基于LTE構(gòu)建城軌綜合寬帶無線通信網(wǎng)

劉 剛 吳海峰

基于LTE構(gòu)建城軌綜合寬帶無線通信網(wǎng)

劉 剛 吳海峰

北京市軌道交通建設(shè)管理公司討論并嘗試著建立基于LTE（長期演進(jìn)）的城市軌道交通綜合寬帶無線通信網(wǎng)。介紹城市軌道交通無線通信的現(xiàn)狀、LTE技術(shù)，以及目前基于LTE構(gòu)建城市軌道交通綜合寬帶無線通信網(wǎng)的進(jìn)展，能夠為未來城市軌道交通進(jìn)行車-地信息綜合承載提供較為全面的視角以及參考。

城市軌道交通；車-地通信；LTE；綜合通信網(wǎng)

城市軌道交通正常運行需要諸多設(shè)備系統(tǒng)共同協(xié)調(diào)運作，包括車輛、信號、通信、供電、機電等，其中涉及行車指揮及列車監(jiān)控的系統(tǒng)至關(guān)重要，直接影響城市軌道交通能否安全、準(zhǔn)時運營，而無線通信系統(tǒng)是用于快速運行列車與控制中心聯(lián)系的基礎(chǔ)紐帶，是這些系統(tǒng)正常運行的必備條件。

1 城市軌道交通無線系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 城市軌道交通所使用無線系統(tǒng)簡介

城市軌道交通無線通信系統(tǒng)一般包括：專用800M無線通信系統(tǒng)、公安350M無線系統(tǒng)、基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)以及乘客信息系統(tǒng)（PIS）。

其中專用800M無線通信系統(tǒng)為固定工作人員（調(diào)度員、車站值班員）與相關(guān)流動作業(yè)人員（司機、車站、停車場勤務(wù)人員、維修人員、環(huán)控人員等）之間提供話音和數(shù)據(jù)通信服務(wù)。公安350M無線系統(tǒng)為地鐵警務(wù)人員與地鐵分局、市公安局之間提供語音服務(wù)，滿足指揮人員對現(xiàn)場警務(wù)人員的統(tǒng)一調(diào)度。這2個系統(tǒng)屬于窄帶通信系統(tǒng)，不在本文討論范圍之內(nèi)。

CBTC系統(tǒng)目前一般使用無線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)實現(xiàn)列車與地面雙向?qū)崟r通信，列車通過無線通信將自身車次號、運行方向、列車位置和實際速度實時傳遞給地面軌旁設(shè)備，地面軌旁設(shè)備根據(jù)正線所有列車位置信息，經(jīng)過計算生成列車的運行權(quán)限，傳遞給列車，內(nèi)容包括停車點位置、移動授權(quán)和車門控制等信息，以實現(xiàn)對列車的控制。

PIS目前一般使用WLAN技術(shù)實現(xiàn)列車與地面雙向?qū)崟r通信，車-地?zé)o線通信系統(tǒng)是將地面乘客信息系統(tǒng)和車載乘客信息系統(tǒng)聯(lián)系起來的紐帶，車載乘客信息系統(tǒng)可以通過車-地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)實時接收地面乘客信息系統(tǒng)各種信息（包括緊急事件信息、運營相關(guān)信息、緊急事件處置視頻、運營設(shè)備介紹視頻、重大新聞等實時動態(tài)信息、車門監(jiān)視視頻等），在車載顯示終端上播放；同時，車載乘客信息系統(tǒng)利用車-地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)，將列車上的視頻監(jiān)控信息傳輸至線路控制中心及公交總隊，供運營、公安人員及政府相關(guān)部門調(diào)看。

1.2 目前無線組網(wǎng)的弊端

C B T C系統(tǒng)以及P I S均采用WLAN組網(wǎng)，共需要組建3套相同的網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)濟(jì)性較差，同時WLAN運行在2.4G/5.8G頻段，屬于開放頻段，極易受到干擾，給城市軌道交通安全運營帶來了隱患。深圳地鐵曾發(fā)生由于乘客的無線設(shè)備干擾地鐵信號系統(tǒng)，導(dǎo)致區(qū)間停車，直接影響了列車運營秩序。另外，WLAN技術(shù)并不是針對快速移動而研發(fā)的技術(shù)，雖經(jīng)過廠家不斷更新，制定出快速移動切換的解決方案，但在城市軌道交通行業(yè)實際使用過程中，還是存在切換過程中數(shù)據(jù)傳輸效率降低、帶寬不穩(wěn)定的情況，在已開通的工程中，并不能完全滿足設(shè)計要求的視頻直播和列車監(jiān)控圖像實時上傳的功能；再者WLAN設(shè)備發(fā)射功率較小，區(qū)間約200 m就需要敷設(shè)無線接入點（AP）設(shè)備以保證無線信號覆蓋，不利于工程實施及維護(hù)管理。

2 城市軌道交通車-地?zé)o線需求

2.1 車-地?zé)o線通信信息承載需求

2.1.1 CBTC系統(tǒng)車-地通信需求

信號系統(tǒng)地面設(shè)備對列車傳輸?shù)男畔ǎ阂苿邮跈?quán)、限速信息、列車識別號、運營調(diào)整指令等信息。列車對信號系統(tǒng)地面設(shè)備傳輸?shù)男畔ǎ毫熊囓嚱M號、屏蔽門開/關(guān)命令、本列車的定位信息、本列車的速度信息等。

車-地?zé)o線通信系統(tǒng)需為信號列控CBTC提供實時、雙向、A/B網(wǎng)通道保護(hù)的信息傳輸通道，單列車單網(wǎng)上、下行信息帶寬各需100 kbit/s，在車頭、車尾分別冗余配置連接A、B承載網(wǎng)的傳輸通道的情況下，每列車承載的上、下行列控信息業(yè)務(wù)帶寬需求各為2×2×100 kbit/s=0.4 Mbit/s，并滿足以下要求：

（1）無線網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲時間應(yīng)小于150 ms；

（2）單網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)膩G包率應(yīng)小于1%，誤碼率小于10-6；

（3）車-地通信單網(wǎng)絡(luò)的越區(qū)切換中斷時間應(yīng)在100 ms以內(nèi)。

2.1.2 PIS車-地通信需求

（1）PIS圖像下發(fā)播放。PIS需將播控中心下發(fā)的播放節(jié)目，如新聞廣播、旅行指南、換乘信息、在線廣告等便民信息在車載PIS顯示屏上實時顯示。每列車PIS圖像播放采用720P的圖像質(zhì)量，采用H.264編碼方式，下行帶寬需求為8 Mbit/s。

（2）車載監(jiān)控監(jiān)視系統(tǒng)（CCTV）監(jiān)控圖像回傳。在地鐵車-地?zé)o線的應(yīng)用場景下，車載CCTV視頻監(jiān)控圖像回傳是重要性僅次于信號系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求。根據(jù)城市軌道交通實際使用需求，采用H.264（D1，4CIF）格式。圖像分辨率為720×576像素，傳輸帶寬為2 Mbit/s，可基本滿足監(jiān)視器觀看及上大屏的需求。在正常情況下，全線需向控制中心上傳2路客室監(jiān)控圖像信息。車載CCTV業(yè)務(wù)上行帶寬需求為2×2=4 Mbit/s。

2.2 車-地通信業(yè)務(wù)承載需求匯總

預(yù)測車-地?zé)o線綜合寬帶傳輸平臺業(yè)務(wù)需求為：下行業(yè)務(wù)帶寬9 Mbit/s；上行業(yè)務(wù)帶寬5 Mbit/s。

3 LTE簡介

針對信號系統(tǒng)采用WLAN技術(shù)存在安全隱患，以及PIS采用WLAN不能完成緊急信息播發(fā)、車廂視頻圖像監(jiān)控上傳的問題，城市軌道交通需采用新技術(shù)建立抗干擾、封閉、穩(wěn)定、適合快速移動的車-地?zé)o線通信系統(tǒng)。LTE技術(shù)以其大帶寬、高可靠性、有效避免干擾、覆蓋范圍大、切換少等方面的優(yōu)勢，滿足車-地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)的要求。

LTE（Long Term Evolution）移動通信技術(shù)的目標(biāo)是建立一個能夠獲得高傳輸速率、低時延、支持增強型多媒體廣播組播業(yè)務(wù)（eMBMS）、基于包優(yōu)化的可演進(jìn)的無線接入架構(gòu)。為了達(dá)到以上目標(biāo)，LTE系統(tǒng)采用接近于全I(xiàn)P化的扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，集成了適用于寬帶移動通信傳輸?shù)谋姸嘞冗M(jìn)技術(shù)，如正交頻分復(fù)用（OFDM）、多輸入多輸出（MIMO）、混合自動請求重傳（HARQ）、自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）、小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)（ICIC）等。

TD-LTE（分時長期演進(jìn)）技術(shù)還具備頻譜申請靈活、上下行資源可調(diào)配的特點，可根據(jù)業(yè)務(wù)需要靈活配置上下行業(yè)務(wù)比例。寬帶移動性優(yōu)勢具體體現(xiàn)如下。

（1）傳輸帶寬部署靈活。LTE系統(tǒng)支持1.4、3、5、10、15和20 MHz帶寬，同時支持在成對和非成對頻段上部署。根據(jù)LTE網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)量可選擇支持相應(yīng)帶寬的設(shè)備。

（2）移動接入性強。采用自動頻率校正確保高速移動（＞120 km/h）場景下的無線鏈路質(zhì)量，具備優(yōu)良的高速移動狀態(tài)下的寬帶接入能力。接入速度快，終端從空閑狀態(tài)到激活狀態(tài)延遲時間小于100 ms。

（3）抗干擾能力強。采用ICIC技術(shù)有效降低小區(qū)邊緣頻率干擾，提高小區(qū)吞吐率，若使用行業(yè)專有頻段，外部干擾少。

（4）QoS（服務(wù)質(zhì)量）機制。LTE系統(tǒng)定義了標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)質(zhì)量等級標(biāo)識（QCI）屬性，所有的QCI屬性均可根據(jù)實際需求預(yù)配置在軌旁無線接入網(wǎng)（eNodeB）上，這些參數(shù)決定了無線側(cè)承載資源的分配。在資源受限的條件下由分配和保留優(yōu)先級（ARP）參數(shù)決定是否接受相應(yīng)的承載建立請求。

LTE系統(tǒng)對QoS的描述主要通過QCI、ARP來表示。QCI是LTE承載最重要的QoS參數(shù)之一，它是1個數(shù)量等級。具體分配見表1。

表1 LTE系統(tǒng)QCI定義

表1中，GBR（Guaranteed Bit Rate）為保證比特速率，系統(tǒng)通過預(yù)留資源等方式為保證數(shù)據(jù)流的比特速率在不超過GBR時能夠全部通過，超過GBR的流量可以按照如下方式處理：擁塞時超過GBR的流量會被丟棄，不擁塞時超過GBR但小于最大比特速率（MBR）的流量可以通過。享有GBR資源的承載被稱為GBR承載，其他的承載被稱為Non-GBR承載。Non-GBR指的是在網(wǎng)絡(luò)擁擠的情況下，業(yè)務(wù)（或者承載）需要承受降低速率的要求，由于Non-GBR承載不需要占用固定的網(wǎng)絡(luò)資源，因而可以長時間地建立，而GBR承載一般只是在需要時才建立。

A R P參數(shù)主要應(yīng)用于接入控制，在資源受限的條件下決定是否接受相應(yīng)的承載建立請求。QCI應(yīng)用于承載建立之后的控制，而ARP應(yīng)用于承載建立之前的控制。

4 基于LTE的綜合無線通信網(wǎng)

鑒于以上討論，城市軌道交通可采用LTE建立統(tǒng)一的車-地?zé)o線寬帶綜合通信網(wǎng)，以同時承載信號系統(tǒng)及乘客信息系統(tǒng)的車-地傳輸信息。

4.1 城市軌道交通無線寬帶綜合通信網(wǎng)組網(wǎng)方式

為滿足CBTC系統(tǒng)需A、B網(wǎng)同時進(jìn)行覆蓋的要求，無線寬帶綜合通信網(wǎng)采用2套冗余的LTE設(shè)備組網(wǎng)，全線按照鏈狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)分別部署2套完全相同的分布式基帶處理單元（BBU）+射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）網(wǎng)絡(luò)，通過傳輸系統(tǒng)提供的傳輸通道分別接入控制中心設(shè)置的2套LTE核心網(wǎng)設(shè)備（圖1）。

圖1 無線寬帶綜合通信網(wǎng)組網(wǎng)圖

隧道區(qū)間采用RRU+漏泄同軸電纜方式覆蓋，車輛段采用RRU+天線方式覆蓋。2張網(wǎng)絡(luò)完全獨立，并行工作，互不影響。

每個網(wǎng)絡(luò)包括了核心網(wǎng)（EPC）、軌旁無線接入網(wǎng)（eNodeB）、車載無線終端（CPE）。信號系統(tǒng)信息可在2套網(wǎng)絡(luò)上同時傳輸，以保證其對網(wǎng)絡(luò)可靠性的要求，由信號系統(tǒng)同時接收并判斷確定使用有用信息。A、B 2套無線子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（BBU+RRU）同站設(shè)置。A網(wǎng)BBU和RRU順序配置。B網(wǎng)RRU交織配置，即將歸屬于A車站BBU（B網(wǎng)）的RRU交叉連接到B車站CELL-2覆蓋區(qū)域（含供電回路），歸屬于B車站BBU（B網(wǎng)）的RRU交叉連接到A車站CELL-1覆蓋區(qū)域（含供電回路），并以此交織配置（圖2）。

圖2 無線寬帶綜合通信網(wǎng)交織覆蓋示意圖

4.2 QoS分配

基于LTE技術(shù)的車-地寬帶無線傳輸平臺承載了CBTC、PIS和CCTV業(yè)務(wù)，各業(yè)務(wù)的ARP分配由高到低；同時根據(jù)各業(yè)務(wù)對可靠性、時延的要求，系統(tǒng)為其分配不同的QCI，其分配見表2。

表2 業(yè)務(wù)QCI分配

4.3 頻率資源需求分析

TD-LTE系統(tǒng)同頻組網(wǎng)時，業(yè)務(wù)信道頻譜利用率與基站/終端發(fā)射機功率和解調(diào)性能、小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)算法性能、多入多出（MIMO）天線技術(shù)及上下行業(yè)務(wù)配比等相關(guān)。

城市軌道交通車-地寬帶無線傳輸平臺的通信范圍為鏈狀服務(wù)區(qū)域，業(yè)務(wù)應(yīng)用和運營商網(wǎng)絡(luò)用戶有一些差異。需要較多的頻率資源，通過ICIC技術(shù)克服因同頻組網(wǎng)引起的小區(qū)邊緣干擾，實現(xiàn)高移動狀態(tài)線的“穩(wěn)定寬帶”承載需求。

根據(jù)相關(guān)設(shè)備廠商提供的仿真情況，在理想無線信道環(huán)境下，TDD（時分雙工）15 MHz帶寬3∶1時隙配比的容量仿真如下：考慮上下行總共的吞吐率，在滿足小區(qū)邊緣場強-95 dbm條件下，小區(qū)邊緣頻譜效率在1.2～1.3左右。

根據(jù)業(yè)務(wù)信息承載統(tǒng)計，正線上行帶寬需求為5 Mbit/s，下行帶寬需求為9 Mbit/s，共需14 Mbit/s業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)承載，A、B雙網(wǎng)共需20 MHz頻率資源。

根據(jù)業(yè)務(wù)分配，可做如下頻率和承載劃分。

A網(wǎng)使用15 MHz帶寬組網(wǎng)，主要用于承載信號列控信息及通信系統(tǒng)車載PIS播放、CCTV監(jiān)控圖像回傳信息。B網(wǎng)使用5 MHz帶寬組網(wǎng)，用于承載信號列控信息及其他預(yù)留業(yè)務(wù)應(yīng)用及備用，A、B網(wǎng)均按相同的時隙比配置上下行業(yè)務(wù)。

5 實驗室模擬測試

北京軌道交通建設(shè)公司、軌道交通指揮中心在2014年6月聯(lián)合組織相關(guān)LTE廠家及信號廠家在北京交通大學(xué)國家實驗室對綜合承載CBTC和PIS的無線寬帶綜合通信系統(tǒng)進(jìn)行模擬測試（圖3），對基于LTE的無線綜合通信系統(tǒng)的時延、丟包率、傳輸帶寬、切換時延性能、承載CBTC業(yè)務(wù)傳輸性能、承載PIS、CCTV、緊急文本下發(fā)等業(yè)務(wù)綜合傳輸性能進(jìn)行綜合測試，以驗證LTE系統(tǒng)在城市軌道交通車-地?zé)o線通信綜合承載的可用性。

圖3 綜合承載模擬測試系統(tǒng)示意圖

在模擬測試中，CBTC系統(tǒng)的模擬數(shù)據(jù)發(fā)送間隔為100 ms；模擬數(shù)據(jù)包大小取400字節(jié)，CCTV業(yè)務(wù)模擬傳輸速率為2 Mbit/s，PIS業(yè)務(wù)模擬傳輸速率為8 Mbit/s。無線信道模擬小尺度衰落，采用ITU-VA信道模型，列車速度為200 km/h，多普勒譜為標(biāo)準(zhǔn)譜，根據(jù)應(yīng)用場景，信道模型分為遠(yuǎn)、中、近點：遠(yuǎn)點參考信號接收功率（RSRP）的范圍-85～-100 dBm；中點RSRP的范圍-75～-85 dBm；近點RSRP的范圍 ＞ -75 dBm。

經(jīng)過實驗室模擬測試，其主要參數(shù)結(jié)果如下。

（1）切換延時的測試結(jié)果。CBTC切換平均時延34～46 ms，切換最大時延135 ms；CBTC業(yè)務(wù)與列車狀態(tài)信息業(yè)務(wù)的切換平均延時滿足小于150 ms的要求。

（2）切換丟包率。CBTC上行信息丟包率0.046%，下行信息丟包率0.002%，丟包率均小于0.005%，符合CBTC系統(tǒng)丟包率小于0.5%的需求；CBTC數(shù)據(jù)都沒有出現(xiàn)傳輸中斷大于2.4 s的情況。

（3）擁塞場景性能測試。在受到背景業(yè)務(wù)擁塞的條件下，CBTC業(yè)務(wù)丟包率小于0.5%，傳輸延時小于150 ms。

實驗室LTE綜合無線通信網(wǎng)共完成測試用例28個，其中：CBTC承載測試用例8個，綜合承載測試用例15個，PIS和CCTV承載測試用例5個。實驗數(shù)據(jù)表明LTE能滿足城市軌道交通CBTC系統(tǒng)、PIS和CCTV系統(tǒng)等生產(chǎn)業(yè)務(wù)綜合承載的需求，5 MHz頻寬能夠同時承載CBTC、緊急文本、2路1 Mbit/s速率監(jiān)控圖像、1路2 Mbit/s速率PIS視頻；15 MHz帶寬時能夠同時承載CBTC、緊急文本、列車運行狀態(tài)監(jiān)測、2路2 Mbit/s速率監(jiān)控圖像、1路8 Mbit/s速率PIS視頻；越區(qū)切換時，LTE系統(tǒng)傳輸速率會下降，此時需要降低CCTV和PIS系統(tǒng)的速率，但是仍能確保滿足CBTC、緊急文本傳輸?shù)男枨蟆?/p>

6 現(xiàn)場試驗測試

在完成實驗室測試的基礎(chǔ)上，2014年8月，組織了相關(guān)單位在中國鐵道科學(xué)研究院東郊分院的環(huán)形鐵路上搭建現(xiàn)場實驗環(huán)境，模擬CBTC、PIS及CCTV相關(guān)業(yè)務(wù)，進(jìn)行現(xiàn)場測試實驗，經(jīng)過LTE場強測試、延時測試、丟包率測試、切換成功率測試、切換時延測試、下行吞吐率測試、上行吞吐率測試、平均傳輸時延指標(biāo)測試、平均傳輸時延指標(biāo)測試等若干指標(biāo)測試，結(jié)果表明LTE能滿足城市軌道交通車-地?zé)o線通信需求。

7 結(jié)束語

為了確保城市軌道交通安全高效運營，保證城市軌道交通行車效率，應(yīng)該建設(shè)獨立的專用通信網(wǎng)絡(luò)來承載CBTC、CCTV、PIS等生產(chǎn)業(yè)務(wù)信息。

LTE用于城市軌道交通綜合承載剛剛起步，在某些方面也需要有所提高，例如切換邊緣速率低、eMBMS功能不完善、各廠家互聯(lián)互通等，但基于LTE系統(tǒng)建設(shè)綜合無線通信網(wǎng)來承載城市軌道交通綜合業(yè)務(wù)，其在保障CBTC業(yè)務(wù)高可靠傳輸?shù)耐瑫r，能夠同時滿足緊急文本下發(fā)的傳輸需求，且能為CCTV和PIS等業(yè)務(wù)提供有效的傳輸通道，滿足對列車的綜合控制的需求，是未來城市軌道交通車-地?zé)o線通信建設(shè)的方向。

[1] 張克平. LTE/LTE-Advanced-B3G/ 4G/B4G移動通信系統(tǒng)無線技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[2] 陳宇恒，肖竹，王洪. LTE協(xié)議棧與信令分析[M]. 北京：人民郵電出版社，2013.

[3] 烏魯木齊軌道交通1號線通信系統(tǒng)設(shè)計書，2014.

責(zé)任編輯 冒一平

Construction of Transit Integrated Broadband Wireless Communication Network based on LTE

Liu Gang, Wu Haifeng

The Beijing MRT Construction Administration Corp. is discussing and trying to establish a integrated broadband wireless communication network based on LTE. The paper introduces status of urban rail transit wireless communication, LTE technology and the progress of present construction of transit integrated broadband wireless communication network based on LTE, provides perspective and reference for future transit on more wide range of train-trackside information integrated communication platform.

transit, train-trackside communication, LTE, integrated communication network

U231.7

2014-10-26

劉 剛：北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，高級工程師，北京 100037