基于LTE的城市轨道交通车地通信综合承载系统分析

2020-01-05胡少杰

通信电源技术 2020年11期

胡少杰，罗辉

（北京城建设计发展集团股份有限公司-云南京建轨道交通投资建设有限公司，云南昆明 650000）

0 引言

城市轨道交通建设是交通事业发展的重要环节。城市轨道交通建设过程中，交通车地通信系统的建设非常关键。综合承载系统（LTE-M）具有抗干扰能力强和承载能力高的优点，可有效满足城市轨道交通建设对车地通信系统的通信需求。现阶段，基于LTE城市轨道交通车地通信综合承载系统的分析研究非常关键。

1 城市轨道交通车地通信概述

城市轨道交通车地通信是轨道交通列车的重要组成部分。城市轨道列车运行中，内部需要控制信息传输，与交通控制中心要有良好的信息通信联系，列车组人员对列车的实时运行状态要有良好的掌握。城市轨道交通车地通信系统是对列车通信功能的实现和对轨道列车通信要求的满足[1]。当前城市轨道交通车地系统主要承载了4项基本业务，包括列车运行控制系统（CBTC）的通信业务、列车运行状态监控系统（TOSM）的通信业务、车辆视频监控系统的通信业务以及轨道交通乘客信息系统（PIS）的通信业务。这4项基本通信业务的实现，对城市轨道列车通信功能的实现有着重要作用。

当前城市轨道交通车地通信系统中，通信功能的实现主要依靠无线局域网技术（WLAN）。WLAN技术具有通信速度快、数据安全以及数据质量高等特点，在当前数据通信领域的应用非常广泛。但是，WLAN无线局域网在实际通信功能实现的过程中具有一定的开放性，且现代社会使用人群和相关设备非常多，导致在城市轨道交通车地系统的实际应用过程中，非工作人群和系统产生的WLAN信号进行数据传输时，极有可能会对交通车信号造成干扰，从而影响整体的数据传输效率。

2 TD-LTE技术

TD-LTE技术是我国自主研发的通信技术。它采用先进的移动通信技术，包括正交频分复用（OFDMA）、自适应调制与解调技术、智能多天线技术（MIMO）、波束赋形技术、分布式发射与分级式接收技术、自适应重传机制（HARQ）以及发射功率自动控制技术，可以很好地满足无线覆盖面积广、终端数量多、速率传输时延小、上行速率高以及安全性高等关键要求，非常适合构建智能无线网络[2]。

当前，TD-LTE技术已经开始在我国城市轨道交通通信工程建设中使用。例如，昆明轨道交通4号线为有效控制解决列车运行数据的高移动性，在通信综合承载系统的建设过程中应用TD-LTE技术构建了基于TD-LTE技术的城市轨道交通车地通信综合承载系统（LTE-M）。

3 综合承载系统（LTE-M）

3.1 系统结构设计

综合承载系统（LTE-M）主要包括LTE-M控制中心系统、设备集中站系统、轨道旁通信系统以及车辆LTE-M通信系统4部分。LTE-M控制中心系统由线路数据处理核心网和网管等组成，城市轨道交通车地通信系统的数据传输网与车站连接，保证其正常通信指令的发出和通信功能的实现[3]。设备集中系统中设置有无线射频基站（BBU），不同的无线射频单元（RRU）与不同的BBU基站连接，提高信号的覆盖面积，加大信号发射的功率。轨道旁通信系统是设置在列车轨道附近的通信信号接收系统，主要由无线射频单元（RRU）、全向天线以及定向天线组成。一般情况下，轨道旁通信系统主要设置在轨道交通的隧道、高架段以及车辆段，实现各个路段的通信功能。车辆LTE-M通信系统也被称为车辆基站通信系统。现代轨道列车中，车头和车尾均设有列车运行控制系统，所以列车车头和车尾也都设有无线终端系统。无线终端系统与轨道旁系统的天线和漏缆连接，实现无线网络的接入。

3.2 专用频段选择

城市轨道交通车地通信系统实现通信功能需要专用的通信数据业务频段。当前的GSM-R铁路使用的通信数据传输频段大部分是900 MHz，但该频段不能有效承载TD-LTE宽带数据移动业务，所以在城市轨道交通车地综合承载系统的（LTE-M）建设中提出对综合承载系统（LTE-M）专用频段的申请。目前，相关部门审批的专用频段包括固定移动用户频段、行业专网频段以及LTE-M专用频段，频段的具体范围分别为1 447～1 467 MHz、1 785～1 805 MHz以及850～5 920 MHz。其中，通信频段中的1 447～1 467 MHz和1 785～1 805 MHz频段均在轨道交通车地通信系统中有所应用。850～5 920 MHz在具体应用过程中对相关硬件的传输损耗较大，其应用还未成熟。

3.3 抗干扰能力设计

城市轨道交通车地通信综合承载系统中，信号数据的通信传输可能受到外界的干扰。对传输而言，降低干扰性，提升自身的抗干扰性，对整个系统通信运行的质量和效率都有重要影响[4]。在当前对城市轨道交通车地通信综合承载系统的分析研究中，根据综合承载系统（LTE-M）的组成结构和网络通信的设计内容，对综合承载系统（LTE-M）的抗干扰能力进行设计。选择使用漏缆全覆盖的方式进行抗干扰性设计。在综合承载系统（LTE-M）中，漏缆属于轨道旁系统的组成部分。与车辆无线网络终端直接联系，提高漏缆的覆盖率，将会在很大程度上提高车辆基站系统中无线网络终端网络连接的效率。采用漏缆全覆盖后，综合承载系统（LTE-M）网络实现全面覆盖，消除了电磁场对综合承载系统（LTE-M）网络的干扰，实现了综合承载系统（LTE-M）电磁场盲区的有效建立。在具体设计中，选择使用双漏缆的布线方式，漏缆与车载天线间的距离为1.7～1.8 m，有效提高通信系统的抗干扰性。

此外，可以选择将列车基站系统中的网络天线设置在车辆底部，利用车辆自身的网络覆盖系统有效阻隔外界的电磁波，从而屏蔽外界干扰，一定程度上提高综合承载系统（LTE-M）的抗干扰性。

4 LTE-M系统性能测试场景设计

4.1 测试场地

LTE-M系统的性能测试直接关系其日后的应用。以昆明轨道交通4号线的LTE-M系统为例，线路测试正线全长为8 632.42 m，轨道列车最大运行时速设计为120 km/h，路段内高架桥长度为786 m，隧道整体长度为930 m左右。试验模拟城市轨道交通车辆的实际运行环境，已达到测试的科学要求。

4.2 测试内容

本次LTE-M系统的性能测试内容主要包括自身的通信业务性能和系统的网络数据传输性能。针对自身通信业务性能的测试，主要测试CBTC、TOSM、CCTV以及PIS传输系统的业务。通过测试系统的网络数据传输性能，解决LTE-M系统数据传输中出现的问题。

4.3 测试网络实施方案

本次LTE-M系统性能测试使用对比的方式进行，选择A、B两种组网方式。其中，A组网方式使用15 MHz的带宽，B组网方式使用5 MHz的带宽。A、B两种组网方式均可以承载CBTC业务信息、列车实时状态信息、车载CCTV监控图像信息以及PIS图像信息（含紧急文本）等。在通信组网方式不同、网络实施方案不同、通信业务功能一致的情况下，测试LTE-M系统通信性能。

4.4 测试结果与分析

在LTE-M系统性能测试中，传输性能主要针对系统传输的延时性、丢包率以及切换延时[5]。在传输延时测试中发现，列车的传输延时一般在10 ms左右，比CBTC业务规定延时小得多。试验中，LTE-M系统的切换延时平均在30 ms，远低于CBTC业务规定的150 ms切换延时。此外，检测丢包率时发现，无论是15 MHz带宽还是5 MHz带宽，测试过程中均没有发现丢包现象，丢包率为0。通过试验检测LTE-M系统的传输性能和承载信息性能，验证了LTE-M系统的通信效率。