主頁（http://www.130131.com）：LTE技術在城市軌道交通車地通信中的應用 LTE技術在城市軌道交通車地通信中的應用 顧蔡君 （中國鐵路通信信號上海工程局集團有限公司，上海 200436） 摘要：分析無線局域網作為城市軌道交通車地傳輸系統存在的一些重要問題；介紹LTE的技術特點，提出將LTE應用到城市軌道交通車地無線通信系統是很有必要的；針對城市軌道交通車地無線通信的綜合承載需求，設計基于LTE的城市軌道交通車地通信傳輸系統，并給出相應的LTE網絡架構和測試方案，為城市軌道交通進行車地信息綜合承載提供較為全面的視角和參考。 關鍵詞：城市軌道交通；車地通信；LTE；綜合承載 中圖分類號：U231.7；U285.5+5 文獻標識碼：A 文章編號：1673-4440(2018)03-0051-06 DOI 10.3969/j.issn.1673-4440.2018.03.010 Application of LTE Technology in Train-Ground Communication for Urban Rail Transit Gu Caijun (China Railway Signal & Communication Shanghai Engineering Bureau Group Ltd., Shanghai 200436) Abstract:This paper analyzes some important issues of using WLAN system as urban rail transit train-ground communication system, introduces the technical features of LTE technology, and puts forward the necessary of applying LTE in urban rail transit wireless communication system. Considering the integrated service capacity requirements in urban rail transit wireless communication, the paper presents the design of an urban rail transit wireless communication system based on LTE technology, as well as the LTE network architecture and test scheme accordingly. And it provides an overall perspective and reference for integrated train-ground communication in urban rail transit. Keywords: urban rail transit; train-ground communication; LTE; integrated service capacity 1 LTE的技術優勢分析 1.1 抗干擾能力強 WLAN網絡由于工作在開放頻段，難以避免干擾；而LTE網絡運行在專有頻段，具備系統內完善的抗干擾機制。LTE主要基于IRC、ICIC等抗干擾技術，解決系統內的干擾問題，能夠發揮毫秒級的調度機制，有效提高小區吞吐率，并降低小區邊緣頻率干擾。 1.2 移動接入性強 WLAN的定位初衷是覆蓋辦公、機場、賓館等場所區域，旨在解決網絡布線的問題，其協議標準確定了支持步行運動的慢速移動；而LTE基于抗頻偏的算法，能夠支持350 km/h的高速移動速度。LTE在上海磁懸浮得到的驗證，說明其完全可以滿足地鐵移動速度的要求。 1.3 覆蓋區域廣 與WLAN平均每200 m就要設置一個AP設備來說，1 km的覆蓋范圍大幅度減少了軌旁設備布設，設備量大大減少，便于后期的運營維護[6]。 1.4 QoS保障 表1中，保證比三特速率(Guaranteed Bit Rate，GBR)為保證帶寬，表示系統能夠保證業務承載的最小帶寬；Non-GBR則與此相反，是指沒有配置保證帶寬的承載，當網絡出現擁堵的情況下，該承載的帶寬并不能被保障。 2 城市軌道交通車地無線綜合承載需求 城市軌道交通中的車地無線通信綜合傳輸平臺一般需承載CBTC、PIS、CCTV和列車運行狀態監視系統等4項基本業務。車地無線通信傳輸系統能夠在列車高速行駛過程中，提供低時延、高寬帶、穩定性較強，并且具有QoS機制的列車運行控制信息、PIS/CCTV信息的車地無線數據業務承載。 CBTC技術主要涉及自動化控制技術、計算機技術以及無線電通信技術。CBTC車地無線通信系統支撐實現車載信號設備、軌旁信號設備、車站設備以及控制中心設備之間的點對點、點對多點的信息連續交換功能，從而實現移動閉塞系統[7-8]。CBTC系統要實現對列車運行的高效安全控制，大容量、雙向連續的車地數據通信系統應具備幾點要求：1）車地無線網絡覆蓋范圍包括正線車站及區間、折返線、存/停車線、渡線區域；2）采用A/B雙網覆蓋，物理上完全冗余，確保信號系統的安全性不受單點故障影響；3）車載無線單元與基站之間在傳遞數據前，須建立授權并關聯；4）車頭、車尾分別提供與A、B網的無線傳輸通道。單網傳輸速率上下行至少達到100 kbit/s；單網信息丟包率應低于1%，單網信息誤碼率小于10-6；單網跨區切換時間為100 ms以內，信息經有線和無線網絡的時延應在150 ms以內；應實現不低于120 km/h運行速度下車地實時雙向通信。 PIS系統主要承載車載PIS直播業務（含緊急文本業務），通過車載PIS顯示終端實時顯示媒體新聞、乘車須知、政府公告、賽事直播等服務信息。按照規范，PIS視頻信息流需采用720P以上標清碼流，每路圖像帶寬需求為下行46 Mbit/s，傳輸時延要求不超過300 ms。緊急文本為上行信息，按照點對點通信方式傳輸，帶寬需求為10 kbit/s。 列車運行狀態監視系統業務為周期性數據，需能夠進行點對點傳輸，要求傳輸時延不超過300 ms的概率不小于98%。另外，列車運行狀態監視業務要求上行每路寬帶傳輸速率不小于24 kbit/s，最大傳輸速率100 kbit/s，信息丟包率應低于1%。 城市軌道交通車地通信業務承載需求如表2所示。 3 基于LTE技術的車地無線傳輸通信 綜上所述，城市軌道交通車地無線傳輸通信系統可采用大帶寬、低時延、高可靠性的LTE技術進行構建和設計，同時滿足CBTC、CCTV、PIS等系統業務數據信息的綜合承載需求。 3.1 總體方案設計 應用LTE技術進行組建的車地無線傳輸通信系統整體架構，如圖1所示。 車輛段、停車場、設備集中站以及試車線主要部署無線基站BBU，LTE基站通過以太網接入車站網絡交換機，通過LTE軌旁以太網與無線核心網和網管連接。在未部署BBU的車站，無線網信號的覆蓋主要依靠相鄰設備集中站的BBU接入實現。 在作為車輛通行通道的軌旁站臺區域，主要部署LTE的RRU設備，覆蓋站臺鄰邊區域。在高架以及隧道軌旁主要布置RRU和漏纜（1.8 GHz）等設備；車輛段分布較多道岔，是列車編組以及檢修的地方，一般布置RRU、BBU等設備，采用天線進行覆蓋。 在列車車頭，車尾的司機室分別部署2個TD-LTE系統的車載終端TAU，這2套TAU分別駐留在A/B網上。TAU天線安裝在司機車廂外側上方或側面，并控制與漏纜盡量短的距離以及視線的無遮擋，保持良好無線傳輸。TAU通過以太網接口與車載列車自動防護系統/列車自動駕駛系統（ATP/ATO）和PIS/CCTV連接，傳輸信號系統的控制信息、列車狀態、PIS/CCTV及票務等信息。 3.2 業務承載設計 對CBTC業務來說，需要在單點故障（核心網、基站、車載無線主機或者傳輸鏈路故障）下確保業務不間斷地傳輸。 要實現CBTC車地數據的連續穩定傳輸，CBTC業務系統需確保數據信息的雙份冗余及處理。CBTC業務系統在發送端對一樣的數據采取發送2份信息的方法，在接收端CBTC業務系統獲得2份信息，只要正確接收到其中1份信息，就可以正確獲取發送端的數據。 基于CBTC業務系統傳輸車地數據的特征，LTE網絡可以采取A/B獨立雙網的冗余設計結構來承載CBTC等系統業務。A/B獨立雙網主要由A/B雙核心網和A/B無線雙網組成。 A/B無線雙網能夠保證在軌旁由2張無線網絡進行無線信號的冗余覆蓋。A/B無線網絡分別基于不一樣的頻點F1和F2進行交織組網，如圖2所示。而A無線網絡和B無線網絡均采用同頻組網的方式。A/B雙核心網即是2個獨立的核心網。A無線網和A核心網構成能夠進行點到點通信的LTE-A 網絡，B無線網和B核心網構成能夠進行點到點通信的LTE-B網絡。無線網絡的無線信號覆蓋通過共用漏纜來完成。 根據城市軌道交通車地無線綜合業務承載不同業務的要求，結合LTE對優先級和服務質量分類，將各業務的優先級和服務質量（延時、丟包等）定義如表3所示�；贚TE網絡的QoS保障策略，需為CBTC業務分配最需要的優先級，從而滿足CBTC業務的速率、時延和丟包率要求，因此將CBTC業務設置為GBR承載類型并賦予其相對較高的優先級；CCTV和PIS業務可以設置為Non-GBR承載類型，并賦予其較低的優先級，這樣即使在一張網絡中同時傳輸CBTC、CCTV及PIS業務，當網絡通道擁塞時，也會優先保證CBTC業務信息的順利傳輸。 3.3 測試方法和手段 為了驗證采用LTE技術設計的城市軌道交通車地無線通信系統的應用可行性，需要在真實的軌道線路現場實施測試。測試基本流程：首先，LTE的組網方式基于實際工程進行構建，測試LTE系統在真實環境中的各項性能是否達標；其次，當完成LTE系統的各項性能指標測試后，分析該LTE系統是否能夠滿足當前城市軌道交通車地無線通信的綜合承載業務需求；最后，基于結果分析，判斷LTE技術在城市軌道交通車地通信中應用是否具備現實可行性。 因測試要求，基于LTE技術的車地無線傳輸通信系統采用A/B雙網、全線冗余覆蓋的組網結構進行搭建，一同承載測試CBTC等業務數據。如果能申請到20 MHz的頻寬資源，則可用15 MHz和5 MHz分成A/B雙網組網或兩個10 MHz組成A/B雙網，兩種組網方式及業務承載如表4所示。LTE系統的每個網絡都含有核心網、BBU、RRU以及車載無線終端等設備�；净鶐幚韱卧c2套LTE的EPC主要通過以太網交換機進行連接，與軌旁的RRU主要通過光纜進行連接。 測試手段可以采用業界著名的Ixchariot工具，服務器端設置在地面，分別在車載和地面布置測試節點。LTE的CBTC、CCTV和PIS的業務承載測試內容基本包含列車狀態信息靜態測試、傳輸延時性能測試、丟包性能測試、切換延時性能測試、切換丟包性能測試、傳輸中斷概率測試、擁塞場景性能測試、干擾性能測試和異頻異帶寬切換場景測試等。 4 結束語 綜上分析，無論是抗干擾能力、可維護性還是服務質量，LTE相比WLAN都有很大的優點和潛力。采用LTE技術設計的城市軌道交通車地無線通信系統，滿足承載CBTC、CCTV、PIS等業務信息的綜合需求，為城市軌道交通的高效運營提供有力的保障。當然，LTE近些年來才在城市軌道交通綜合承載中獲得應用，在一些方面和領域還需要改進和提高，比如各廠家互聯互通、切換邊緣速率低等問題�？梢灶A見，未來城市軌道交通領域是LTE最重要的應用市場之一。 參考文獻 [1] ZHU L,YU F R,NING B,et al.Cross-layer handoff design in MIMO enabled WLANS for communication-based train control(CBTC)system[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2012,30(4)：719-728. 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