LTE-M技术在大连地铁13号线信号CBTC系统的规划研究

王文明,杜晓菲,万 霞

(大连地铁运营有限公司,辽宁 大连 116000)

0 引言

当前,城市轨道交通车地无线通信设备多数采用2.4 GHz的WLAN技术。WLAN技术的工作频段为2.4 GHz公用频段,很难保证通信信息传输的稳定性和持久性,特别是随着智能设备的应用普及,智能手机、无线蓝牙耳机、智能手表等无线设备都会给地铁信号车地通信的稳定性带来巨大挑战。近2年,城市轨道交通车地无线通信系统受网络干扰问题时有发生。以大连地铁为例,地铁1、2号线车地无线通信由于受网络干扰,导致列车运行多次发生突发紧急制动,特别是客流量较大的车站,比如地铁1、2号线西安路站,对轨道交通的稳定运营造成了不利影响。因此,在工信部〔2015〕65号文《工业和信息化部关于重新发布1 785～1 805 MHz频段无线接入系统频率使用事宜的通知》中,为满足轨道交通无线通信网络的需求,解决2.4 GHz无线干扰问题,建议轨道交通构建1 785～1 805 MHz无线通信频段[1]。目前,基于LTE-M技术的信号车地无线通信系统在地铁13号线的实际应用中运行稳定。

1 大连地铁13号线信号DCS系统介绍

大连地铁13号线分散控制系统(Distributed Control System,DCS)采用双网冗余设计,A网和B网是完全相同并且独立的网络,双网硬件独立,互不影响,每一个网络都要包括轨旁有线设备、车载设备以及车地无线设备。系统包括有线通信部分和无线通信部分,其中有线通信部分是基于IEEE802.3以太网标准,无线通信部分采用分时长期演进(Time Division Long Term Evolution,TD-LTE)技术,均使用在业界较为成熟的通信设备。DCS子系统的车地无线通信网是沟通车载数据通信网与轨旁网络的渠道,实现车地之间的双向通信。13号线DCS系统共有20 MHz频宽可用,A/B网各使用不同的5 MHz网络频宽。

1.1 LTE轨旁环网

轨旁有线网络采用以太网标准IEEE802.3。在控制中心、设备集中站、车辆段设置环网传输节点,环网节点之间由工业级交换机相连,组成RRPP环网,环网收敛时间<50 ms;非设备集中站的交换机通过光纤连接到所属联锁区的集中站环网节点上。控制中心和二十里堡站的交换机分别作为环网的主用网关和备用网关,A/B 2张网互相独立冗余。

1.2 LTE车地无线网络

车地无线通信网络采用双网冗余架构,A/B双网覆盖承载信号系统车地通信业务。轨旁通过漏缆实现无线网覆盖,提高了LTE无线信号覆盖质量。LTE无线通信网络提供上行、下行各不小于3 Mbit/s的信息传输速率。

LTE车地无线通信网络由EPC核心交换机、轨旁基站系统以及车载终端设备组成,其中轨旁基站系统由基带单元(Building Baseband Unit,BBU)以及远端射频单元(Remote Radio Unit,RRU)构成。BBU及RRU数量设置需满足线路运行条件,支持多列车在运行时车载接入单元(Train Access Unit,TAU)的自动切换、无缝连接。RRU通过合路器汇接漏缆,最终实现轨旁无线网络的覆盖。

1.3 核心网设备EPC

LTE技术的核心部分就是电子动力控制(Electronic Power Control,EPC)系统,在整个网络架构中作用至关重要。为保证信号CBTC系统的安全稳定运行,分别于控制中心和车辆段配置2套核心网设备,双网冗余并行独立,采用不小于3 Mbit/s的传输速率。EPC单网出现故障后不影响列车正常运营。

核心网EPC交换机通过有线传输网络(环网交换机)与基带BBU进行通信,建立S1接口,通过网管设备监控全网设备的运行情况。

1.4 时钟同步服务器

LTE-M技术要求基站时钟保持同步,不同基站之间的频率必须同步在一定精度之内,否则就会出现丢包、延时。地铁13号线LTE采用了GPS/北斗+时钟同步服务器1588V2的高精度时钟同步解决方案,单个基站GPS出现问题后,基站设备将同步交换机传递过来的1588V2时钟信号,保障运行。

1.5 LTE系统基站

LTE基站由BBU设备及RRU设备构成。BBU部署在各设备集中站,通过有线传输网络与核心网交换机相连。RRU沿线路进行部署,包括车站、区间、岔区、折返线、车辆段及出入段线等需要计算机控制列车传输系统(Computer-based Train Control,CBTC)覆盖的所有区域。RRU通过光纤与集中站BBU相连。无线网络的部署使用了漏缆覆盖,上下行各敷设一根漏缆,通过合路器将信号馈入RRU,避免了无线信号的泄露,有很强的抗干扰性。

1.6 LTE车载设备

地铁13号线列车支持CBTC模式下的列车自动驾驶(Automatic Train Operation,ATO)、列车超速防护系统(Automation Train Protection,ATP)模式运行。车载无线网络提供车载设备间通信接口,车载交换机遵循国际通行的IEEE802.3u和802.3x协议,为车载设备提供10 M/100 M以太网接口。车载通信网由TAU、TAU天线及车载交换机组成。TAU天线采用鱼鳍天线和板状天线,分别安装在车顶和车底。列车两端的无线设备互为A/B网冗余设计,一端出现故障后不影响车地通信功能,不会对列车运行造成影响。

1.7 频率规划

地铁13号线无线通信频率规划方案采用工信部建议的交通行业专用频段1.8 GHz(1 790～1 800 MHz),A、B双网各采用5 MHz频宽,并行工作。A网使用1 790～1 795 MHz带宽组网,B网使用1 795～1 800 MHz带宽组网。A/B双网带宽及速率如表1所示。

表1 A/B双网带宽及速率

2 LTE方案的应用优势

下文将结合LTE与WLAN 2种方案在大连地铁不同线路之间的应用,分别在系统架构、抗干扰性、数据传输性能、可维护性等方面进行全面比较。

2.1 无线系统架构

地铁1、2号线WLAN技术的无线系统架构主要由轨旁接入点(Access Point,AP)及接收天线、车载中置后驱(Middle Engine Rear Drive,MR)及八木定向天线组成。轨旁AP及天线沿地铁线路布置,通过光缆接入信号设备机房,同接入交换机相连。地铁13号线LTE技术的无线系统架构主要由轨旁基站系统(包括BBU和RRU)、漏缆、轨旁GPS天线、时钟服务器、核心网EPC以及车载TAU及鳍状天线组成。对于2种方案,车载无线设备数量基本一致,但LTE方案中轨旁无线设备种类较多,可以看出在无线系统架构方面,WLAN技术设备组成较LTE技术简单。

2.2 抗干扰性

地铁13号线使用LTE-M专用频段,即1.8 GHz(1 790～1 800 MHz),该频段不向公众开放。同WLAN技术相比,与3大运营商的信号频段相对较远,受智能无线设备信号干扰风险较小。而且LTE技术具有完善的服务质量(Quality of Service, QoS)传输管理策略,9级算法实现9个调度优先级,基于业务需求分配带宽,信号CBTC系统会被优先满足,确保行车安全[2]。另外,地铁13号线的车地无线网络采用漏缆覆盖,轨旁RRU单网布置的距离可达1.5 km,减少列车终端TAU切换次数,对比地铁1、2号线采用轨旁AP定向天线进行车地无线通信,信号要更加连续、稳定。

2.3 数据传输性能

WLAN技术最初的目标是替代有线网络,主要解决无线热点覆盖及适度的移动性,并没有考虑高速运动场景。因此,城市轨道交通列车高速运行时,车载通信设备在与轨旁AP进行连接-断开-再连接的过程中,易发生丢包情况。地铁13号线轨旁无线网覆盖采用漏缆,漏缆对于低频1.8 GHz频段衰减较小,每百米损耗约4 dB。同时,RRU最大发射功率为33 dBm/MHz。在 LTE承载的CBTC业务中,共有20 MHz带宽可用,地铁13号线A/B双网各采用5 MHz频宽,上下行速率可达3 Mbps。而且,LTE的无线切换性能要高于WLAN技术,采用WLAN技术时,列车在运行过程中需要不断与轨旁AP天线进行切换,切换过程中难免存在丢包情况。而LTE技术中,RRU的布置距离为1.2 km,在RRU之间的切换一般不会产生数据丢包。因此,LTE技术更适合高速度移动场景。

2.4 可维护性

地铁1、2号线轨旁AP的布置距离大约在150～200 m,以2站区间2 km为例,单网就需要布置约10个AP设备,轨旁无线设备布置数目较多。LTE技术在地铁13号线的实际应用中,采用漏缆,覆盖距离远,而且RRU的布置距离也较远,单网大约每隔1.5 km布置1个,相比于WLAN技术,LTE的轨旁无线设备更少、运维更简单、可维护性更高[3]。

通过以上4个维度对比发现,WLAN技术在系统架构方面设备组成要更简单,LTE在抗干扰性、数据传输性能以及可维护性方面有更明显的优势。所以,LTE技术比WLAN技术更适合地铁高速移动场景。

3 结语

最近几年,大连地铁轨道交通事业飞速发展,为大连市民创造了方便快捷的出行方式。对于大连地铁的安全运营,信号车地无线通信系统起到了至关重要的作用。LTE技术的应用不仅解决了WLAN技术2.4 GHz频段的民用设备干扰,而且通过对地铁13号线车地无线通信网络的信号测试,全线各站、各区间信号均能实现全面覆盖,系统故障率极低,可用性及稳定性都较高。总而言之,LTE已成为目前CBTC系统车地通信的主流技术,将来若要彻底解决地铁1、2号线西安路站车地无线干扰问题,LTE方案可作为首选。