基于LTE技术的城轨交通综合承载网络方案

常峰，刘雪萍

（1.中铁二院工程集团有限责任公司 地下铁道设计研究院，四川 成都 610000；2.成都地铁运营有限公司 客运分部，四川 成都 610000）

0 引言

信号系统在城轨交通自动控制系统中发挥着非常重要的作用，控制列车安全、平稳、高速、准时、有序运行。信号系统的核心是列车自动控制系统（ATC），主要包括以下子系统：列车自动防护子系统（ATP）、列车自动驾驶子系统（ATO）和列车自动监控子系统（ATS）。各子系统之间相互配合、联动，中央级和车站级控制、轨旁和车载控制相结合，实现列车运行、行车指挥和运行调整自动化等功能［1-3］。在城轨交通中，信号系统作为安全运营的保障，无论是使用无线局域网（WLAN）还是长期演进（LTE）技术，其数据传输的可靠安全至关重要［4-5］。

宁波市轨道交通3号线1期工程是浙江省首条应用LTE技术综合承载信号和无线集群系统方案的地铁线路，实现了在有限频谱资源（10 MHz）情况下综合承载业务内容以及冗余性设计的创新。经过运营多年的工程实际检验，验证了该创新方案的合理性。

1 WLAN技术的不足

1.1 网络覆盖和漫游问题

基于WLAN技术的无线传输媒介是自然空气，传播过程中衰耗较多。在地下隧道内传播会受到隧道壁的反射，弯道和坡度也对无线传输造成干扰。应用于高架及地面线路时，对周围的环境要求较高，周围有较多高大建筑物时，在传输过程中会产生反射，造成通信传输质量和速率下降。

为了保证在单个无线接入点设备（AP）故障时通信不中断，需要在同一地点设置双网冗余覆盖，相应的光、电缆使用量较多。列车在各AP之间频繁切换漫游，视频流易中断。

基于WLAN技术的车地无线通信系统在传输过程中易发生数据丢包、传输时间延迟，对于高速行驶的列车来说，信号传输的稳定性较差，降低了系统整体的可靠性［6］。

1.2 网络安全和管理问题

基于WLAN技术的信号系统采用基于IEEE802.11协议的2.4 GHz标准开放频段，在这一频段范围内存在很多民用无线设备（如Wi-Fi）。在列车运行过程中使用这些设备，就有可能干扰车地无线通信系统，影响运营安全［7］。

从运营角度而言，AP设备多，则造成管理难度大、维护难度大、故障概率增加。

2 LTE技术的优势

LTE无线通信系统具有数据传输速率高、频谱利用率高、数据传输时延小、移动性能优异、可靠性及安全性高等技术优势［8］。基于LTE技术的车地无线通信采用稀缺的专用频段资源，能够很好地解决传统WLAN技术易受外围无线设备干扰、高速移动性差等问题，极大提升了信号系统的可用性及可靠性。同时，移动闭塞信号系统车地无线子系统的变化，不会造成信号系统结构、配置和功能的改变［9-10］。

LTE技术综合承载相较于系统单独组网，在实现必需业务需求的情况下，更合理优化，更能充分发挥宽带网络的优势，频谱资源也能得到更好利用。

3 LTE综合承载业务分析

3.1 公安通信

公安通信无线系统是专门为地铁安全运营服务的，因其特殊性方面的考虑，采用特有频段，无法纳入综合承载平台。

3.2 民用通信

因为由三大运营商自行建设民用通信无线系统，制式不统一，对于其他城轨交通业务，纳入综合承载平台难度较大。

3.3 乘客信息系统（PIS）和视频监控系统（CCTV）

综合承载PIS及CCTV需占用较大频谱资源，由于频谱资源有限，目前情况是批复给宁波市轨道交通3号线1期工程10 MHz，不能满足大带宽的需求。

3.4 无线集群调度

无线集群调度系统基于地面集群无线电（TETRA）开放标准组网，为调度员、值班员和司机等提供无线通信手段，一般情况下无冗余架构。宁波市无线电管理委员会批复给宁波市轨道交通3号线1期工程的专用频谱只有10 MHz。若考虑将无线集群纳入综合承载平台，5 MHz带宽能够满足综合承载单网通信的需要，并在单网故障情况下，实现基于通信的列车自动控制系统（CBTC）和无线集群系统其中之一能够正常工作，可增强系统的可靠性。

采用10 MHz（1 790～1 800 MHz）构成LTE综合承载系统，按照A、B双网冗余设计，2张网分别采用5 MHz带宽组网，其中A网主要用于承载CBTC和集群调度，B网仅承载CBTC。为进一步确保集群调度的可靠性，实现在A网基站故障时，仍可通过B网基站接入集群终端，最终与A网核心网通信。A、B双网冗余组网方案实现在单网故障情况下CBTC系统不中断，不影响正常行车运营。

根据宁波市轨道交通3号线1期工程批复的频谱资源，以及信号系统双网冗余要求，创新性提出LTE技术综合承载CBTC和无线集群调度方案。

4 宁波市轨道交通3号线1期工程LTE综合承载网络

4.1 LTE有线网络

信号系统的有线传输骨干网络采用单独组网方式，独立设置光纤网络，骨干网节点（或网络交换机）在控制中心、正线设备集中站、车辆段/停车场设置。基于LTE技术的有线承载网采用A、B双网冗余架构，拥有2个完全独立的物理传输通道，在其中任一网络设备出现故障的情况下，切换至另一网络。

物理传输通道的隔离，单网故障情况下的无缝切换，骨干网交换机、核心网交换机、基带处理单元（BBU）等关键设备双电源配置，提高了综合承载网络的可靠性与可用性。

4.2 LTE车地通信无线网络

车地通信无线系统轨旁和车载设备均采用A、B双网冗余设计，2张网络相互独立，且双网采用独立的频率资源，实现双频冗余覆盖（A、B网独立部署所有无线网络单元及链路）。车地通信无线系统除网络级冗余外，还对关键单元的设备或单板进行备份以提升系统可靠性。例如，对核心网、车载无线接入单元进行设备级备份，对核心网、BBU单板1+1备份，当主用单板失效，备用单板能够实时倒换为主用单板。A网作为综合承载网络，部署2套核心网进行设备级备份，分为主用核心网和备用核心网，需同时承载CBTC及无线集群调度系统。

4.2.1 轨旁无线冗余覆盖

轨旁设备包括LTE无线网络的BBU、射频拉远单元（RRU）、功分器、耦合单元、天线、漏缆等。考虑80 m的重叠覆盖距离，如果采用1.8 GHz频段，漏缆传输媒介，RRU原则上可按照1.2 km的间距进行设置，相邻小区覆盖有充分的重叠区域，充分保障了无线网络的覆盖。轨旁无线冗余覆盖方案见图1。

图1 轨旁无线冗余覆盖方案

宁波市轨道交通3号线1期工程区间通过专用漏缆将射频信号辐射和传输，在控制中心大楼、车站附属出入口、站厅层采用天线覆盖，站厅层无线覆盖的RRU位于本站信号设备室。站台区域采用区间两侧漏缆辐射信号覆盖。整个车辆段/停车场区域提供无线信号覆盖，根据车辆段/停车场站场形式，分区域部署RRU用于满足无线信号覆盖。

地下部分采用隧道区间上、下行分别敷设单漏缆方案，A、B网RRU采用1.8 GHz频段的4进4出，使用其中2个合路器分别接左右2个方向，这2个合路器属于1个小区。

在设计过程中经计算发现X站有实体墙的单渡线处无线覆盖信号较弱，无法满足连续式车地通信的需要。为实现信号传输的连续性，在有墙体的单渡线处增设漏缆。地下隧道区间RRU与漏缆连接方案见图2。

图2 地下隧道区间RRU与漏缆连接方案

在高架区段，因上下行轨道间距较小且没有实体建筑隔离，若将上、下行区间分别单独采用RRU进行覆盖，则会产生小区间干扰现象。为避免干扰发生，设计过程中针对上、下行区间单网采用同一个RRU进行覆盖。

在高架区段Y站有1处存车线，原LTE覆盖设计方案为：在存车线外侧以及存车线与正线之间均单独敷设1段漏缆进行无线覆盖，以满足列车正常运营。后期设计过程中考虑到该存车线与正线之间间距非常小，实际可利用的安装空间宽度不到1 m，即使按照限界要求漏缆安装完毕，今后运营维护也极不方便。而且，当存车线停放列车时，存车线外侧LTE漏缆信号被停放列车遮挡，正线运营列车无法接收LTE漏缆信号。综上所述，在高架段限界较小的存车线处，取消存车线与正线之间的漏缆敷设，改为天线覆盖方式。高架区段RRU与漏缆连接方案见图3。

图3 高架区段RRU与漏缆连接方案

4.2.2 车载设备

车载设备由车载无线单元、路由器、无线装置（收发器）及天馈系统等组成。车辆的前后两端车载设备通过车上的有线局域网连接，在A、B网同步工作的同时，也具有热备功能。

每列车的车头、车尾各部署1个车载接入单元（TAU），2个TAU分别注册到A网和B网。车载信号设备通过车载TAU与轨旁设备（ATP/ATO等）建立通信。车载设备将发送2份相同的数据，经由列车两端的TAU分别同时向轨旁A网和B网发送信息。同理，轨旁设备也发送2份数据，并同时经由列车两端的TAU向车载设备发送信息，实现连续数据传输的冗余，当车头或车尾TAU单个故障时不影响车地无线通信的数据传输，实现车地无线通信链路冗余。

4.3 车站LTE综合供电方案

LTE同时承载了CBTC以及无线集群调度系统，设计中考虑了综合供电的冗余方案，车站LTE综合供电方案见图4。

图4 车站LTE综合供电方案

A、B网设备的综合供电方案具体如下：

（1）A网交换机、BBU及RRU设备由本站通信电源供电；

（2）B网交换机、BBU及RRU设备由本站信号电源供电；

（3）A网室分RRU、固定台、调度台及语音网关由本站通信电源供电。

按照综合供电方案分析电源故障对系统的影响如下：

（1）若存在信号输入单级电源故障，LTE-B网失电导致无法正常工作，无线集群调度系统可以利用LTE-A网进行通信，此时不会影响无线集群调度功能；

（2）若存在通信输入单级电源故障，LTE-A网失电导致无法正常工作，其承载的无线集群调度故障，CBTC可以利用LTE-B网进行通信，不会影响CBTC信号系统。

为满足地铁设计规范中关于不间断电源设备对LTE部分供电时间不少于2 h、信号系统供电时间不少于0.5 h的要求，采用分时下电的方式实现该要求。当2路市电出现异常时，蓄电池开始供电，下电计时监控单元开始工作，若在计时过程中市电恢复正常，下电计时取消。若在计时过程中市电仍然处于故障状态，下电计时时间到0.5 h，输出下电驱动指令，断开断路器，完成所有0.5 h负载设备下电。

综上所述，采用综合供电方案保证了LTE设备的供电冗余性，在单级电源故障情况下，实现任一CBTC和无线集群调度系统的正常工作，该方案进一步提升了综合承载网络的冗余性。

5 结束语

随着通信、计算机、控制（3C）技术的迅速发展，传统基于WLAN技术的车地无线通信已经不能满足城轨交通信号系统对大带宽和安全性等各方面的需要，LTE技术在城轨信号系统中的应用日益增多，将成为城轨车地无线通信的发展趋势。对具体综合承载方案进行论证，提出基于LTE技术的城轨交通综合承载网络方案，实现在有限频谱资源（10 MHz）情况下综合承载业务内容以及冗余性设计的创新。双网独立组网的架构，从板卡级冗余到系统级的多级冗余，地下隧道到高架区段的适应性无线覆盖方案，相互交叉的综合供电冗余方案设计，以及浙江省首条LTE综合承载CBTC和无线集群方案的宁波市轨道交通3号线1期工程的成功应用，都体现出该综合承载网络方案的合理性、可行性和可靠性。