LTE技术在城市轨道交通车地通信中的应用

时间：2018-05-06　来源：中国集群通信网　作者：顾蔡君　点击：次

主页（http://www.pttcn.net）：LTE技术在城市轨道交通车地通信中的应用

顾蔡君

（中国铁路通信信号上海工程局集团有限公司，上海 200436）

摘要：分析无线局域网作为城市轨道交通车地传输系统存在的一些重要问题；介绍LTE的技术特点，提出将LTE应用到城市轨道交通车地无线通信系统是很有必要的；针对城市轨道交通车地无线通信的综合承载需求，设计基于LTE的城市轨道交通车地通信传输系统，并给出相应的LTE网络架构和测试方案，为城市轨道交通进行车地信息综合承载提供较为全面的视角和参考。

关键词：城市轨道交通；车地通信；LTE；综合承载

中图分类号：U231.7；U285.5+5

文献标识码：A

文章编号：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的技术优势分析

1.1 抗干扰能力强

WLAN网络由于工作在开放频段，难以避免干扰；而LTE网络运行在专有频段，具备系统内完善的抗干扰机制。LTE主要基于IRC、ICIC等抗干扰技术，解决系统内的干扰问题，能够发挥毫秒级的调度机制，有效提高小区吞吐率，并降低小区边缘频率干扰。

1.2 移动接入性强

WLAN的定位初衷是覆盖办公、机场、宾馆等场所区域，旨在解决网络布线的问题，其协议标准确定了支持步行运动的慢速移动；而LTE基于抗频偏的算法，能够支持350 km/h的高速移动速度。LTE在上海磁悬浮得到的验证，说明其完全可以满足地铁移动速度的要求。

1.3 覆盖区域广

与WLAN平均每200 m就要设置一个AP设备来说，1 km的覆盖范围大幅度减少了轨旁设备布设，设备量大大减少，便于后期的运营维护[6]。

1.4 QoS保障

表1中，保证比三特速率(Guaranteed Bit Rate，GBR)为保证带宽，表示系统能够保证业务承载的最小带宽；Non-GBR则与此相反，是指没有配置保证带宽的承载，当网络出现拥堵的情况下，该承载的带宽并不能被保障。

2 城市轨道交通车地无线综合承载需求

城市轨道交通中的车地无线通信综合传输平台一般需承载CBTC、PIS、CCTV和列车运行状态监视系统等4项基本业务。车地无线通信传输系统能够在列车高速行驶过程中，提供低时延、高宽带、稳定性较强，并且具有QoS机制的列车运行控制信息、PIS/CCTV信息的车地无线数据业务承载。

CBTC技术主要涉及自动化控制技术、计算机技术以及无线电通信技术。CBTC车地无线通信系统支撑实现车载信号设备、轨旁信号设备、车站设备以及控制中心设备之间的点对点、点对多点的信息连续交换功能，从而实现移动闭塞系统[7-8]。CBTC系统要实现对列车运行的高效安全控制，大容量、双向连续的车地数据通信系统应具备几点要求：1）车地无线网络覆盖范围包括正线车站及区间、折返线、存/停车线、渡线区域；2）采用A/B双网覆盖，物理上完全冗余，确保信号系统的安全性不受单点故障影响；3）车载无线单元与基站之间在传递数据前，须建立授权并关联；4）车头、车尾分别提供与A、B网的无线传输通道。单网传输速率上下行至少达到100 kbit/s；单网信息丢包率应低于1%，单网信息误码率小于10-6；单网跨区切换时间为100 ms以内，信息经有线和无线网络的时延应在150 ms以内；应实现不低于120 km/h运行速度下车地实时双向通信。

PIS系统主要承载车载PIS直播业务（含紧急文本业务），通过车载PIS显示终端实时显示媒体新闻、乘车须知、政府公告、赛事直播等服务信息。按照规范，PIS视频信息流需采用720P以上标清码流，每路图像带宽需求为下行46 Mbit/s，传输时延要求不超过300 ms。紧急文本为上行信息，按照点对点通信方式传输，带宽需求为10 kbit/s。

列车运行状态监视系统业务为周期性数据，需能够进行点对点传输，要求传输时延不超过300 ms的概率不小于98%。另外，列车运行状态监视业务要求上行每路宽带传输速率不小于24 kbit/s，最大传输速率100 kbit/s，信息丢包率应低于1%。

城市轨道交通车地通信业务承载需求如表2所示。

3 基于LTE技术的车地无线传输通信

综上所述，城市轨道交通车地无线传输通信系统可采用大带宽、低时延、高可靠性的LTE技术进行构建和设计，同时满足CBTC、CCTV、PIS等系统业务数据信息的综合承载需求。

3.1 总体方案设计

应用LTE技术进行组建的车地无线传输通信系统整体架构，如图1所示。

车辆段、停车场、设备集中站以及试车线主要部署无线基站BBU，LTE基站通过以太网接入车站网络交换机，通过LTE轨旁以太网与无线核心网和网管连接。在未部署BBU的车站，无线网信号的覆盖主要依靠相邻设备集中站的BBU接入实现。

在作为车辆通行通道的轨旁站台区域，主要部署LTE的RRU设备，覆盖站台邻边区域。在高架以及隧道轨旁主要布置RRU和漏缆（1.8 GHz）等设备；车辆段分布较多道岔，是列车编组以及检修的地方，一般布置RRU、BBU等设备，采用天线进行覆盖。

在列车车头，车尾的司机室分别部署2个TD-LTE系统的车载终端TAU，这2套TAU分别驻留在A/B网上。TAU天线安装在司机车厢外侧上方或侧面，并控制与漏缆尽量短的距离以及视线的无遮挡，保持良好无线传输。TAU通过以太网接口与车载列车自动防护系统/列车自动驾驶系统（ATP/ATO）和PIS/CCTV连接，传输信号系统的控制信息、列车状态、PIS/CCTV及票务等信息。

3.2 业务承载设计

对CBTC业务来说，需要在单点故障（核心网、基站、车载无线主机或者传输链路故障）下确保业务不间断地传输。

要实现CBTC车地数据的连续稳定传输，CBTC业务系统需确保数据信息的双份冗余及处理。CBTC业务系统在发送端对一样的数据采取发送2份信息的方法，在接收端CBTC业务系统获得2份信息，只要正确接收到其中1份信息，就可以正确获取发送端的数据。

基于CBTC业务系统传输车地数据的特征，LTE网络可以采取A/B独立双网的冗余设计结构来承载CBTC等系统业务。A/B独立双网主要由A/B双核心网和A/B无线双网组成。

A/B无线双网能够保证在轨旁由2张无线网络进行无线信号的冗余覆盖。A/B无线网络分别基于不一样的频点F1和F2进行交织组网，如图2所示。而A无线网络和B无线网络均采用同频组网的方式。A/B双核心网即是2个独立的核心网。A无线网和A核心网构成能够进行点到点通信的LTE-A 网络，B无线网和B核心网构成能够进行点到点通信的LTE-B网络。无线网络的无线信号覆盖通过共用漏缆来完成。

根据城市轨道交通车地无线综合业务承载不同业务的要求，结合LTE对优先级和服务质量分类，将各业务的优先级和服务质量（延时、丢包等）定义如表3所示。基于LTE网络的QoS保障策略，需为CBTC业务分配最需要的优先级，从而满足CBTC业务的速率、时延和丢包率要求，因此将CBTC业务设置为GBR承载类型并赋予其相对较高的优先级；CCTV和PIS业务可以设置为Non-GBR承载类型，并赋予其较低的优先级，这样即使在一张网络中同时传输CBTC、CCTV及PIS业务，当网络通道拥塞时，也会优先保证CBTC业务信息的顺利传输。

3.3 测试方法和手段

为了验证采用LTE技术设计的城市轨道交通车地无线通信系统的应用可行性，需要在真实的轨道线路现场实施测试。测试基本流程：首先，LTE的组网方式基于实际工程进行构建，测试LTE系统在真实环境中的各项性能是否达标；其次，当完成LTE系统的各项性能指标测试后，分析该LTE系统是否能够满足当前城市轨道交通车地无线通信的综合承载业务需求；最后，基于结果分析，判断LTE技术在城市轨道交通车地通信中应用是否具备现实可行性。

因测试要求，基于LTE技术的车地无线传输通信系统采用A/B双网、全线冗余覆盖的组网结构进行搭建，一同承载测试CBTC等业务数据。如果能申请到20 MHz的频宽资源，则可用15 MHz和5 MHz分成A/B双网组网或两个10 MHz组成A/B双网，两种组网方式及业务承载如表4所示。LTE系统的每个网络都含有核心网、BBU、RRU以及车载无线终端等设备。基站基带处理单元与2套LTE的EPC主要通过以太网交换机进行连接，与轨旁的RRU主要通过光缆进行连接。

测试手段可以采用业界著名的Ixchariot工具，服务器端设置在地面，分别在车载和地面布置测试节点。LTE的CBTC、CCTV和PIS的业务承载测试内容基本包含列车状态信息静态测试、传输延时性能测试、丢包性能测试、切换延时性能测试、切换丢包性能测试、传输中断概率测试、拥塞场景性能测试、干扰性能测试和异频异带宽切换场景测试等。

4 结束语

综上分析，无论是抗干扰能力、可维护性还是服务质量，LTE相比WLAN都有很大的优点和潜力。采用LTE技术设计的城市轨道交通车地无线通信系统，满足承载CBTC、CCTV、PIS等业务信息的综合需求，为城市轨道交通的高效运营提供有力的保障。当然，LTE近些年来才在城市轨道交通综合承载中获得应用，在一些方面和领域还需要改进和提高，比如各厂家互联互通、切换边缘速率低等问题。可以预见，未来城市轨道交通领域是LTE最重要的应用市场之一。

参考文献

[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.

[2]施运涛.TD-LTE RRM终端一致性系统随机接入测试例的实现[D].北京：北京邮电大学，2013.

[5]曾召华.LTE基础原理与关键技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2010.