城市轨道交通LTE-M系统冗余配置研究

丰 磊

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

1 概述

目前城市轨道交通车地通信主要采用城市轨道交通长期演进系统（Long Term Evolution-Metro，LTE-M）实现，长期演进系统（Long Term Evolution，LTE）是基于3GPP标准的广域无线技术体制，利用正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）和多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）等关键技术，显著提高频谱利用效率和数据传输速率，并可支持1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz多种带宽分配方式。在抗干扰性、安全性、传输速率、延时、通信质量等方面优势明显。

2016年城市轨道交通协会推荐采用LTE-M技术承载基于通信的列车自动控制（Communication Based Train Control，CBTC）系统，这对LTE-M系统的安全性，设备的可靠性提出了更高要求。为保障LTE-M系统的稳定性，满足CBTC和综合承载业务需求，降低LTE-M系统故障对列车运行的影响，LTE-M系统需考虑设备冗余配置。

2 网络级冗余配置

LTE-M系统在进行综合承载时，承载的主要业务包括：CBTC列车运行控制业务、集群调度语音业务、乘客紧急呼叫及列车广播业务、列车紧急文本下发业务、列车运行状态监测业务、车载视频监控业务、PIS视频业务、集群调度视频业务等。其中CBTC列车运行控制业务和列车运行状态监测业务与列车的运行直接相关。一旦这两个业务出现问题，将导致列车紧急停车，严重影响轨道交通线网的行车秩序和生产安全。

对于列车运行直接相关的业务，LTE-M系统采用A、B双网的建设方式进行冗余组网，A、B两张网络完全独立，并行工作，互不影响。利用网络级冗余保护机制，提高业务的可靠性。组网示意如图1所示。

网络级冗余组网架构共分为4层。

1）中心设备：A、B核心网设备分别连接A、B传输网络，同时连接至各自的业务平台，A、B网同时承载列车运行直接相关的业务。

2）车站设备：车站设备主要为分布式基带处理单元（Building Base band Unite，BBU），A网BBU通过A网传输网络连接到A网核心网。B网BBU通过B网传输网络连接到B网核心网。传输网络通过VLAN划分或物理形式相互隔离。A、B网BBU可采用同站址设置或隔站址设置方式。

3）轨旁设备：轨旁采用射频拉远单元（Remote Radio Unite，RRU）+漏泄同轴电缆方式覆盖，RRU采用同站址方式进行设置，A、B网覆盖区域完全相同。A、B网使用不同的频段，实现异频组网。A网RRU通过光纤接入到A网BBU。B网RRU通过光纤接入到B网BBU。A、B网RRU通过合路器将信号合路后馈入漏缆进行覆盖。

4）车载设备：在列车上部署A、B网两个车载接入单元（Train Access Unit，TAU），同时收发双份列车运行直接相关的业务。

3 设备级冗余配置

3.1 核心网层配置

LTE-M系统A网核心网设备一般设置于主用控制中心，B网核心网设备一般放置于车辆段的备用控制中心。A、B核心网设备包括分组核心网（Evolved Packet Core，EPC）、核心路由器、核心交换机等。核心网层面的设备及冗余配置主要考虑因素如下。

1）全业务功能考虑

当LTE-M系统A网作为综合承载业务网时，一旦发生核心网设备级故障，由于网络级冗余配置，B网仍在运行。对于列车运行直接相关的业务，不会受到影响。但A网承载的其他类型业务，如车载视频监控业务，PIS视频业务等生产业务，将会受到影响，导致全线无法调看车载视频，列车PIS业务出现花屏、卡顿等问题。

2）异地容灾角度考虑

为了避免在控制中心因各种原因发生事故、造成全面瘫痪时退出运行而造成运营指挥的中断，需考虑设置备用控制中心，以保证在主用控制中心因故退出运行后，能够实现在短期内应急替代控制中心行使线路运营调度的基本职能。

基于以上两点考虑，应在备用控制中心设置A’核心网设备，当A核心网设备无法正常工作。A’核心网设备可升级为主用核心网设备，并向基站发出链路切换通知，A’核心网将继续工作，将核心网设备级故障影响降到最低。核心网层面的设备级冗余配置组网示意如图2所示。

图2 核心网层冗余配置组网示意Fig.2 Schematic diagram of core network layer networking of redundant configuration

路由器-A及路由器-A’为业务系统提供链路，供业务系统接入使用；通过交换机-A和交换机-A’之间的高可靠性连接通道互联，实现主用中心EPC-A与备用中心EPC-A’之间的心跳报文传输及归属用户服务器（Home Subscriber Server，HSS）用户数据的同步。交换机的状态与本地EPC状态保持一致；通过启用路由器协议，主备中心两台路由器倒换与主备EPC倒换相互独立，互不影响；BBU分别与EPC-A及EPC-A’两套核心网建立连接，BBU根据权重选择EPC，默认情况下主用中心的EPC权重高，为主用设备，BBU选择主用中心的EPC进行数据传输。

当主备核心网层面的设备发生故障时，LTE-M主备核心设备工况统计如表1所示。

表1 LTE-M主备核心设备工况统计Tab.1 Operating condition statistics of LTE-M main and standby core equipment

通过以上分析，A网核心网设备采用设备级冗余配置，虽然存在增加设备投资的弊端，但从业务全功能实现及异地容灾角度考虑，当LTE-M系统主用控制中心A网设备出现故障、断电或整体退出服务时，设置在备用控制中心的A’核心网设备可不受影响，接替主用控制中心A网的全部业务。

3.2 车载接入层配置

在每一辆列车上部署两台A网TAU设备，分别设置在车头和车尾，两台TAU为设备级冗余配置，互为主备，分别承载非列车运行直接相关的业务，如车载视频监控业务，PIS视频业务等。当主用TAU设备出现故障时，备用TAU继续工作，不会影响相关业务数据传输，如图3所示。

图3 车载接入层组网示意Fig.3 Schematic diagram of onboard access layer networking

4 板卡级冗余配置

4.1 核心网设备配置

LTE-M系统EPC采用先进电信计算架构（Advanced Telecom Computing Architecture，ATCA），由电源模块、风扇、交换板、业务板等构成。业务板承载了数据网关xGW（含S-GW、P-GW）、移动管理实体（Mobility Management Entity，MME）、HSS、集群控制实体（Trunking Control Function，TCF）、集群媒体实体（Trunking Media Function，TMF）等网元。EPC内所有硬件单板均采用1+1配置方式，并且支持热插拔功能。当其中一个板卡出现故障，另一块相同功能的板卡将继续运行，不会影响系统正常运行。

核心网交换机及路由器的板卡、电源等也采用冗余配置的方式，关键板卡的主备倒换不影响业务数据转发，并且支持热插拔，全面保证系统的高可靠性，如表2所示。

表2 核心网交换机及路由器板卡冗余配置Tab.2 Redundancy configuration of core network switch and router board

4.2 基站设备配置

LTE-M系统基站采用分布式的架构，其中室内BBU单元为可扩展式设计。BBU主控板、电源板均采用1+1的冗余配置方式，基带板采用1：1的冗余配置方式。BBU冗余配置如图4所示。

图4 BBU板卡冗余配置Fig.4 Redundancy configuration of BBU board

主备主控板连接至传输网络，当主用主控板或主用S1链路出现故障时，备用主控板及备用S1链路启用，继续提供数据传输通道。

同样，RRU通过Ir接口光缆连接至主备两块基带板上。当主用基带板发生故障时，备用基带板启用，从而提高数据承载的可靠性。

5 LTE-M系统冗余配置建议

结合实际城市轨道交通项目现状，根据承载业务的不同，可选择不同的LTE-M系统冗余配置方式。

只承载CBTC等与列车运行直接相关的业务。列车运行直接相关业务在数据传输时延、丢包率、上下行速率等方面均有明确的性能要求，必须保障业务的指标要求。LTE-M系统应采用网络级及板卡级冗余配置方式，来满足列车运行直接相关业务对LTE-M系统的高可靠性要求。

只承载车载视频监控、PIS视频等生产类业务。此类业务为生产业务，不会直接影响列车运行。应考虑在板卡级冗余配置的基础上进行设备级的冗余配置。满足异地容灾部署及核心网设备出现故障后，依然能够保障业务功能的需求。

综合承载类业务。此时LTE-M系统承载的业务既包括列车运行直接相关业务，也包括生产业务、维修类业务等。应根据城轨运行场景分析、可靠性分析及建设成本等综合考虑LTE-M系统冗余配置。建议采用网络级、设备级、板卡级3种冗余配置方式，保障所承载业务的可靠性及安全性。

6 结束语

采用LTE-M作为城市轨道交通车地无线通信技术已经成为业界主流选择。在LTE-M系统设计及建设前就应该考虑网络架构及系统冗余配置机制。LTE-M系统冗余配置的实施需要多种技术手段相互配合，也需要综合考虑各个设备的故障率、系统宕机危害等级、故障恢复时间、投入成本等因素。在投入产出比合理的前提下，通过高可靠的LTE-M网络架构将大大提高LTE-M技术在轨道交通领域的适用性及安全性，降低运营风险及维护成本，使LTE-M系统更好地满足城市轨道交通车地无线通信的需要。