LTE技術(shù)在城市軌道交通中的發(fā)展研究

摘要：目前，LTE技術(shù)因其大帶寬、高穩(wěn)定性以及良好的兼容性，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)地鐵項(xiàng)目中，主要作為車地?zé)o線通信的綜合承載網(wǎng)，本文以南京地鐵所使用的LTE系統(tǒng)為例，從系統(tǒng)架構(gòu)方面對(duì)其進(jìn)行了深入分析，明確其在地鐵中的發(fā)展和變化。

關(guān)鍵字：LTE;核心網(wǎng);綜合承載網(wǎng)

近年來，全國(guó)城市軌道交通事業(yè)發(fā)展迅速，至2020年全國(guó)將有近50個(gè)城市擁有地鐵和輕軌系統(tǒng)。城市軌道交通的快速發(fā)展也帶動(dòng)了城軌技術(shù)的不斷革新和進(jìn)步。目前在地鐵應(yīng)用多年的陸上集群無線電TETRA技術(shù)已無法滿足當(dāng)前日漸豐富的需求。用戶不但需要傳輸語音和數(shù)據(jù)，同時(shí)也要實(shí)時(shí)查看圖像和視頻，這就需要更大的帶寬和速率。而LTE技術(shù)剛好能滿足以上需求，并且其在移動(dòng)領(lǐng)域的成績(jī)有目共睹，安全性、穩(wěn)定性和良好的用戶體驗(yàn)均符合城軌當(dāng)前需求，因此，LTE系統(tǒng)正在逐步覆蓋城市軌道交通領(lǐng)域。與此同時(shí)，2016年由中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)技術(shù)裝備專業(yè)委員會(huì)牽頭編制的《LTE-M系統(tǒng)總體架構(gòu)及系統(tǒng)功能規(guī)范》正式發(fā)布，該規(guī)范明確規(guī)定了城市軌道交通可用的LTE頻段資源、綜合承載業(yè)務(wù)范疇、組網(wǎng)結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵信息，極大程度上解決了與運(yùn)營(yíng)商等的沖突，使為L(zhǎng)TE系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用提供了便利。本文以南京地鐵三條采用LTE系統(tǒng)作為綜合承載網(wǎng)的線路為例，從系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)層面對(duì)其發(fā)展進(jìn)行了相關(guān)研究。

1.LTE技術(shù)在南京地鐵的應(yīng)用

南京地鐵的S9號(hào)線（寧高城際）、S6號(hào)線（寧句城際）和7號(hào)線均采用LTE-M系統(tǒng)作為車地綜合承載網(wǎng)，主要承載了信號(hào)CBTC（基于通信的列車控制系統(tǒng)）業(yè)務(wù)、車載PIS（乘客信息系統(tǒng)）業(yè)務(wù)、車載視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)、集群語音業(yè)務(wù)、列車緊急文本下發(fā)業(yè)務(wù)及車輛TCMS（列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視）業(yè)務(wù)等，為信號(hào)、車輛、通信等專業(yè)車地?zé)o線通信提供了一個(gè)統(tǒng)一的傳輸平臺(tái)。在系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)方面，三條線均采用A、B雙網(wǎng)冗余組網(wǎng)，且A網(wǎng)和B網(wǎng)相互獨(dú)立，互不干擾，并行傳遞數(shù)據(jù)，A網(wǎng)由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)自行組網(wǎng)，B網(wǎng)則經(jīng)相應(yīng)傳輸設(shè)備組網(wǎng)，一旦一個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生異常，另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)零延遲切換。最后，在頻段資源使用上面，三條線所使用的頻率資源均為L(zhǎng)TE-M規(guī)范定義的1.8GHz頻段（1785-1805MHz），其中A網(wǎng)分配5MHz帶寬，B網(wǎng)分配15MHz帶寬，根據(jù)分配的帶寬大小我們可以看出，A網(wǎng)一般承擔(dān)單一關(guān)鍵業(yè)務(wù)，B網(wǎng)則承擔(dān)綜合業(yè)務(wù)。

2.系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 南京地鐵S9號(hào)線LTE系統(tǒng)架構(gòu)

S9號(hào)線是南京地鐵首條引入LTE系統(tǒng)的線路，于2017年底正式開通運(yùn)營(yíng)，作為首次嘗試，LTE系統(tǒng)在S9號(hào)線僅作為綜合承載平臺(tái)，其無線集群功能并未得到徹底的應(yīng)用。

整體系統(tǒng)架構(gòu)是基于IP的扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（見圖2-1），系統(tǒng)結(jié)構(gòu)共分為四層，分別為終端層、接入層、核心層和應(yīng)用層。其中終端層包括相關(guān)車載設(shè)備，如車載天線、車載TAU、車載交換機(jī)及車載攝像機(jī)等，用于將接收到的無線信號(hào)分解后傳送至各系統(tǒng)相應(yīng)的設(shè)備中，同時(shí)也會(huì)將相關(guān)信息上傳至車站BBU設(shè)備。接入層是由車站BBU、RRU、交換設(shè)備及區(qū)間漏纜等組成，主要用于實(shí)現(xiàn)車站、車場(chǎng)及區(qū)間無線信號(hào)的覆蓋，同時(shí)起到上傳下達(dá)的作用，同時(shí)區(qū)間無線信號(hào)的覆蓋采用與TETRA系統(tǒng)共用漏纜的方式，上下行分別鋪設(shè)一根漏纜，通過合路器將TETRA信號(hào)與LTE A、B網(wǎng)信號(hào)合為一路接入?yún)^(qū)間漏纜。核心層設(shè)備是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，在整個(gè)系統(tǒng)中最為關(guān)鍵和重要，主要負(fù)責(zé)整體網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理、控制及交互，該層設(shè)備由核心網(wǎng)設(shè)備、中心交換機(jī)等構(gòu)成。此外，由于線路只有一座控制中心，所以A、B網(wǎng)核心網(wǎng)設(shè)備均放置在一個(gè)機(jī)房?jī)?nèi)。最后一層是應(yīng)用層，是由所接入的業(yè)務(wù)后端設(shè)備構(gòu)成，用于將其所需傳遞的信息送入LTE核心網(wǎng)設(shè)備。

在業(yè)務(wù)分配方面，A網(wǎng)承載了信號(hào)CBTC業(yè)務(wù)和車輛TCMS業(yè)務(wù)，B網(wǎng)是所有業(yè)務(wù)的綜合承載網(wǎng)，這里考慮到信號(hào)CBTC和車輛TCMS業(yè)務(wù)的重要性，特別將這兩個(gè)業(yè)務(wù)都配置在A、B網(wǎng)，確保其可靠性和穩(wěn)定性要求。

2.2? 南京地鐵S6號(hào)線LTE系統(tǒng)架構(gòu)

S6號(hào)線是南京第一條跨市域地鐵，連接了南京與句容兩個(gè)城市，于2018年12月正式開工，計(jì)劃于2021年底通車。S6號(hào)線LTE系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與S9號(hào)線基本相同，但在區(qū)間無線信號(hào)覆蓋和A、B網(wǎng)業(yè)務(wù)分配方面均有改動(dòng)。首先是區(qū)間無線信號(hào)覆蓋方面，S6號(hào)線單側(cè)區(qū)間設(shè)置兩根漏纜，A、B網(wǎng)信號(hào)與TETRA信號(hào)通過合路器合并為一路后分別引入?yún)^(qū)間兩根漏纜，兩根漏纜信號(hào)強(qiáng)度一致，這樣兩根漏纜不但可以作為互備，同時(shí)對(duì)于高架站來說可增強(qiáng)信號(hào)輻射強(qiáng)度，進(jìn)而確保接收信號(hào)的穩(wěn)定性。其次在承載業(yè)務(wù)方面，S6號(hào)線除信號(hào)CBTC業(yè)務(wù)由A網(wǎng)和B網(wǎng)共同承載外，其余業(yè)務(wù)全部由B網(wǎng)獨(dú)立承載（見圖2-2）。

2.3 南京地鐵7號(hào)線LTE系統(tǒng)架構(gòu)

7號(hào)線是南京地鐵首條全自動(dòng)無人駕駛線路，于2017年底開工，計(jì)劃于2022年通車。線路總長(zhǎng)35.49Km，設(shè)一座車輛段和一座停車場(chǎng)，因?yàn)槭菬o人駕駛線路，為了進(jìn)一步提高各系統(tǒng)的安全性和可靠性，同時(shí)設(shè)置兩座控制中心，兩處控制中心設(shè)備均為熱備份，這樣即使主用控制中心癱瘓，備用控制中心也能立刻頂上，極大的降低了各系統(tǒng)設(shè)備中斷的可能。

7號(hào)線LTE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與S6號(hào)線和S9號(hào)線整體層級(jí)結(jié)構(gòu)一致，但核心網(wǎng)設(shè)備配置有所不同，因?yàn)槭请p控制中心設(shè)置，且考慮到無人駕駛系統(tǒng)對(duì)于信息傳輸可靠性和穩(wěn)定性要求，7號(hào)線LTE系統(tǒng)在A、B網(wǎng)的基礎(chǔ)上另外又增加了一套B網(wǎng)備用網(wǎng)，即A網(wǎng)、B網(wǎng)與B備的結(jié)構(gòu)，其中B網(wǎng)主用設(shè)置在主用控制中心，A網(wǎng)和B網(wǎng)備用設(shè)置在備用控制中心，A網(wǎng)與B網(wǎng)主用同傳數(shù)據(jù)，相互獨(dú)立，互不干擾，而B網(wǎng)主用與備用互為冷備份，即存在切換延時(shí)。這種架構(gòu)可保證控制中心失電的突發(fā)狀況下可繼續(xù)保持車地?zé)o線通信的順暢，進(jìn)一步確保運(yùn)營(yíng)的可靠性。

在承載業(yè)務(wù)方面，7號(hào)線與S6號(hào)線A、B網(wǎng)業(yè)務(wù)分配規(guī)則一致，但在區(qū)間無線信號(hào)覆蓋方面，7號(hào)線單側(cè)區(qū)間也鋪設(shè)了兩根漏纜，一根漏纜承載A網(wǎng)與TETRA合路的無線信號(hào)，另一根漏纜則單獨(dú)承載B網(wǎng)信號(hào)（見圖2-3）。

3.LTE系統(tǒng)架構(gòu)的對(duì)比分析

通過對(duì)S9號(hào)線、S6號(hào)線和7號(hào)線LTE系統(tǒng)架構(gòu)的概述，我們可以看到三條線LTE系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)并非完全相同，具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。

系統(tǒng)整體架構(gòu)在不斷調(diào)整。三條線的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)雖然大體看似一致，保持A、B網(wǎng)雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)，但7號(hào)線LTE整體已變?yōu)锳網(wǎng)、B主與B備的結(jié)構(gòu)，在原有熱備份的基礎(chǔ)上又增加一級(jí)冷備份，與S6號(hào)線和S9號(hào)線相比網(wǎng)絡(luò)安全性更高。

區(qū)間無線信號(hào)覆蓋方式不同。從S9號(hào)線采用單根漏纜覆蓋區(qū)間到S6號(hào)線和7號(hào)線采用兩根漏纜覆蓋區(qū)間，從A網(wǎng)、B網(wǎng)和TETRA信號(hào)合為一路接入?yún)^(qū)間，到A網(wǎng)與B網(wǎng)信號(hào)分開接入，LTE區(qū)間信號(hào)覆蓋方式在不斷調(diào)整，每次調(diào)整都是根據(jù)線路特點(diǎn)和不同需求而變化。

A/B網(wǎng)業(yè)務(wù)分配不同。由于對(duì)于業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)定不同，三條線對(duì)于A網(wǎng)和B網(wǎng)承載的具體業(yè)務(wù)分配均有所不同。

根據(jù)上述，我們可以看到LTE系統(tǒng)在南京地鐵中應(yīng)用的三個(gè)階段，即嘗試階段、運(yùn)用階段和創(chuàng)新階段，這三個(gè)階段同時(shí)也代表了LTE系統(tǒng)在地鐵中的發(fā)展過程?？傮w來說，LTE系統(tǒng)進(jìn)入南京地鐵后一直隨著地鐵的需求而不斷改進(jìn)。

4.結(jié)語

通過對(duì)LTE系統(tǒng)在南京地鐵三條線的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的分析和對(duì)比，我們可以看到LTE系統(tǒng)整體架構(gòu)的可塑性很強(qiáng)，可根據(jù)不同線路需求而改變，并且LTE系統(tǒng)穩(wěn)定性較強(qiáng)，冗余結(jié)構(gòu)的A/B雙網(wǎng)配置，極大地提高了系統(tǒng)使用的安全性，同時(shí)LTE系統(tǒng)還可與無人駕駛技術(shù)相結(jié)合使用，為無人駕駛系統(tǒng)提供可靠、穩(wěn)定的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸通道，相信未來LTE系統(tǒng)會(huì)在地鐵中應(yīng)用越來越廣泛。

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作者簡(jiǎn)介：

楊惠龍，1984年2月，江蘇南京，工程碩士學(xué)位，工程師，注冊(cè)安全工程師，城市軌道交通通信技術(shù)、城市軌道交通安全質(zhì)量管理

南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司? 江蘇省南京市? 210000