城轨车地LTE-M系统能力受限原因探讨

2021-11-22王立锐

新一代信息技术 2021年18期

王立锐

（安徽电信规划设计有限责任公司，安徽合肥 230031）

0 引言

我国城市轨道交通（以下简称城轨）行业蓬勃发展，据中国城市轨道交通协会（以下简称协会）在《城市轨道交通2020年度统计和分析报告》指出，截至2020年底，大陆地区共有45个城市开通城市轨道交通运营线路244条，运营线路总长度7 969.7 km，日均客运总量达到5 131.7万人次。轨道公司以及乘客对城市轨道交通的运营要求不断提高，列车与地面之间的信息交互需求也在逐渐增加。目前城轨行业车地无线通信系统主要由基于通信的列车控制系统（CBTC）、视频监控系统（CCTV）、乘客信息系统（PIS）、列车运行状态监测系统、专用通信系统等多个部分内容共同构成。车地无线通信系统主要采用数字集群通信（TETRA）、无线局域网（WLAN）、长期演进（LTE）等通信网络制式技术[1-2]。

而当前车地无线通信系统面临着一个重要问题是，受限于移动性支持、传输速率、抗干扰等多种原因，多个车地无线通信系统能力均受到严重制约。具体表现有：视频类数据实时传输性能不好，经常性出现卡顿、花屏、黑屏等现象；其他行业、公众用户等均可能对轨道交通通信系统形成干扰，造成列车紧急停车、大面积晚点等事件，影响轨道交通行车安全；无法实现新闻、天气、通告等多媒体信息的实时画面显示。这些情况的发生在给乘客造成诸多不便的同时，更给轨道运营方带来巨大挑战。

关于城轨行业车地无线通信系统能力受限制的研究还有很多，如文献[3]中对 IEEE 802.11ac版本的测试研究；文献[4]中对不同带宽下LTE网络在中低量轨道交通上业务承载的方案建议；文献[2]、文献[5]探讨了5G技术在城轨行业的应用前景。但大多均为讨论城轨车地无线通信的可行性，均未能反映出LTE-M系统为什么在实际应用中受到诸多制约限制。

如何解决当前车地无线通信系统能力受限情况，适应全自动运行（FAO）线路需求及智慧城轨的发展方向，是城轨行业需要重点关注的课题。

1 车地无线通信系统需求测算

当前城轨车地无线通信系统主要有以下需求。

（1）带宽。上行方向（车-地）。一般轨道交通列车为6节编组，每节车厢客室及列头、列尾的司机室内部均设置2个监控摄像头，此外第一节客室还设置 1个 LCD屏显示状态监测，共计17个视频摄像头；所有摄像头均为720 P高清数字摄像头，采用MPEG-2格式编码，单路视频传输带宽需求约为2 Mbps；因此，若单列车所有监控视频均需实时上传总计约 34Mbps带宽需求。目前城轨行业并不要求每个摄像头的图像实时上传，通常为2路或4路即可；但究其原因还是由于 LTE-M 系统并不能很好的支持全部上传带宽需求，因此在实际应用时不得不对CCTV等大流量的部分业务予以舍弃。实际上，未来城轨行业运营服务的高效化、低成本、高安全性等发展趋势，必然要求所有摄像头均要能够适时上传。

此外，轨道路面监测、紧急呼叫视频图像、列车状态监测及火灾报警系统（FAS）等信息上传预计需6Mbps带宽需求。

下行方向（地-车）。为提供 PIS车载子系统的高可靠性，实现冗余管理，每列车需接收2路占用带宽为8 Mbps的高清视频信号；同时考虑到紧急文本、调度、车辆状态信息等业务下行占用带宽约1 Mbps。

综上，单列列车车地无线通信带宽需求详见表1。

表1 单列列车车地无线通信带宽需求Tab.1 train-ground wireless communication bandwidth requirements of single train

由表1可知，在不考虑乘客上网业务时，单列整车上行带宽需求不小于 40 Mbps，下行带宽需求不小于17 Mbps，合计吞吐率应不小于57 Mbps。按照通信系统设计一般冗余量25%考虑，城轨车地无线通信系统吞吐率应不低于72 Mbps。

（2）时延及丢包率。时延及丢包率对视频播放等业务存在较大影响，时延及丢包率如果过大，会产生视频播放卡顿、花屏甚至黑屏等现象。依据《城市轨道交通车地综合通信系统（LTE-M）总体规范》（T/CAMET 04005-2018）要求，LTE-M系统支持的各类网络业务丢包率均不超过1%、时延一般应控制在500 ms以内，其中CBTC业务的相关要求更高，单路单向传输时延不超过 150ms的概率不小于98%等。

（3）干扰。车地无线通信系统网络环境复杂，包括PIS、CBTC、专用无线通信、公安/消防无线通信、公众无线通信、紧急文本、列车行车综合自动化系统（TIAS）信息等多个系统及业务。各系统、各业务无线网络不能相互干扰，尤其是CBTC列车控制系统，安全性要求非常高。

（4）系统可维护性。部分系统如PIS等直接面向旅客，其系统好坏直接关系到轨道公司的企业形象，无形中也关系着当地及省份的形象；部分系统如CBTC等事关行车安全，对系统稳定性要求极高。因此车地无线通信系统应具备高可维护性。同时，在列车运营期间，因行车需要，隧道内部不能通过人工方式进行检修，因此车地无线通信系统内所有设备均应具备网管在线管理功能，通过远程方式实时查看设备运行状态及告警等信息，从而快速定位并给出解决方案。

2 LTE-M

对于WLAN技术有两个显著问题：时延、干扰，这是由WLAN技术本身的特性决定，目前基于该制式下已应用的多个版本并无很好的解决方案；而且由于其调制方式、编码方式、多址接入、天线分集、信道带宽等原因，802.11、802.11a、802.11b、802.11g、802.11n等版本也无法满足车地无线通信系统容量的需求。行业内关于WLAN技术的原因分析及解决方案的研究非常丰富，但更多以优化为主，偶见的从原理出发的解决方案如TD-Wifi等存在着技术私有化、产业链不丰富等问题。

对于TETRA技术，其主要应用于调度、公安消防等。由于其使用专有频率资源，且一般其系统吞吐量较小，因此对城轨车地无线通信系统整体影响较小。

综上，本文仅针对车地综合通信系统（LTEM）技术，从技术原理出发进行详细分析，最终得出LTE-M系统能力瓶颈的具体原因。

2.1 系统简介

LTE-M 是针对城轨综合业务承载需求的基于具有我国自主知识产权的分时长期演进（TD-LTE）网络系统，可满足 CBTC、CCTV、PIS、列车运行状态监测、集群调度业务等运营安全需要。

2014年开通的郑州地铁1号线是国内第一条采用 LTE技术作为车地无线通信系统的线路。2016年5月，协会发布《关于推荐城轨交通项目新建CBTC系统使用1.8GHz专用频段和LTE综合无线通信系统的通知》（中城轨〔2016〕003号文），建议在2016年及以后新招标的工程项目中采用LTE-M技术规范。

截至目前，协会编制的LTE-M系列规范共由总体规范[T/CAMET 04005-2018]，接口规范[T/CAMET 04006-2018]，设备技术规范[T/CAMET 04007-2018]，测试规范[T/CAMET 04008-2018]，设计、工程规范[T/CAMET 04009-2018]等共计5部分19项组成。

LTE技术是由 3GPP组织制定的通用移动通信系统技术标准的长期演进，是 WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA等 3G（第三代移动通信）技术的后继者，被大众通俗地称为4G，其主要存在时分双工（TDD）和频分双工（FDD）两种模式，其中我国轨道交通车地综合通信系统使用的是TD-LTE。

2.2 带宽

LTE技术具有高移动速度下保持较高性能（最高可支持350 km/h）；灵活的QoS等级策略设计；频谱设置灵活、频谱效率更高；小区干扰协调（ICIC）抑制算法；20 MHz带宽内上下行峰值速率可分别达到50 Mbit/s、100 Mbit/s等优点。

但LTE技术使用授权频谱，带宽资源成为其系统能力的主要限制因素。

2015年2月，工业和信息化部《关于重新发布1785-1805 Mhz频段无线接入系统频率使用事宜的通知》（工信部无〔2015〕65号）规定，将1785-1805 MHz频段用于满足交通（城市轨道交通等）、电力、石油等行业专用通信网和公众通信网的应用需求，接入系统采用时分双工（TDD）方式，信道带宽包括250 kHz、500 kHz、1 MHz、1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz。这一文件规定间接促成了城轨交通项目中 LTE-M 技术的规模应用，同样，该规定中的最大10 MHz带宽要求也是造成LTE-M系统能力瓶颈的关键原因。

2018年9月，协会发布的LTE-M系统规范中，总体规范（T/CAMET 04005-2018）及设计、工程规范（T/CAMET 04009-2018）均同样规定，LTE-M系统配置的信道带宽最大仅为10 MHz。

以上两个文件从根本上造成了全国各城轨行业无论其具有何种频率资源，但LTE-M系统均最大仅能使用10 MHz带宽。

众所周知，依据香农公式，信道容量与信道带宽成正比。而车地无线通信系统需要承载的业务众多，其中事关行车安全的CBTC系统的保障优先级最高，优先占用频段资源，此时，CCTV及PIS等视频业务的大数据流则难以保障。

2.3 系统容量计算

依据3GPP TS36系列协议，LTE系统名义带宽与资源块（RB）数量对应如表2。

表2 LTE系统名义带宽与RB数量对应明细Tab.2 transmission bandwidth configuration NRB in E-UTRA channel bandwidths

LTE系统采用10 MHz带宽，则对应RB数量为50个。每个RB中包括12个子载波，每个子载波占用1个子帧（2个时隙），每个时隙包括7个OFDM符号，每个OFDM符号包含6bit信息（下行64QAM最高调制方式）。

因此，在10 MHz带宽情况下，LTE系统的理论峰值速率为：50（RB数）×12（子载波）×2（时隙）×7（OFDM符号）×6（承载信息bit）×2（多天线MIMO技术）bit/1 ms，即100.8 Mbps。TD-LTE系统无线帧结构，如图1所示。

图1 TD-LTE系统无线帧结构Fig.1 transmission bandwidth configuration NRB in E-UTRA channel bandwidths

每个10 ms无线帧包括2个长度为5 ms的半帧，每个半帧由4个数据子帧和1个特殊子帧组成，总计10个子帧，每个子帧上下行配比方式详见表3。

表3中，“D”、“DL”代表下行传输，“U”、“UL”代表上行传输，“S”代表由DwPTS、GP、UpPTS组成的特殊子帧。

表3 TD-LTE系统无线子帧上下行配比方式Tab.3 transmission bandwidth configuration NRB in E-UTRA channel bandwidths

由此可见，同一带宽下，不同的时隙配比方式对应着不同的上行和下行速率。不同带宽不同的时隙配比对应上下行理论速率详见表 4（因实际最大带宽限制以及使用需求，仅测算 10 MHz和5 MHz情况，其他信道带宽对应的峰值速率可同理计算得出）。

表4 不同带宽不同的时隙配比对应的上下行理论速率Tab.4 theoretical uplink and downlink rates under different conditions

2.4 瓶颈原因分析

由第1章可知，城轨车地无线通信系统单列整车上行带宽需求不小于 50 Mbps，下行带宽需求不小于22 Mbps。

据此查表4可知：若采用TD-LTE系统，应主要考虑配置 0、1、6，同时其带宽至少应为10 MHz。

但实际情况是，3GPP协议规定，LTE系统信道带宽只能是固定的1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz，而允许用于城轨行业的10 MHz需要进行拆分，其中5 MHz用于保障CBTC系统，那么在剩余5 MHz信道带宽的前提下，城轨车地无线通信系统需求无法得到全部满足，尤其是CCTV、PIS等系统中包含视频业务的大数据流量需求，而这也正是LTE-M系统能力瓶颈的具体原因所在。

实际上，由于最为宝贵的专用频率资源的稀缺性，导致了城轨行业车地无线通信系统的改进和优化具有极大挑战，甚至不得不因频率不足而选择其他折中方案或路线。

3 解决思路

如前述，当前城轨行业LTE-M系统的应用因带宽问题产生能力瓶颈。为此，在综合考虑车地无线系统的速率要求、移动性、安全性、实用性、系统复杂程度、产业链丰富程度等因素，提出以下解决思路。

一是推荐5G+LTE方案，即CBTC业务仍由LTE网络承载；其他业务，尤其是高清视频业务，改由5G承载。5G作为下一代通信技术的演进方向，具有大带宽、低时延、高可靠等特性，是LTE技术的更高层次发展，其网络性能能够完全满足轨道交通行业车地无线通信系统各类指标要求；同时 5G也是未来城轨行业智慧城轨领域建设的重要依托，轨道公司可以依托 5G网络切片、边缘计算等能力进行差异化定制组网，采用本方案完全吻合城轨行业的发展方向。

二是建议WLAN+LTE方案，即WLAN承载CBTC业务，通过采取5.8 GHz组网、加装专用滤波器等防护措施以满足CBTC安全性要求；LTE承载大流量业务，使用全部的10 MHz带宽资源。但总体上看该方案是一种倒退，不能适应当前城轨行业的运营发展需要；而且WLAN网络的安全性实现较为复杂。

三是考虑继续采用LTE方案，但频率分配进行重新调整。文献[6]通过测试得出在1.4 MHz带宽配置时，在满足丢包和时延的条件下可承载 3路CBTC业务。此时，可以考虑就剩余频率资源采用5 MHz、3 MHz作带内载波聚合（CA）方式实现近似于8 MHz带宽的效果，从而满足车地无线通信系统需求。本方案实现形式较为简单，组网技术在公用通信运营商层面已有非常丰富的实践经验，但一个显著的问题是带内载波聚合频谱利用率较低，其实际速率需要进一步验证。当然，也可以考虑引入其他频谱资源进行带外CA，但同样存在着需要引入双 RRU+漏缆方式进行复杂的系统部署等问题。