LTE系统在地铁专网中的应用与发展

2019-07-23潘文

通信电源技术 2019年6期

潘文

（南京地铁运营有限责任公司，江苏南京 210012）

0 引言

地铁通信是保证城市轨道交通行车组织和安全的重要手段，主要完成调度员与列车司机之间沟通、行车指令下达、监视列车运行、客流情况分析及票务数据分析等。

地铁通信主要是传送语音业务、数据业务及视频业务，早期都是通过2 M通道和以太网通道进行传输，需要的带宽小。近年来，由于视频信号由原来的模拟信号发展成现在的高清数字信号、模拟语音发展成现在的数字视频通话等，因此需要的带宽越来越大，对稳定性的需求也越来越高。随着4G网络技术的不断成熟，LTE系统慢慢进入了地铁通信行业。2017年，南京地铁宁高线首次引入LTE系统，主要为信号CBTC、车载视频、车载PIS及TCMS业务提供无线传输通道。

1 系统组成

南京地铁宁高线LTE系统设备为满足信号CBTC的高可靠性要求，设计了A、B双网，因此由2套设备组成，每套系统设备主要由控制中心设备、车站/车辆段设备及车载终端设备组成。

1.1 控制中心设备

A、B网中心设备主要由核心网设备、路由器、LAN交换机、网管设备、U2000服务器、CBTC服务器及ATOM GPS组成[1]。

核心网设备主要由交换单元、操作维护单元及机框管理单元组成，提供签约数据、鉴权、会话、承载设备管理及数字集群业务等相关功能。

路由器主要连接外接的专业设备，如集中告警服务器、CBTC服务器、CBTC交换机及时钟系统等，用于不同网络之间的通信。同时，路由器需与LAN交换机相接。

LAN交换机主要连接LTE系统内部的设备，如核心网设备、网管服务器、网管终端及车站设备等。

网管设备包含网管服务器和网管终端，主要负责对无线系统网络核心网设备、BBU、RRU及车载专用终端设备TAU进行集中监控和操作维护管理。

U2000服务器主要是为满足对LTE系统中的路由器、LAN交换机、车站接入交换机进行实时管理和监测设置，主要完成路由器和交换机设备运行状态的实时监控、历史告警记录的统计及网络管理用户的管理等功能。

CBTC服务器主要是对信号CBTC业务流进行抓包，出现故障时可进行数据核对。

ATOM GPS将GPS模拟信号转变成1588V2光信号传输给网络设备，满足无线帧严格同步的要求。

1.2 车站/车辆段设备

A网车站/车辆段设备主要由交换机、BBU及RRU组成，B网车站/车辆段设备主由BBU和RRU组成。

交换机的主要功能是将所有车站/车辆段与中心连接起来组成A网环网，完成BBU与核心网之间的通信。

BBU基带处理单元主要完成业务接入、基带信号处理及操作维护控制等功能。

RRU射频拉远单元一般安装在区间轨旁，每隔1.2 km安装一台，主要完成信号的变频和功率的放大等功能。

1.3 车载终端设备

车载终端设备主要安装在列车的车头和车尾，主要由交换机、AB网TAU、合路器及天线组成。

交换机主要用于连接B网的车载监控、车载PIS及TCMS业务。

TAU作为宽带接入终端设备，通过TD-LTE网络连接地面和列车，完成CBTC、车载PIS及TCMS车载监控等业务的可靠传输。

合路器主要用于将车头AB网TAU和车尾两个B网TAU过来的信号进行合路，并分别送至车头车尾的天线。

天线安装在车头车尾的左右两边，同时与TETRA系统共用车头车尾的车顶天线，主要完成信号的发送和接收。

2 设备组网

2.1 控制中心设备组网

控制中心有两套设备，一套是A网设备，一套是B网设备，设备组成基本一致。A、B双网相互独立工作，如图1所示。

A网主要单独为信号CBTC提供通道，LAN交换机与各车站交换机组成的网络为A网车站BBU与中心A网核心网提供链路通道。

B网主要为信号CBTC、车载PIS、车载视频及TCMS提供通道。由中心传输Xtran节点箱与车站/车辆段传输Xtran节点箱组成的传输网络为B网车站BBU与中心B网核心网提供链路通道。

2.2 车站设备组网

车站设备A、B网组网的区别在于A网是通过车站NE05E交换机将各站的BBU设备进行连接组网，而B网通过传输Xtran节点箱将各站的BBU设备进行连接组网。车站BBU与区间的RRU通过光缆进行连接组网，如图2所示。

图1 控制中心设备组网图

图2 车站设备组网图

区间A网和B网RRU的信号通过合路器进行合路，然后通过漏缆进行信号覆盖。宁高线区间存在U梁、箱梁及路基土建。U梁区间采用上下行共用一个A网RRU和一个B网RRU，设备放至上下行中间。箱梁和路基段区间上下行各安装一个A网RRU和一个B网RRU，设备分别放至上下行两边。

A网在其中一个车站安装了ATOM GPS，提供1588V2时钟信号。

2.3 车载设备组网

车载设备主要分为车头和车尾两部分，并通过工业级交换机进行连接。车头为奇数端，主要由两台B网TAU设备、车载合路器、工业级交换机及天线组成。其中，一台B网TAU专用于连接CBTC业务，另一台B网TAU用于连接工业级交换机；工业级交换机用于连接TCMS业务、PIS业务及车载CCTV业务；车载合路器用于连接两个B网TAU设备、车底天线以及与800 M无线共用的车顶天线。车尾为偶数端，设备数量与车头一致，唯一不同的是两台TAU设备分A网、B网各一台，A网TAU专用于连接CBTC业务，B网TAU用于连接工业级交换机，如图3所示。

2.4 与其他业务系统之间的接口

LTE系统与PIS系统之间的接口：（1）在控制中心，LTE系统通过标准的10/100 Mb/s以太网电口与PIS系统互联；（2）在列车上，LTE系统通过标准的10/100 Mb/s以太网电口与PIS系统互联。

LTE系统与车辆TCMS系统之间的接口：（1）在控制中心，LTE系统通过标准的10/100 Mb/s以太网电口与车辆TCMS系统互联；（2）在列车上，LTE系统通过标准的10/100 Mb/s以太网电口与车辆TCMS系统互联。

LTE系统与CBTC系统之间的接口：（1）在控制中心，LTE系统通过标准的100/1 000 Mb/s以太网光口与CBTC系统互联；（2）在列车上，LTE系统通过标准的10/1 00 Mb/s以太网电口与CBTC系统互联。

LTE系统与车载视频系统之间的接口：（1）在控制中心，LTE系统通过标准的10/100 Mb/s以太网电口与车载视频系统互联；（2）在列车上，LTE系统通过标准的10/100 Mb/s以太网电口与车载视频系统互联。

图3 车载设备组网图

3 在南京地铁应用过程中发现的优缺点

3.1 应用过程中发现的优点

第一，更高的带宽，业务传输无卡顿现象。例如，地铁其他线路采用非LTE系统通信方式上传车载视频，图像会出现卡顿现象，图像数量也受到限制。采用LTE系统上传车载视频时，基本不存在图像卡顿现象，即使上传图像数量达到8路，也能正常上传。

第二，采用漏缆覆盖，区间信号稳定。地铁其他线路采用AP天线通信方式，受线路弯曲和震动等因素的影响，信号的专业无线业务丢失现象较严重。采用漏缆进行覆盖，信号传输稳定。

第三，组网方式简单。中心与车站设备房硬件设备少，设备组网比较简明，方便硬件故障的原因查找和维护。

第四，实现综合业务承载。传统地铁建设中，区间一般要建设多个无线网络用于各种业务传输。宁高线PIS、CBTC、TCMS及车载监控都通过LTE网络进行传输，节约了大量成本。

3.2 应用过程中发现的缺点

第一，区间设备多，维护保养困难。区间基本每隔1.2 km就要设置RRU设备，宁高线基本为高架和路基段，且区间线路长，当区间设备发生故障时，夜间处理时间不充足。

第二，室外RRU设备防水级别不够。正常地铁都是在隧道里安装设备，未涉及到防水问题。但是地面和高架的设备防水不能按照隧道的标准来执行，应该按照室外防水标准执行。使用宁高线过程中发现，经长时间的气候因素影响，出现射频线接口防水胶开裂进水现象，进而导致驻波比变大。

第三，高架和路基段易受同频段干扰。中华人民共和国工业和信息化部发布1 785～1 805 MHz频段应用于交通（城市轨道交通等）、电力及石油等行业。如果地铁都是地下区间，基本不存在干扰问题。宁高线是高架和路基段组成，因此存在同频干扰问题。目前，通过区间信号检测，发现明觉站附近存在同频信号，经查找发现是电力的无线基站。由于距离远，电力无线基站的信号强度没有地铁的信号强度强，尚未给地铁运行造成影响。但是随着4G网络的普及，后期还会有更多其他行业在地铁附近使用同频信号，需沟通好干扰频段避让。