上海城市軌道交通LTE-M系統(tǒng)建設(shè)規(guī)劃研究

王 盛

(上海地鐵維護保障有限公司通號分公司， 200235， 上?！喂こ處?

隨著無線通信的快速發(fā)展，各類不同體系的無線制式在各行業(yè)中有著不同程度的應(yīng)用。隨著無線通信技術(shù)從2G(第2代移動通信技術(shù))、3G(第3代移動通信技術(shù))逐漸發(fā)展為4G(第4代移動通信技術(shù))、5G(第5代移動通信技術(shù))，其技術(shù)發(fā)展的總體趨勢一定是朝著高速化、大帶寬、高安全性方向演進。

在無線通信技術(shù)不斷快速發(fā)展的前提下，選擇一個合適的無線通信技術(shù)，為城市軌道交通的各類業(yè)務(wù)服務(wù)非常重要。從總體上看，城市軌道交通存在窄帶集群通信、寬帶數(shù)據(jù)通信等業(yè)務(wù)需求，為CBTC(基于通信的列車控制)、集群調(diào)度、乘客信息、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)等提供數(shù)據(jù)傳輸平臺。

目前，以LTE(長期演進)系統(tǒng)為代表的4G已全面商用，LTE-M (城市軌道交通用長期演進)是城市軌道交通未來的發(fā)展方向。中國城市軌道交通協(xié)會于2016年發(fā)布了《關(guān)于推薦城軌交通新線CBTC系統(tǒng)使用1.8 G專用頻段和LTE綜合無線通信系統(tǒng)的通知》(以下簡稱“通知”)。2018年，中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布了《城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)(LTE-M)總體規(guī)范》(以下簡稱“規(guī)范”)。該規(guī)范規(guī)定了LTE-M系統(tǒng)的總體架構(gòu)及系統(tǒng)功能，為今后的城市軌道交通車地綜合通信提供了建設(shè)的依據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

基于上述的通知與規(guī)范，在上海軌道交通14號線、15號線、18號線的建設(shè)中已經(jīng)采用了基于TD-LTE(分時長期演進)技術(shù)的LTE-M系統(tǒng)的綜合承載方案。本文旨在對在通知與規(guī)范指導(dǎo)下建設(shè)的上海城市軌道交通LTE-M系統(tǒng)進行分析，總結(jié)該系統(tǒng)在建設(shè)過程中及投入使用后取得的經(jīng)驗和遇到的問題，并根據(jù)存在的問題提出今后上海城市軌道交通LTE-M系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)劃方案。

1 上海城市軌道交通LTE-M系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求及組網(wǎng)方案

根據(jù)通知與規(guī)范，結(jié)合上海城市軌道交通自身LTE-M網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)的特點與需求，形成了適合上海城市軌道交通的LTE-M組網(wǎng)方案。

1.1 無線通信業(yè)務(wù)在帶寬、安全性、冗余度上的需求

根據(jù)上海城市軌道交通目前存在的業(yè)務(wù)及未來需要承載的業(yè)務(wù)，結(jié)合通知與規(guī)范的要求，本文總結(jié)了無線通信系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)類型、功能及帶寬需求，如表1所示。其中，集群調(diào)度業(yè)務(wù)需滿足單個小區(qū)5路組呼、2路單呼，以及1路視頻呼叫(帶寬需求為512 kbit/s)、1路緊急車輛廣播的需求。單戶、組呼、視頻呼叫為長發(fā)性需求，緊急廣播為偶發(fā)性需求。集群調(diào)度的總體帶寬需求約為1 Mbit/s。冗余通道提供的呼叫需求為語音呼叫。

表1 上海城市軌道交通無線通信業(yè)務(wù)帶寬、安全性、冗余度的需求

1.2 LTE-M系統(tǒng)頻段分配及組網(wǎng)方案

根據(jù)工業(yè)和信息化部發(fā)布的工信部無[2015]65號《關(guān)于重新發(fā)布1 785～1 805 MHz頻段無線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》，城市軌道交通內(nèi)LTE系統(tǒng)可申請1.8 GHz頻段(1 785～1 805 MHz)，共20 MHz帶寬。

上海城市軌道交通區(qū)域范圍內(nèi)申請使用的專用頻段為5 MHz(頻率區(qū)段為1 800～1 805 MHz)。

在高架和地面區(qū)域剩余的15 MHz頻段為與其他行業(yè)共用的頻段，在地下區(qū)域剩余15 MHz頻段為城市軌道交通行業(yè)專用。

對于信號CBTC系統(tǒng)，需要能夠保證其系統(tǒng)的冗余以及單點的故障不影響列車位置的定位。而且，由于信號CBTC業(yè)務(wù)的特殊性，需要保證信號CBTC業(yè)務(wù)最大可能地避免受到同頻干擾。而對于行車集群調(diào)度業(yè)務(wù)，也需要保證在正線發(fā)生單點故障時調(diào)度業(yè)務(wù)的正常運作。此外，隨著全自動運行在上海城市軌道交通中的進一步應(yīng)用，LTE網(wǎng)絡(luò)自身的穩(wěn)定性、可靠性也顯得更為重要。

在上海市無線電委員會正式批復(fù)給上海城市軌道交通專用的5 MHz頻段(1 800～1 805 MHz)基礎(chǔ)上，為了充分利用有限的頻率資源、最大程度降低干擾，結(jié)合上海城市軌道交通無線通信業(yè)務(wù)帶寬、安全性、冗余度需求，LTE-M系統(tǒng)的頻段分配及組網(wǎng)方案如下：在建設(shè)LTE-M系統(tǒng)時可采用A、B雙網(wǎng)冗余設(shè)計，2個網(wǎng)絡(luò)完全獨立、并行工作、互不影響。表2為LTE-M系統(tǒng)頻段的具體分配情況，其中：A網(wǎng)用于列車運行控制、列車狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送、集群調(diào)度(主用)、緊急文本下發(fā)、車輛視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)，使用的公共頻段為1 785～1 800 MHz，頻率帶寬為15 MHz；B網(wǎng)絡(luò)用于列車運行控制和集群調(diào)度(備用)業(yè)務(wù)，使用的城市軌道交通專用頻段為1 800～1 805 MHz，頻率帶寬為5 MHz。這樣的頻段分配方式解決了高架車站有15 MHz頻段屬于公共頻段的問題，即使高架站的公共頻段受到同頻干擾，列車運行控制業(yè)務(wù)與集群調(diào)度業(yè)務(wù)也能承載在專用的5 MHz頻段內(nèi)。

表2 LTE-M系統(tǒng)頻段分配表Tab.2 LTE-M system frequency band allocation table

1.3 線路高架區(qū)域同頻干擾的解決方案

考慮到LTE系統(tǒng)頻段較為緊張，可能會在部分線路高架區(qū)域存在同頻干擾的情況，而不同LTE系統(tǒng)之間的干擾會對小區(qū)吞吐量、覆蓋范圍產(chǎn)生影響，所以在建設(shè)時應(yīng)考慮高架區(qū)域不同LTE系統(tǒng)間同頻鄰區(qū)的干擾。

為此，可以預(yù)先對高架區(qū)域進行掃頻，了解高架區(qū)間其他LTE系統(tǒng)的覆蓋情況、使用頻率及覆蓋功率。應(yīng)根據(jù)掃頻結(jié)果，與相關(guān)先建LTE系統(tǒng)的使用單位進行溝通，協(xié)調(diào)各自公共頻段的頻點使用情況。協(xié)調(diào)后如仍無法避免使用公共頻點，則可以適當(dāng)縮小小區(qū)半徑、提升小區(qū)邊緣信號的接收功率，以避免相互干擾；也可以針對先建LTE系統(tǒng)天線布點的具體情況，選擇適當(dāng)?shù)母采w方式及漏纜輻射角度，以對抗干擾。

2 上海城市軌道交通現(xiàn)有LTE-M系統(tǒng)存在的問題

上海軌道交通14號線、15號線、18號線無線通信系統(tǒng)的綜合承載基于規(guī)范要求進行建設(shè)。這3條線路采用了LTE-M技術(shù)的無線綜合承載，該技術(shù)在城市軌道交通業(yè)內(nèi)已得到了成功的應(yīng)用。但在實際的建設(shè)與使用中，LTE-M系統(tǒng)還存在一些問題，主要體現(xiàn)為以下幾個方面。

2.1 存在接入隱患

上海城市軌道交通管轄的線路多，單條線路建設(shè)的時間跨度大，今后的新線建設(shè)與老線改造時間跨度也較大，完成新老所有線路LTE-M系統(tǒng)的建設(shè)和改造可能需要20年以上的時間，而LTE-M系統(tǒng)設(shè)備壽命周期一般為10～15年。

現(xiàn)有的集群EPC(核心網(wǎng))需要接入全線網(wǎng)的集群業(yè)務(wù)，以及除CBTC以外的其他數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中。隨著時間的推移，可能會出現(xiàn)因產(chǎn)品迭代導(dǎo)致今后的接入網(wǎng)設(shè)備無法接入現(xiàn)有集群EPC的情況。為了兼容新的接入網(wǎng)設(shè)備，集群EPC被迫換代，進而增加了建設(shè)費用。

目前,數(shù)據(jù)EPC設(shè)備采用各線路均獨立組網(wǎng)的方式，但由于城市軌道交通建設(shè)的特殊性，線路的延伸線一般會比正線晚幾年開通，屆時也將可能產(chǎn)生因產(chǎn)品迭代而導(dǎo)致的接入網(wǎng)設(shè)備無法接入數(shù)據(jù)EPC的問題。

2.2 部分設(shè)備受供應(yīng)商管控

由于全線網(wǎng)共用一個主備冗余的集群EPC，這使得今后所有線路的A、B網(wǎng)接入層設(shè)備均需與此集群EPC對接。集群EPC與接入網(wǎng)設(shè)備如果不是同一供應(yīng)商，不同供應(yīng)商設(shè)備間的匹配性可能比較差，雖然可以完成互聯(lián)互通的基本功能，但其互聯(lián)互通穩(wěn)定性和可靠性存在隱患。若為避免類似隱患，又存在著接入網(wǎng)設(shè)備被單一供應(yīng)商壟斷的風(fēng)險，導(dǎo)致造成后期續(xù)約成本偏高。

2.3 LTE-M系統(tǒng)統(tǒng)一網(wǎng)管有待完善

現(xiàn)有LTE-M系統(tǒng)的網(wǎng)管是按照業(yè)務(wù)各自設(shè)置的。對1條城市軌道交通線路而言，A、B網(wǎng)CBTC業(yè)務(wù)的EPC網(wǎng)管分別管理其接入網(wǎng)設(shè)備與CBTC業(yè)務(wù)的配置；而集群調(diào)度業(yè)務(wù)、除CBTC以外其他數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，以及站廳層接入網(wǎng)設(shè)備的管理與配置由集群調(diào)度業(yè)務(wù)核心的網(wǎng)管管理。從系統(tǒng)整體管理的角度看，缺少了統(tǒng)一管理LTE-M核心及接入網(wǎng)設(shè)備的網(wǎng)管。

2.4 線路聯(lián)絡(luò)線信號覆蓋不完整

聯(lián)絡(luò)線作為線路與線路之間的橋梁，使得列車跨線運行成為可能。隨著信號與車輛系統(tǒng)互聯(lián)互通要求的提高，今后列車的跨線運行也將可能實現(xiàn)。而既有的聯(lián)絡(luò)線區(qū)域只完成了A網(wǎng)的覆蓋，雖然可以滿足集群調(diào)度業(yè)務(wù)與除CBTC業(yè)務(wù)以外其他數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的正常使用，但不滿足CBTC業(yè)務(wù)的雙冗余需求，也可能會對列車跨線運行造成阻礙。

3 上海城市軌道交通LTE-M系統(tǒng)建設(shè)規(guī)劃方案

綜上所述，LTE-M系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)劃不僅僅需要考慮新線的建設(shè)需要，更需要考慮老線改造的實際情況。

上海城市軌道交通應(yīng)建設(shè)一個基于TD-LTE技術(shù)的城市軌道交通綜合無線寬帶網(wǎng)絡(luò)，采用LTE-M綜合承載方案，主要用以承載信號CBTC、集群調(diào)度、車載視頻重要圖像(1～2幅圖像)、乘客緊急按鈕視頻對講、乘客信息緊急文本通知、車輛狀態(tài)信息(影響行車安全的部分信息)等業(yè)務(wù)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

上海城市軌道交通LTE-M系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)從集群EPC和數(shù)據(jù)EPC、接入網(wǎng)和天饋設(shè)備、終端設(shè)備3個方面，結(jié)合CBTC、集群、車載視頻等業(yè)務(wù)發(fā)展與需求，整體考慮其建設(shè)規(guī)劃。

3.1 集群EPC的建設(shè)規(guī)劃

為了實現(xiàn)上海城市軌道交通線路LTE寬帶集群的互聯(lián)互通功能，應(yīng)在主、備線網(wǎng)中心分別設(shè)置1套主備冗余的集群EPC，并且共享設(shè)置1套用戶歸屬服務(wù)器，以實現(xiàn)對多線LTE集群通信各類終端的注冊，從而實現(xiàn)覆蓋范圍內(nèi)的用戶漫游通話、跨線通信等功能。

考慮到各線路LTE-M系統(tǒng)的建設(shè)周期長，存在著因產(chǎn)品迭代導(dǎo)致系統(tǒng)接入的隱患，建議在第1套集群EPC(主備冗余)進入半生命周期以后，開始引入第2套集群EPC(主備冗余)的建設(shè)。待第2套集群EPC建設(shè)完成后，后續(xù)開通的新線或大修改造的老線的集群調(diào)度業(yè)務(wù)均接入第2套集群EPC。而當(dāng)?shù)?套集群EPC進入半生命周期后，第1套集群EPC正好進入到大修周期，開始大修改造。

注：BBU——基帶處理單元；RRU——射頻拉遠單元；OCC——運營控制中心。

增加1套集群EPC雖然增加了建設(shè)的成本，但2套集群EPC分擔(dān)了今后上海城市軌道交通線網(wǎng)20余條線路的集群調(diào)度業(yè)務(wù)，可以很好地降低出現(xiàn)全線網(wǎng)集群調(diào)度業(yè)務(wù)中斷的可能性，減小了單套集群EPC的負(fù)擔(dān)；而且2套集群EPC的運營周期正好處在設(shè)備半生命周期上，大大增加了集群EPC設(shè)備的可維護性，也降低了今后集群EPC進入大修周期后大修改造的難度。

3.2 數(shù)據(jù)EPC的建設(shè)規(guī)劃

各城市軌道交通線路應(yīng)分別設(shè)置A、B網(wǎng)2個數(shù)據(jù)EPC，以分別完成A、B網(wǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載。為了滿足信號CBTC業(yè)務(wù)的冗余度要求，A、B網(wǎng)的數(shù)據(jù)EPC可分別設(shè)置在每條線路的OCC與車輛基地。由于A、B網(wǎng)的接入網(wǎng)設(shè)備分別接入2個數(shù)據(jù)EPC，為保證單線設(shè)備的一致性，建議單線路的數(shù)據(jù)EPC與其對應(yīng)的接入網(wǎng)設(shè)備應(yīng)采用相同的供應(yīng)商設(shè)備。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，信號系統(tǒng)今后也有互聯(lián)互通需求，因此各線路的A、B網(wǎng)的數(shù)據(jù)EPC應(yīng)預(yù)留有線鏈路的互聯(lián)接口，今后如有必要，則可通過有線鏈路連接各個線路的A網(wǎng)和B網(wǎng)，最終形成2張線網(wǎng)級的A網(wǎng)、B網(wǎng)。

3.3 接入網(wǎng)、天饋及終端設(shè)備的建設(shè)規(guī)劃

接入網(wǎng)設(shè)備包括接入交換機設(shè)備、BBU設(shè)備和RRU設(shè)備；天饋設(shè)備主要包括泄漏同軸電纜、全向/定向天線；終端設(shè)備主要包括網(wǎng)管、手持終端、調(diào)度臺；車載設(shè)備包括TAU(車載接入單元)、集群車載臺、車載天線等。

考慮到今后信號系統(tǒng)的互聯(lián)互通需求，應(yīng)在聯(lián)絡(luò)線完成A、B網(wǎng)的覆蓋，布設(shè)相應(yīng)的接入網(wǎng)設(shè)備和天饋設(shè)備，以保證聯(lián)絡(luò)線CBTC業(yè)務(wù)的正常使用。

3.3.1 接入網(wǎng)設(shè)備的設(shè)置規(guī)劃

接入交換機應(yīng)按A、B網(wǎng)分別獨立設(shè)置。BBU設(shè)備部署可參照信號系統(tǒng)中信號集中站的位置進行，布置在信號集中站內(nèi)，其中：區(qū)間行車區(qū)域覆蓋BBU設(shè)備設(shè)置在車站的信號機房內(nèi)；車站內(nèi)覆蓋BBU設(shè)備設(shè)置在車站的通信機房內(nèi)。

RRU的 A、B網(wǎng)設(shè)備在區(qū)間軌旁均勻部署，應(yīng)包含聯(lián)絡(luò)線部分；集群業(yè)務(wù)需要覆蓋的區(qū)域，若與信號系統(tǒng)列車控制業(yè)務(wù)覆蓋區(qū)域重疊的，則共享其接入網(wǎng)設(shè)備，若不重疊，則單獨部署RRU的A網(wǎng)設(shè)備。

3.3.2 天饋設(shè)備設(shè)置規(guī)劃

站臺及正線區(qū)間的天饋設(shè)備通過泄漏同軸電纜進行覆蓋，正線上、下行線路的外側(cè)各敷設(shè)2條漏泄同軸電纜，分別饋入A、B網(wǎng)，以完成網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

站廳的天饋設(shè)備由全向/定向天線進行覆蓋。由于站廳層無數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，僅有集群調(diào)度業(yè)務(wù)，因此至布設(shè)1套全向/定向天線，饋入A網(wǎng)，以完成站廳層的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

3.3.3 車載設(shè)備設(shè)置規(guī)劃

TAU由信號系統(tǒng)專用TAU設(shè)備、綜合承載TAU設(shè)備等組成。每列車兩側(cè)車頭位置應(yīng)分別設(shè)置1套信號專用的TAU設(shè)備和1套綜合承載TAU設(shè)備，兩側(cè)信號/綜合承載TAU設(shè)備應(yīng)互為主備，冗余熱備配置。信號專用TAU設(shè)備可同時接收且只接收A、B網(wǎng)中的列車運行控制信息。綜合承載TAU設(shè)備接收A網(wǎng)的綜合承載業(yè)務(wù)。

集群車載臺由車載主機、車載臺控制終端組成。每列車兩側(cè)車頭位置應(yīng)分別設(shè)置1套集群車載臺，兩側(cè)設(shè)備應(yīng)可同時運行但在同一時段內(nèi)只有列車前進方向的一側(cè)處于激活狀態(tài)。

車載天線安裝于車輛兩端司機室外部，每列車的兩端司機室外部各設(shè)置1組(A、B網(wǎng))，通過合路器及射頻饋線與TAU、集群車載臺相連接。

3.3.4 網(wǎng)管、調(diào)度臺設(shè)置規(guī)劃

LTE-M作為一個綜合承載系統(tǒng)，可以根據(jù)不同業(yè)務(wù)需求配置多個專項網(wǎng)管。

由于設(shè)計理念的差異，LTE原裝網(wǎng)管無法通過接口相互對接，且TAU與無線車載臺終端一般都采用二次開發(fā)設(shè)備，原裝網(wǎng)管也無法管理這些終端設(shè)備。

在線路級OCC通信機房設(shè)置線路級網(wǎng)管終端，分別接入集群EPC原裝網(wǎng)管和集群車載臺二次開發(fā)網(wǎng)管數(shù)據(jù)，以管理、配置本線路集群業(yè)務(wù)。

在線路級OCC信號機房設(shè)置線路級網(wǎng)管終端，分別接入線路數(shù)據(jù)EPC原裝網(wǎng)管和TAU網(wǎng)管數(shù)據(jù)，以管理、配置本線路數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

可在線網(wǎng)中心設(shè)置1個LTE統(tǒng)一綜合網(wǎng)管，以獲取全線網(wǎng)所有EPC、RRU、BBU、TAU及集群車載臺的狀態(tài)信息，統(tǒng)一綜合網(wǎng)管只監(jiān)不控。此外，還可進一步接入漏纜監(jiān)測、接口監(jiān)測等網(wǎng)管數(shù)據(jù)，最終實現(xiàn)1個網(wǎng)管統(tǒng)一管理全線網(wǎng)LET-M設(shè)備的目的。

各線路調(diào)度臺分別設(shè)置在各自O(shè)CC內(nèi)，接入主線網(wǎng)中心集群EPC。各線路調(diào)度臺同時通過交換機和通信骨干網(wǎng)接入備線網(wǎng)中心集群EPC。調(diào)度臺設(shè)置浮動IP(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)，保證任何單個集群EPC發(fā)生故障均不會影響調(diào)度臺的工作。

4 結(jié)語

上海城市軌道交通LTE-M系統(tǒng)的建設(shè)目的是為了實現(xiàn)綜合承載CBTC、集群調(diào)度以及和行車密切相關(guān)的業(yè)務(wù)。LTE-M應(yīng)逐漸取代目前運行的窄帶集群、Wi-Fi(無線保真)等系統(tǒng)，最終建設(shè)成1個統(tǒng)一的城市軌道交通綜合無線寬帶網(wǎng)絡(luò)。