基于LTE综合承载系统的城市轨道交通集群调度方案设计

戴俊杰

（上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海 200000）

TD-LTE作为我国拥有核心自主知识产权的国际通信标准技术，具有较为成熟的产业链。对比地铁常用的WLAN、TETRA等无线数据传输制式在抗干扰能力、安全性、业务优先级策略、吞吐速率、高速切换能力等方面也具有较大技术优势，契合轨道交通业务承载需求。文章主要研究基于LTE综合承载系统的交通调度。

1 集群调度业务分析

专用无线集群调度系统主要用于列车运行指挥和防灾应急通信，为固定人员（调度员、值班员）和流动人员（司机、维修人员、列检人员）提供相互间的语音和数据通信服务。专用无线通信系统能够为调度指挥提供安全可靠的无线通信，是指挥列车运行的必要专用通信工具。无线调度系统的用户主要包括线网指挥中心调度员、行车调度员、车站值班员、外勤工作人员以及运行线路上的列车司机等。

传统无线调度系统多采用TETRA技术，该方案因技术体制原因，数据能力弱，只能满足日常运营的语音集群调度业务。现阶段，轨道交通行业用户在集群语音业务的基础上，对集群多媒体业务、高速数据业务的需求日益迫切，尤其是以视频调度、数据调度、多媒体调度的需求最为突出。面对用户需求的变化，既有的专用无线系统功能已无法满足用户需求，LTE技术作为一种专门为移动高带宽应用设计制定的无线通信标准，可以较好实现上述功能。

2 基于LTE-M的集群调度

LTE综合承载（LTE-M）系统采用我国具有自主知识产权的TDD（时分复用）-LTE技术，可承载的主要业务包括CBTC列控业务、集群调度业务、列车PIS紧急文本、列车实时状态监测、车载CCTV业务等。

相较于TETRA技术，基于LTE技术的无线宽带集群通信（B-TrunC）系统在保证语音调度服务质量的前提下，带宽更大，能够进一步满足文本、图像、高速数据等调度业务的需求。

LTE（B-TrunC）与TETRA技术对比如表1所示。

表1 LTE（B-TrunC）与TETRA技术对比

3 系统设计方案分析

3.1 系统方案

LTE-M系统需要同时承载CBTC列控业务，根据信号设计要求，LTE-M系统分A、B双网建设。A网综合承载CBTC列控业务、集群调度业务、列车PIS紧急文本、列车实时状态监测、车载CCTV业务；B网承载CBTC列控业务及集群语音业务备份。数据业务的LTE核心网（EPC）由各条轨道交通线独立冗余配置，集群业务的LTE核心网（EPC）在线网中心处统一设置，两种业务通过基站共享方式实现业务流分离。在传输层和核心层，数据业务与集群业务分离，轨行区业务实行综合承载，非轨行区业务主要为集群调度业务，覆盖设备独立设置。针对LTE综合承载网的无线覆盖部分，区间采用泄漏同轴电缆分别馈入A、B网络信号，不进行互馈。

集群业务的LTE核心网（EPC）应实现全网LTE集群调度的互通，考虑大量线路仍使用TETRA网络，为保证线网集群业务互通，LTE-M系统可实现与TETRA网络的语音级互联。A、B网组成如图1所示。

图1 LTE-M系统组成

（1）LTE-M组网。

LTE-M系统基站的组网方式采用基站（BBU）+射频单元（RRU）方案。线路所有车站、控制中心、场段均设置BBU/RRU设备，车站及场段BBU通过有线传输网提供的传输通道与核心网设备相连，RRU采用光纤与BBU直接连接。为实现区间TD-LTE无线信号覆盖，一般采用在区间增设RRU方式，通过RRU将无线信号送入收发信号的漏泄电缆，实现隧道内覆盖。

（2）LTE双网方案描述。

信号CBTC系统需要保证冗余以及单点的故障不影响列车位置的定位。对于行车集群调度业务，尤其是列车的司机调度可靠性，需要在正线上保证单点故障的情况下调度业务能够正常运行。随着全自动驾驶和无人驾驶在上海轨道交通中的应用，LTE网络自身的稳定性、可靠性显得更为重要。

基于需求角度分析，采用LTE系统建设车地无线通信系统时，为增强系统的安全性，建议采用A、B双网冗余设计，两张网络完全独立（包括有线传输网络），并行工作、互不影响。A网用于集群调度、列车运行控制业务、集群调度、紧急文本下发、车辆关键视频监控、车辆状态信息、乘客紧急对讲业务；B网络用于列车运行控制业务、集群调度。

A/B双网的数据业务（包括信号列车运行控制业务、车载视频监控、车辆状态信息、紧急文本下发等）在核心网子系统、车站子系统及车载子系统内各设备设置完全一致，各单点主要设备（车载天线、BBU/RRU、交换机、服务器等）均为两套，双网唯一不同是频段的分配和承载业务的主备功能。A/B双网的集群业务（包括集群调度、乘客紧急对讲业务等）在数据业务设备部署的基础上，由A网在站厅、站台等需要集群业务覆盖的区域设置设备、天馈，B网不进行增设。集群业务核心网子系统为线网级冗余设置，多线共享，以保证线网集群业务的统一管理，减少后续线路建设成本。可设置与TETRA集群系统对接接口，实现与传统TETRA制式业务互联。

（3）QOS设置。

根据业务的重要性和传输性能要求，结合LTE对优先级和服务质量的分类，定义各车地通信业务的优先级和服务质量（延时、丢包等）。将列车运行控制业务的优先级设置为1，即系统中的最高优先级，由于紧急信息在特殊需求的情况下发，因此要求有较高的优先级、较低的时延和丢包率。车辆的视频监控回传定义为较低优先级。

通过对不同的业务划分不同的优先级，可以保证列车运行控制业务传输的高优先级及服务质量（延时、丢包等），在此基础上再进行其他业务的调度传输。

（4）时钟同步。

LTE-M系统采用TD-LTE技术，要求无线帧严格同步，系统同步方式主要有两种。

①卫星时钟同步。

北斗/GPS向全球范围内提供定时和定位的功能，全球任何地点的北斗/GPS用户通过低成本的北斗/GPS接收机接受卫星发出的信号，获取准确的空间位置信息、同步时标及标准时间。系统可在每个基站BBU设置北斗/GPS天线以获取北斗/GPS定时信息。

②传输网络PTP协议同步。

IEEE 1588v2同步方式是基于分组包的同步技术，简称PTP协议，是一种主从同步系统。在系统的同步过程中，主时钟周期性发布PTP时间同步协议及时间信息，从时钟端口接收主时钟端口发来的时间戳信息，系统据此计算出主从线路时间延迟及主从时间差，并利用该时间差调整本地时间，使设备时间与主设备时间保持一致的频率与相位。

考虑工程的实际建设情况，一般在核心网侧安装北斗/GPS天线获取北斗/GPS定时信息，通过支持PTP协议的有线传输网络将信号传送至站场级BBU设备。此外可在BBU设备侧设置GPS天线作为备用时钟源。

3.2 冗余保护

因系统承载了大量行车相关信息的传输，在设计时应考虑具有更高可靠性的方案，降低系统故障概率和有关影响正常运行的随机性。

（1）采用冗余措施保证系统的可靠性及可用性。

（2）采用已被证明具有高可靠性的元件。

（3）采用已被证明具有高可靠性的设计。

（4）避免会中断运行的单点故障。

（5）提供各种故障情况下的“故障操作”能力。

（6）必须具备自诊断及告警功能。

（7）系统能提供可靠的“功能后备”运行方式。

（8）各网元设备本身应具备单板级备份，保证网元内单板故障后不影响正常工作。

（9）组网方案中不允许出现单点故障，需要存在多路径或节点备份。

3.3 频谱规划

2003年工信部（信部无[2003]408号）文件规定，1 785～1 805 MHz频段主要用于本地公众网无线接入，本地专用网也可用于无线接入。将TDD系统5 MHz带宽扩展为20 MHz带宽，1 800～1 805 MHz扩展为1 785～1 805 MHz。

载频中心频率为1 785.125 MHz∶0.25 MHz∶1 804.875 MHz或1 785.25 MHz∶0.5 MHz∶1 804.75 MHz。

LTE-M原则上采用A网（15 Mbps）+B网（5Mbps）构建，站厅集群LTE网采用15Mbps构建。

考虑到1 785～1 805 MHz频段并非城市轨道交通单一业务专用频段，在高架区段会存在受到其他场所同频信号覆盖的影响，同频干扰会对小区吞吐量、覆盖范围产生影响。所以规划LTE频率时，应充分考虑高架区间可能存在的干扰，尽量避免其他LTE系统对轨道交通LTE系统的干扰：

（1）对高架区间预先进行扫频，了解其他LTE系统的覆盖情况、频率使用情况及覆盖功率。

（2）针对其他LTE系统覆盖情况，选择适当无线信号覆盖角度以对抗干扰。

（3）通过适当增加系统输出功率，降低周围其他干扰源的影响。

（4）针对干扰非常严重区域，建议采用行政干涉控制其覆盖范围，降低其对轨道交通LTE系统的干扰。

对于频谱资源协调确实存在困难的区段，以满足集群及信号CBTC业务带宽需求的方式建设，如A网（15 Mbps）+B网（5 Mbps）方式。此条件下区段车载PIS、车载CCTV、车辆信息等需通过其他车地无线传输方案进行传输。

4 结语

随着轨道交通的不断发展，除基础的语音调度功能，轨交运营管理部门对多媒体视频调度的需求也不断增加。LTE技术作为一种通用移动通信技术，不仅能保证语音通信质量，也能满足运营维保人员对图像、视频、文件等多媒体调度功能需求。目前LTE-M作为车地无线传输技术已在轨道交通建设工程中逐渐普及，在应用过程中不断完善和改进，基于LTE-M的集群调度系统能够更好地为轨道交通的安全运营提供服务。