW之间通过S5接口协议连接。

LTE空中接口的分层结构，从下至上分为PHY-MACRLC-PDCP—RRC 等几个层次，其中，PHY属于物理层部分，MAC、RLC和PDCP属于链路层部分，RRC属于网络层部分。如图2所示。

图2：LTE接口分层示意图

2、LTE的技术特点

从LTE的架构与原理也能够体现LTE传输的一些特点，LTE的主要技术特性使其具有更广泛的应用。

（1）应用于城市轨道交通的LTE系统基本信息如下表，包括频率和带宽信息等。

表1： LTE系统无线频带使用情况

信道可使用带宽分别为：1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15 MHz、20 MHz。

（2）LTE系统技术特点

保持既有基站位置不变的情况下，提高小区边缘比特速率及显著地提高频谱效率；

无线接入网的时延低于10ms；

控制面延时小于100ms，用户面延时小于5ms

频谱效率：1.69bps/Hz(2x2 MIMO); 1.87bps/Hz(4x2 MIMO)

用户数：协议要求5MHz带宽时，不低于支持200激活用户/小区；明显降低控制面时延；

系统带宽能够灵活配置，（如1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz带宽）且可以实现支持成对和非成对频谱；

峰值传输数据速率有很大提高。【如20MHz带宽时下行326Mbps(4*4 MIMO)，上行86.4 Mbps (UE: SingleTX)】；

支持增强型MBMS（E-MBMS）效果更好；

LTE系统对低速和高速移动终端都能够提供优质服务，满足速度＞350km/h的高铁提供100kbps的接入服务；

取消电路交换域，其业务在分组交换域实现；

系统结构简单化，低成本建网。

三、LTE在城市轨道领域的应用分析

1、LTE技术在城市轨道领域的应用试验、分析与特点

（1） LTE技术在城市轨道CBTC系统的研究与分析

在我国城市轨道CBTC系统引入初期，主要是引进国外系统，由于这些系统研发较早，车-地无线通信都采用的是WLAN技术，这一技术民用得到了广泛应用，在应用过程中发现WLAN技术应用在城市轨道CBTC系统有技术上的致命弱点，在开阔地带连续的多向的信息传输经常发生信道阻塞而中断通信，列车降级运行，造成晚点现象严重；因WLAN采用的是ISM频段（非授权使用频段），所以经常会受到不明干扰失去车-地通信造成列车降级。这些者严重地干扰了列车正常秩序，尤其在我国城市轨道车流密度大，运力压力大的情况下，尤其显得车-地无线技术急需提高。2014年起，由中国通号、华为公司、中兴公司等技术研发和运用单位联合，对LTE的技术特点和使用特征进行了全面的研究，经过多次多种类试验，将LTE技术应用到城市轨道CBTC系统作为新一代的车-地无线通信技术。经过试验，对LTE系统现场综合测试结果如表2。

表2. TD-LTE无线铁路应用性能测试结果

根据2015年发布的《城市轨道交通CBTC信号系统行业技术规范-数据通信子系统规范》“在非切换区域，CBTC业务的单列车无线网络信息传输上下行总速率不小于1Mbps”，因此CBTC业务传输速率1Mbps即可满足，上下行各分配512kbps考虑，同时综合考虑其它系统业务，城市轨道交通车-地无线通信需求总结见表3：

表3. 城市轨道交通车地无线通信需求

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结合表2综合测试结果和表3中的各系统的数据统计，并考虑今后的技术发展， CBTC、CCTV和PIS系统综合承载时需要15MHz频宽，得出LTE的15MHz频宽的吞吐量（上行11Mbps，下行19Mbps）满足综合承载所需的传输速率（上行8.2Mbps，下行12.8Mbps）。据上分析，通过采用专用无线频段的TD-LTE通信技术，可对城市轨道车-地通信相关系统业务进行统一整合，统一为LTE无线通信的方案完全可行的。

2、城市轨道车-地通信LTE系统特点

A. 容量大、覆盖广：LTE系统可支持相关系统车-地无线通信的统一整合，包括数据、语音和图像等多种信息，可达到平均下行速率＞40 Mbps，平均上行速率＞20 Mbps。

B. 吞吐量高、切换快：LTE系统采用多天线接收分集、上行ICIC等特性实现最大支持15km的小区覆盖；系统采用特有的针对移动用户的算法，实现快速的跨区切换，能够实现漫游时间＜100ms，传输延迟＜50ms。

C. 具有完善的IP传输机制：LTE提供9级QoS保障机制，保证优先级最高的业务在网络出现拥塞时能够优先传输到达目的地，不发生传输中断或数据丢失。

D. 利用多入多出（MINO）技术：保障传输稳定性，无隙移动切换。

E. 利用正交频分复用（OFDM）和小区间干扰协调（ICIC）技术：避免周围干扰和小区间干扰。这对于WLAN是无法做到的。

F. 接收和发送采用三层交换机：使接收和发送数据双方向数据包高速分发；实现隔离广播风暴；能够实现多媒体传输。

G. 频段专用增加无线的可靠性；加大频宽冗余使用，保证车流密度提高时系统的可用性。

3、城市轨道应用的架构

DCS（Data Communication System）系统是城市轨道CBTC系统子系统，包括地面网和无线网， LTE是实现车-地通信的无线网，DCS网络主要为轨旁设备与车载设备提供通信通道。在地铁应用中采用双网冗余设计，分别为A网和B网，且双网络独立运行，CBTC系统组网的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），LTE网络整体架构如图3：

LTE设备从逻辑上分为三个部分：核心层、接入层、终端层。各部分介绍如下：

核心层：包括核心网EPC设备，是无线网的核心部分，完成传输数据的汇聚与分发，全部无线接入数据都要通过核心层与外部系统通信，为移动终端提供可靠的双向数据通信。同时EPC负责整个网络的管理与维护功能。

接入层：包括BBU和RRU设备，提供地铁沿线无线接入服务，上行经有线网接入核心层，完成数据传输功能。

车载终端：由车载无线终端TAU组成，与轨旁通过无线传输数据和命令。

LTE系统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。

正线采用漏缆天线，沿线路分布；车辆段采用定向天线采 用星形分层分布；车辆上采用定向天线；两端双天线分布。

图3 CBTC系统LTE构成系统框图

四、城市轨道CBTC系统采用LTE无线系统设计的应用

城市轨道CBTC系统应用LTE系统已经进行了实物应用，在应用过程中要把好设计关，根据具体城市轨道CBTC系统的要求和现场条件出具针对性设计，设计是应用好的前提。在城市轨道CBTC系统设计时，LTE网作为DCS子系统分部来设计，通常会优先进行边缘速率的仿真和确定（也有通过仿真计算的表格查得）；依据单车车-地通信数据速率和最小列车行车间隔确定使用带宽等；依据工程经验，LTE无线传输的覆盖范围，地面段不大于2000m,隧道内不大于500m的技术特点进行RRU预布；之后需经过多次设计联络由粗到细，逐步确认LTE无线设计方案，及中心、轨旁、转载设备布置设计。

为确保车辆平稳连续运行，LTE无线信号需要覆盖试车线、车辆段、出入段线、正线、折返线、停车线等，LTE无线系统按照以下原则进行设计：

1) 为保证车-地连续无线通信，要保证行车无线全覆盖，无线基站设计布置不应有盲区，且应考虑无线覆盖重叠区合适；

2) 为便于工程实施，双网无线基站采用同站址组网方式；

3) 隧道内有效站台区域无线基站布置应避免遮挡信号机；

4) 无线基站布置须考虑其他无线系统干扰（包括外部干扰）；

5) LTE网双网的基站采取同站址安装，信号经过合路之后馈入到漏泄电缆之中；

6) 在隧道内正线采用漏泄电缆作为LTE设备的发射载体；

7) 在单洞单轨线路，须上下行分别布置基站；

8) 在单洞双轨线路和地面线路，上下行可合用一个基站；

9) 地下双洞线路，上下行线路分开设置基站；

10) 地下单洞双线线路，地面和高架线路，上下行线路合在一起设置基站；

11) 在地铁车辆段以及咽喉区，可以根据实际安装条件，采用定向天线方式星形分布，咽喉区、入库口、库尾三层布置；

12) 对于折返线、停车线，使用功分器将正线信号引入需要覆盖的区域，设计时应适当缩短正线覆盖距离。

另外，在设计时应当考虑城市轨道网路同层换乘的相互干扰问题。同层换乘时，通常使用无线空间隔离的方法；对不同线路LTE无线的发射信号采取等电平配置来解决干扰问题。无线空间隔离的干扰裕量为20lg, 设计时可以考虑降低漏缆安装位置到站台下方，或安装到车顶上方隧道顶部。有效利用站台地面、天花板、屏蔽门、车体等障碍实现空间隔离。隔离度可以达到10～15dB，能够满足LTE无线系统对SINR（信号与干扰加噪声比）裕量的要求。当漏缆安装空间不能满足时，可以考虑缩小同层两条线路的带宽，采用异频配置以减少频率干扰。因异频配置会降低小区容量，需通过缩小站台小区半径来避免同一小区进入过多车辆。这里小区覆盖半径设计应比站台长度略大，可以按照300～400m设计。

经过系统设计最后形成文件：系统结构图（包含车载部分的无线系统通常包含在CBTC系统结构图中）、LTE无线技术规格书（也有包含在DCS系统技术规格书中）、设备平面设备布置图/表，机柜设备布置图等，根据这些文件进一步完成施工图的编制。

五、城市轨道应用的实践及发展展望

LTE无线网络已经得到了重庆5号线的互联互通线实施应用，北京SI磁浮轨道的应用，系统稳定良好。采用LTE无线系统运行线路，完全克服了WLAN无线系统线路列车无线丢失、无线信道阻塞产生紧急制动、降级运行，晚点等严重影响运营的情况。

尤其在互联互通线的应用，说明了LTE无线系统的可以灵活的运用，如不同线路的列车可在同一条线上运行，而不相互产生干扰，提高了列车的可用性。

在SI磁浮轨道的应用进一步说明LTE无线车-地通信对电磁干扰具有很强的抗干扰能力，LTE无线车-地系统具有很强的电磁环境适用性。

由于LTE具有满足信号稳定和高速切换通信能力，对于更高时速列车的适用性是研究和发展的方向之一；城市轨道许多其它需要车-地通信的系统也正在积极进行研发和应用，未来LTE技术在城市轨道领域的应用前景广阔。