軌道交通綜合業(yè)務(wù)承載研究

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摘要：貴陽地鐵計劃采用LTE技術(shù)，綜合承載基于通信的列車自動控制系統(tǒng)（CBTC）和智能視信系統(tǒng)業(yè)務(wù)從帶寬需求和性能要求2個方面，分析貴陽地鐵綜合業(yè)務(wù)承載需求；提出適宜的LTE綜合承載組網(wǎng)方案，包括LTE無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、LTE基站站址、LTE傳輸網(wǎng)絡(luò)和LTE傳輸QoS保證方案；對貴陽地鐵1號線進(jìn)行車地?zé)o線通信綜合業(yè)務(wù)承載的現(xiàn)場及實(shí)驗(yàn)室測試驗(yàn)證結(jié)果表明，LTE無線網(wǎng)絡(luò)能夠滿足貴陽地鐵2號線多種業(yè)務(wù)綜合承載的需要，在軌道交通專用通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景

關(guān)鍵詞：LTE；CBTC；智能視信；綜合承載網(wǎng)；組網(wǎng)方案

1WLAN系統(tǒng)的不足

1.1抗干擾能力差無線局域網(wǎng)（WLAN）方案采用2.4GHz的ISM頻段，與城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)（PIS）、公眾Wi-Fi設(shè)備、公眾藍(lán)牙（Bluetooth）設(shè)備等在同一頻段，容易產(chǎn)生干擾[1]，影響列車的安全運(yùn)營[2]目前各信號廠商采取的抗干擾技術(shù)只能保證內(nèi)部互不干擾，而對于外部干擾，由于帶寬的開放性還沒有更好的解決方法標(biāo)準(zhǔn)2.4G的頻道帶寬只有3個完全不重疊的頻點(diǎn)，即1、6、13信道目前采取的抗干擾方式是采用正交頻分復(fù)用等技術(shù)的窄帶通信技術(shù)，將原本20MHz帶寬分為312.5kHz的子載波針對外部干擾因素，往往只能和運(yùn)營商等單位采用頻率協(xié)商、錯頻使用的手段來避免，但協(xié)商結(jié)果往往差強(qiáng)人意[3-4]1.2頻繁切換WLAN方案下，由于軌旁無線訪問節(jié)點(diǎn)（AP）的發(fā)射功率較低，AP的間距一般為220～240m目前WLAN方案下列車運(yùn)行的最高速度為120km/h，此速度下軌旁AP每隔10s要切換1次，切換時間在100ms以內(nèi)，導(dǎo)致列車在運(yùn)行中無線切換次數(shù)較頻繁[5]并且WLAN方案下軌旁設(shè)備較多，維護(hù)成本較高，維護(hù)工作較繁瑣1.3互聯(lián)互通不易實(shí)現(xiàn)CBTC系統(tǒng)在我國城市軌道交通中得到了普遍應(yīng)用，目前因各系統(tǒng)供貨商都按照各自的產(chǎn)品特點(diǎn)來設(shè)置解決方案，采用WLAN私有協(xié)議，造成CBTC信號系統(tǒng)架構(gòu)、子系統(tǒng)之間接口設(shè)計、車地通信方式等方面存在不統(tǒng)一，制約了CBTC系統(tǒng)在線路間的互聯(lián)互通

2LTE系統(tǒng)的優(yōu)勢

貴陽地鐵1號線是貴陽市首個城市軌道交通項(xiàng)目，通信、信號等專業(yè)均采用WLAN技術(shù)進(jìn)行車地?zé)o線傳輸，WLAN技術(shù)抗干擾能力差、維護(hù)成本高等問題逐漸顯現(xiàn)結(jié)合貴陽城市軌道交通遠(yuǎn)期建設(shè)規(guī)劃，考慮線路互聯(lián)互通需求，LTE系統(tǒng)相對于WLAN系統(tǒng)具有多方面的優(yōu)勢2.1抗干擾能力強(qiáng)LTE方案采用1.8GHz經(jīng)工業(yè)和信息化部批準(zhǔn)可用于城市軌道交通的專有頻段，從使用頻率上根本解決了外系統(tǒng)的干擾問題LTE技術(shù)采用小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)（ICIC）技術(shù)，可有效降低小區(qū)邊緣頻率干擾，提高小區(qū)吞吐率采用干擾抑制消除（IRC）技術(shù)，能夠抑制信道相關(guān)性干擾，提升上行速率[6]2.2支持高速切換運(yùn)行LTE方案下，軌旁射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）設(shè)備間距可達(dá)1.2km，大幅減少軌旁設(shè)備，降低維護(hù)成本，同時也減少了列車終端切換次數(shù)且采用基于頻偏的切換技術(shù)，可保證高速切換場景下的帶寬穩(wěn)定，能夠支持列車200km/h的高速運(yùn)行LTE系統(tǒng)的設(shè)備采用電信運(yùn)營商級別進(jìn)行設(shè)計和生產(chǎn)，設(shè)備的可靠性提升，平均故障間隔時間（MTBF）大于100000h[7]2.3支持綜合承載LTE系統(tǒng)支持多種帶寬分配，包括1.4、3、5、10、15MHz[8]各城市可根據(jù)綜合承載的業(yè)務(wù)不同，靈活申請帶寬、靈活組網(wǎng)系統(tǒng)會根據(jù)組網(wǎng)方式的不同提供不同的傳輸速率，最大性能地滿足業(yè)務(wù)需求不同組網(wǎng)方式下的峰值傳輸速率見表1采用LTE方案能夠滿足城市軌道交通綜合承載的特色，實(shí)現(xiàn)智能視信等大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的綜合承載，創(chuàng)建更加安全、友好的軌道交通出行體驗(yàn)LTE可提供9級服務(wù)質(zhì)量（QoS）算法[9]，帶寬基于業(yè)務(wù)需求按需分配，優(yōu)先保證高等級業(yè)務(wù)（如CBTC業(yè)務(wù)）的帶寬需求，確保列車安全運(yùn)行2.4支持互聯(lián)互通LTE技術(shù)采用成熟完善的第3代合作伙伴計劃（3GPP）標(biāo)準(zhǔn)，其中接口、信令流程及網(wǎng)元職責(zé)均標(biāo)準(zhǔn)化，具備良好的互聯(lián)互通能力，為城市軌道交通線路間互聯(lián)互通提供可靠保證同時，LTE無線網(wǎng)絡(luò)的底層設(shè)計較為先進(jìn)，可擴(kuò)展性較好，為后期網(wǎng)絡(luò)發(fā)展預(yù)留充足的接口，可滿足后期新的業(yè)務(wù)需求

3貴陽地鐵綜合業(yè)務(wù)承載需求

3.1業(yè)務(wù)說明根據(jù)LTE綜合承載業(yè)務(wù)的不同，可將承載業(yè)務(wù)的車地通信網(wǎng)絡(luò)劃分為信息安全網(wǎng)和非信息安全網(wǎng)基于運(yùn)營場景考慮，貴陽城軌車地?zé)o線通信各類業(yè)務(wù)的具體傳輸信息有：列車運(yùn)行控制業(yè)務(wù)和智能視信業(yè)務(wù)3.1.1列車運(yùn)行控制業(yè)務(wù)列車運(yùn)行控制業(yè)務(wù)用以傳輸CBTC實(shí)時數(shù)據(jù)，具體可分為上行和下行業(yè)務(wù)，此業(yè)務(wù)屬于安全信息網(wǎng)業(yè)務(wù)城軌CBTC系統(tǒng)主要包含上下行CBTC業(yè)務(wù)信息（1）列車上行CBTC業(yè)務(wù)主要包括：車載控制器（VOBC）給區(qū)域控制器（ZC）發(fā)送的列車位置、移動授權(quán)申請、停車保證等信息，VOBC給計算機(jī)聯(lián)鎖（CI）的控制命令、列車停穩(wěn)等信息，VOBC給維護(hù)管理子系統(tǒng)（MMS）發(fā)送的列車狀態(tài)及報警信息（2）列車下行CBTC業(yè)務(wù)主要包括：列車自動監(jiān)控（ATS）給VOBC發(fā)送的列車運(yùn)行控制信息，ZC給VOBC發(fā)送的移動授權(quán)、臨時限速等信息，CI給VOBC發(fā)送的狀態(tài)等信息3.1.2智能視信業(yè)務(wù)智能視信系統(tǒng)業(yè)務(wù)主要包括LTE語音業(yè)務(wù)、LTE短信息業(yè)務(wù)、LTE實(shí)時視頻業(yè)務(wù)等（1）LTE語音業(yè)務(wù)僅包含以下幾類：車站內(nèi)客服人員間的組呼、單呼；車站內(nèi)安防人員間的組呼、單呼；車站值班員與車站內(nèi)移動人員間的組呼、單呼；車站值班員對車站內(nèi)移動人員的廣播；車站/段場/OCC維修人員間的組呼、單呼上述LTE語音業(yè)務(wù)在滿足原400MHz專用對講通信需求的同時，增加了通信可靠性及私密性LTE語音不涉及行車調(diào)度語音業(yè)務(wù)，原有專用通信系統(tǒng)的800MTETRA調(diào)度功能保留不變（2）LTE短信息業(yè)務(wù)：為保證CBTC業(yè)務(wù)的安全性，LTE短信息業(yè)務(wù)僅包含無線智能視信系統(tǒng)手持終端（簡稱手持終端）之間，以及手持終端與無線智能視信管理工作站/服務(wù)器之間文本業(yè)務(wù)的接收及發(fā)送（3）LTE實(shí)時視頻業(yè)務(wù)：僅提供通過手持終端實(shí)時采集并傳輸?shù)囊曨l流3.2帶寬需求和性能要求3.2.1帶寬需求貴州省無線電管理局已暫時批復(fù)1.8GHz（1795~1805MHz）頻段中的10MHz帶寬用于城市軌道交通專網(wǎng)，組網(wǎng)方式暫定為：10MHz頻寬分A、B雙網(wǎng)（5MHz+5MHz），A網(wǎng)承載CBTC+智能視信業(yè)務(wù)，B網(wǎng)承載CBTC業(yè)務(wù)根據(jù)軌道交通運(yùn)行情況，每個RRU滿足至少關(guān)聯(lián)6列列車的運(yùn)營要求，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室測試以及現(xiàn)場測試，得出綜合承載業(yè)務(wù)的帶寬需求（見表2）短信息業(yè)務(wù)由控制信道進(jìn)行傳輸，不占用業(yè)務(wù)帶寬3.2.2性能要求按照LTE-M系統(tǒng)承載CBTC業(yè)務(wù)和智能視信業(yè)務(wù)，其性能需求如下：（1）信息傳輸延遲時間：在單網(wǎng)情況下，信息傳輸?shù)亩说蕉搜舆t時間不大于150ms的概率不小于98%（2）信息傳輸速率：LTE-M系統(tǒng)為列車運(yùn)行控制業(yè)務(wù)每路提供的傳輸速率上下行分別不小于256kb/s（3）信息傳輸丟包率：在單網(wǎng)情況下，LTE-M系統(tǒng)信息傳輸丟包率不大于1%（4）通信中斷時間：LTE-M系統(tǒng)單網(wǎng)通信中斷時間不超過2s的概率不小于99.92%

4實(shí)現(xiàn)方案

4.1LTE無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案為保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性，貴陽LTE測試平臺的網(wǎng)絡(luò)整體方案采用A/B雙網(wǎng)冗余覆蓋設(shè)計，A/B網(wǎng)絡(luò)均包括無線網(wǎng)和核心網(wǎng)核心網(wǎng)冗余組網(wǎng)采用2個獨(dú)立的核心網(wǎng)EPCA/B，A無線網(wǎng)絡(luò)僅與A核心網(wǎng)通過S1接口相連，B無線網(wǎng)絡(luò)僅與B核心網(wǎng)通過S1接口相連不同無線網(wǎng)絡(luò)的基站A/B分別屬于不同的核心網(wǎng)EPCA/B，不同無線網(wǎng)絡(luò)的基站A/B上配置不同的列車接入單元（TAU）LTE多業(yè)務(wù)車地?zé)o線通信架構(gòu)見圖14.2LTE基站站址方案LTE冗余組網(wǎng)采用同站址雙網(wǎng)冗余設(shè)計的方式同站址雙網(wǎng)的2層網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域基本重疊，每一層網(wǎng)絡(luò)的覆蓋方式、覆蓋電平等與普通單網(wǎng)類似同站址基站的2個小區(qū)分配不同頻率，相鄰的同層小區(qū)分配相同頻帶，即A無線網(wǎng)絡(luò)使用同一頻帶，B無線網(wǎng)絡(luò)使用另一頻帶A/B雙層網(wǎng)絡(luò)采用雙網(wǎng)冗余承載方式工作，即A/B雙層網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)不存在主備之分，同時承載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)基站同站址布置可以節(jié)省無線信號合路器；無線傳輸媒介若采用漏泄電纜，打斷位置少，對于傳輸性能有所提升；實(shí)施與維護(hù)便捷LTE共站址同頻雙網(wǎng)頻率規(guī)劃見圖24.3LTE傳輸網(wǎng)絡(luò)方案為確保CBTC傳輸?shù)陌踩院蛿?shù)據(jù)的隔離度，一般LTE車地?zé)o線系統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立建設(shè)，采用3層網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計，LTE系統(tǒng)的核心網(wǎng)和基帶處理單元（BBU）都連接在這個傳輸網(wǎng)絡(luò)上，同時通過IP層協(xié)議安全結(jié)構(gòu)（IPsec）的方式與CBTC網(wǎng)絡(luò)以及PIS網(wǎng)絡(luò)連接，保證網(wǎng)絡(luò)的隔離性，確保CBTC傳輸安全LTE傳輸網(wǎng)絡(luò)連接示意見圖34.4LTE傳輸QoS保證方案LTE網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)包括源/目的IP地址、源/目的IP端口號、協(xié)議（如FTP或HTTP）等內(nèi)容，將用戶數(shù)據(jù)映射到不同的承載上相同承載上的所有數(shù)據(jù)流量將獲得相同的QoS保障，不同類型的承載提供不同的QoS保障LTE系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)9個調(diào)度優(yōu)先級，并且按照預(yù)定義的可能承載業(yè)務(wù)類型，對應(yīng)不同的服務(wù)質(zhì)量（延時、丟包等）要求，定義了9個QoS類別標(biāo)識（QCI），系統(tǒng)根據(jù)QCI對應(yīng)的優(yōu)先級進(jìn)行資源分配和調(diào)度，優(yōu)先級數(shù)值越小者越可優(yōu)先保障資源分配和調(diào)度LTE業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量分類需求見表3基于LTE技術(shù)的軌道交通車地綜合無線傳輸平臺承載了CBTC和視信業(yè)務(wù)，各業(yè)務(wù)的地址解析協(xié)議（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，可以滿足不同業(yè)務(wù)的質(zhì)量要求

5結(jié)束語

LTE作為一種先進(jìn)的無線通信技術(shù)，具有高帶寬和高可靠性的優(yōu)勢，是其他無線通信技術(shù)無法比擬的[10]對貴陽地鐵1號線進(jìn)行車地?zé)o線通信綜合業(yè)務(wù)承載的現(xiàn)場及實(shí)驗(yàn)室測試驗(yàn)證，結(jié)果表明，LTE無線網(wǎng)絡(luò)能夠滿足貴陽地鐵2號線軌道交通多種業(yè)務(wù)綜合承載需要，在軌道交通專用通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景

作者:譚人升 李焱 匡奇方 王津升 單位:貴陽市城市軌道交通集團(tuán)有限公司