基于LTE无线网络的轨道交通综合业务承载研究

2019-02-24谭人升李焱匡奇方王津升

铁路技术创新 2019年6期

谭人升，李焱，匡奇方，王津升

（贵阳市城市轨道交通集团有限公司，贵州贵阳 550081）

0 引言

贵阳城市轨道交通远景规划由9条线路组成，线路长度总计467 km。2013年10月，贵阳地铁1号线土建工程全线开工建设，于2017年底开通运营。地铁2号线信号系统计划采用长期演进（LTE）技术，但目前贵阳市还没有基于LTE的综合承载线路。基于贵阳市的具体情况，研究轨道交通车地无线通信系统及视信系统在贵阳市电磁环境中的工程化问题十分重要。而且，随着LTE技术的发展，基于LTE的综合承载需求在城市轨道交通行业里也越来越紧迫。

基于LTE综合承载CBTC和智能视信系统，在其他城市虽有成功开通的案例，但各地城市轨道交通的情况不同，因此必须结合贵阳地铁的地形和应用情况，进一步研究LTE应用于CBTC和智能视信系统的工程问题。

1 WLAN系统的不足

1.1 抗干扰能力差

无线局域网（WLAN）方案采用2.4 GHz的ISM频段，与城市轨道交通乘客信息系统（PIS）、公众Wi-Fi设备、公众蓝牙（Bluetooth）设备等在同一频段，容易产生干扰[1]，影响列车的安全运营[2]。目前各信号厂商采取的抗干扰技术只能保证内部互不干扰，而对于外部干扰，由于带宽的开放性还没有更好的解决方法。标准2.4G的频道带宽只有3个完全不重叠的频点，即1、6、13信道。目前采取的抗干扰方式是采用正交频分复用等技术的窄带通信技术，将原本20 MHz带宽分为312.5 kHz的子载波。针对外部干扰因素，往往只能和运营商等单位采用频率协商、错频使用的手段来避免，但协商结果往往差强人意[3-4]。

1.2 频繁切换

WLAN方案下，由于轨旁无线访问节点（AP）的发射功率较低，AP的间距一般为220～240 m。目前WLAN方案下列车运行的最高速度为120 km/h，此速度下轨旁AP每隔10 s要切换1次，切换时间在100 ms以内，导致列车在运行中无线切换次数较频繁[5]。并且WLAN方案下轨旁设备较多，维护成本较高，维护工作较繁琐。

1.3 互联互通不易实现

CBTC系统在我国城市轨道交通中得到了普遍应用，目前因各系统供货商都按照各自的产品特点来设置解决方案，采用WLAN私有协议，造成CBTC信号系统架构、子系统之间接口设计、车地通信方式等方面存在不统一，制约了CBTC系统在线路间的互联互通。

2 LTE系统的优势

贵阳地铁1号线是贵阳市首个城市轨道交通项目，通信、信号等专业均采用WLAN技术进行车地无线传输，WLAN技术抗干扰能力差、维护成本高等问题逐渐显现。结合贵阳城市轨道交通远期建设规划，考虑线路互联互通需求，LTE系统相对于WLAN系统具有多方面的优势。

2.1 抗干扰能力强

LTE方案采用1.8 GHz经工业和信息化部批准可用于城市轨道交通的专有频段，从使用频率上根本解决了外系统的干扰问题。LTE技术采用小区间干扰协调（ICIC）技术，可有效降低小区边缘频率干扰，提高小区吞吐率。采用干扰抑制消除（IRC）技术，能够抑制信道相关性干扰，提升上行速率[6]。

2.2 支持高速切换运行

LTE方案下，轨旁射频拉远单元（RRU）设备间距可达1.2 km，大幅减少轨旁设备，降低维护成本，同时也减少了列车终端切换次数。且采用基于频偏的切换技术，可保证高速切换场景下的带宽稳定，能够支持列车200 km/h的高速运行。LTE系统的设备采用电信运营商级别进行设计和生产，设备的可靠性提升，平均故障间隔时间（MTBF）大于100 000 h[7]。

2.3 支持综合承载

LTE系统支持多种带宽分配，包括1.4、3、5、10、15 MHz[8]。各城市可根据综合承载的业务不同，灵活申请带宽、灵活组网。系统会根据组网方式的不同提供不同的传输速率，最大性能地满足业务需求。不同组网方式下的峰值传输速率见表1。

表1 不同组网方式下的峰值传输速率

采用LTE方案能够满足城市轨道交通综合承载的特色，实现智能视信等大数据业务的综合承载，创建更加安全、友好的轨道交通出行体验。LTE可提供9级服务质量（QoS）算法[9]，带宽基于业务需求按需分配，优先保证高等级业务（如CBTC业务）的带宽需求，确保列车安全运行。

2.4 支持互联互通

L T E技术采用成熟完善的第3代合作伙伴计划（3GPP）标准，其中接口、信令流程及网元职责均标准化，具备良好的互联互通能力，为城市轨道交通线路间互联互通提供可靠保证。同时，LTE无线网络的底层设计较为先进，可扩展性较好，为后期网络发展预留充足的接口，可满足后期新的业务需求。

3 贵阳地铁综合业务承载需求

3.1 业务说明

根据LTE综合承载业务的不同，可将承载业务的车地通信网络划分为信息安全网和非信息安全网。基于运营场景考虑，贵阳城轨车地无线通信各类业务的具体传输信息有：列车运行控制业务和智能视信业务。

3.1.1 列车运行控制业务

列车运行控制业务用以传输CBTC实时数据，具体可分为上行和下行业务，此业务属于安全信息网业务。城轨CBTC系统主要包含上下行CBTC业务信息。

（1）列车上行CBTC业务主要包括：车载控制器（VOBC）给区域控制器（ZC）发送的列车位置、移动授权申请、停车保证等信息，VOBC给计算机联锁（CI）的控制命令、列车停稳等信息，VOBC给维护管理子系统（MMS）发送的列车状态及报警信息。

（2）列车下行CBTC业务主要包括：列车自动监控（ATS）给VOBC发送的列车运行控制信息，ZC给VOBC发送的移动授权、临时限速等信息，CI给VOBC发送的状态等信息。

3.1.2 智能视信业务

智能视信系统业务主要包括LTE语音业务、LTE短信息业务、LTE实时视频业务等。

（1）LTE语音业务仅包含以下几类：车站内客服人员间的组呼、单呼；车站内安防人员间的组呼、单呼；车站值班员与车站内移动人员间的组呼、单呼；车站值班员对车站内移动人员的广播；车站/段场/OCC维修人员间的组呼、单呼。上述LTE语音业务在满足原400 MHz专用对讲通信需求的同时，增加了通信可靠性及私密性。LTE语音不涉及行车调度语音业务，原有专用通信系统的800M TETRA调度功能保留不变。

（2）LTE短信息业务：为保证CBTC业务的安全性，LTE短信息业务仅包含无线智能视信系统手持终端（简称手持终端）之间，以及手持终端与无线智能视信管理工作站/服务器之间文本业务的接收及发送。

（3）LTE实时视频业务：仅提供通过手持终端实时采集并传输的视频流。

3.2 带宽需求和性能要求

3.2.1 带宽需求

贵州省无线电管理局已暂时批复1 . 8 G H z（1 795～1 805 MHz）频段中的10 MHz带宽用于城市轨道交通专网，组网方式暂定为：10 MHz频宽分A、B双网（5 MHz + 5 MHz），A网承载CBTC+智能视信业务，B网承载CBTC业务。根据轨道交通运行情况，每个RRU满足至少关联6列列车的运营要求，结合实验室测试以及现场测试，得出综合承载业务的带宽需求（见表2）。短信息业务由控制信道进行传输，不占用业务带宽。

3.2.2 性能要求

按照LTE-M系统承载CBTC业务和智能视信业务，其性能需求如下：

（1）信息传输延迟时间：在单网情况下，信息传输的端到端延迟时间不大于150 ms的概率不小于98%。

表2 综合承载业务的带宽需求

（2）信息传输速率：LTE-M系统为列车运行控制业务每路提供的传输速率上下行分别不小于256 kb/s。

（3）信息传输丢包率：在单网情况下，LTE-M系统信息传输丢包率不大于1%。

（4）通信中断时间：LTE-M系统单网通信中断时间不超过2 s的概率不小于99.92%。

4 实现方案

4.1 LTE无线网络架构方案

为保证网络的可靠性，贵阳LTE测试平台的网络整体方案采用A/B双网冗余覆盖设计，A/B网络均包括无线网和核心网。核心网冗余组网采用2个独立的核心网EPC A/B，A无线网络仅与A核心网通过S1接口相连，B无线网络仅与B核心网通过S1接口相连。不同无线网络的基站A/B分别属于不同的核心网EPC A/B，不同无线网络的基站A/B上配置不同的列车接入单元（TAU）。LTE多业务车地无线通信架构见图1。

4.2 LTE基站站址方案

LTE冗余组网采用同站址双网冗余设计的方式。同站址双网的2层网络覆盖区域基本重叠，每一层网络的覆盖方式、覆盖电平等与普通单网类似。同站址基站的2个小区分配不同频率，相邻的同层小区分配相同频带，即A无线网络使用同一频带，B无线网络使用另一频带。

A/B双层网络采用双网冗余承载方式工作，即A/B双层网络业务不存在主备之分，同时承载业务数据。基站同站址布置可以节省无线信号合路器；无线传输媒介若采用漏泄电缆，打断位置少，对于传输性能有所提升；实施与维护便捷。LTE共站址同频双网频率规划见图2。

图1 LTE多业务车地无线通信架构

图2 LTE共站址同频双网频率规划

4.3 LTE传输网络方案

为确保CBTC传输的安全性和数据的隔离度，一般LTE车地无线系统的传输网络独立建设，采用3层网络方案设计，LTE系统的核心网和基带处理单元（BBU）都连接在这个传输网络上，同时通过IP层协议安全结构（IPsec）的方式与CBTC网络以及PIS网络连接，保证网络的隔离性，确保CBTC传输安全。LTE传输网络连接示意见图3。

4.4 LTE传输QoS保证方案

LTE网络可以根据包括源/目的IP地址、源/目的IP端口号、协议（如FTP或HTTP）等内容，将用户数据映射到不同的承载上。相同承载上的所有数据流量将获得相同的QoS保障，不同类型的承载提供不同的QoS保障。

LTE系统可实现9个调度优先级，并且按照预定义的可能承载业务类型，对应不同的服务质量（延时、丢包等）要求，定义了9个QoS类别标识（QCI），系统根据QCI对应的优先级进行资源分配和调度，优先级数值越小者越可优先保障资源分配和调度。LTE业务服务质量分类需求见表3。基于LTE技术的轨道交通车地综合无线传输平台承载了CBTC和视信业务，各业务的地址解析协议（ARP）分配由高到低。同时，根据各业务对可靠性、时延的要求，系统为其分配不同的QCI，可以满足不同业务的质量要求。