LTE在城市軌道交通CBTC信號(hào)系統(tǒng)車地?zé)o線通信的應(yīng)用

■ 黃云玲

LTE在城市軌道交通CBTC信號(hào)系統(tǒng)車地?zé)o線通信的應(yīng)用

■ 黃云玲

探討目前城市軌道交通CBTC信號(hào)系統(tǒng)車地?zé)o線通信技術(shù)WLAN存在的不足，以及LTE-M技術(shù)在安全性、可靠性、穩(wěn)定性、抗干擾能力、移動(dòng)接入性等方面的優(yōu)勢(shì)；對(duì)LTE-M的政策支持、技術(shù)優(yōu)勢(shì)、組網(wǎng)方案、頻率配置、設(shè)備配置、抗干擾措施、產(chǎn)品支持等方面進(jìn)行分析；闡述未來(lái)LTE-M技術(shù)將成為城市軌道交通CBTC信號(hào)系統(tǒng)車地?zé)o線通信技術(shù)的發(fā)展方向。

軌道交通；WLAN；LTE；CBTC信號(hào)系統(tǒng)；車地?zé)o線通信

0 引言

現(xiàn)代城市軌道交通的主要運(yùn)行特點(diǎn)是行車密度高、站間距離短及行車間隔時(shí)間短。信號(hào)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)行車指揮、列車運(yùn)行監(jiān)控和管理所需技術(shù)措施及配套裝備的集合體，控制中心和車載計(jì)算機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定和高效尤為重要。由于行車間隔非常短，所以必須采用高度自動(dòng)化的手段來(lái)保證列車安全準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行，一般采用車地通信為基礎(chǔ)的超速防護(hù)系統(tǒng)最為妥當(dāng)，其中包括應(yīng)用移動(dòng)閉塞系統(tǒng)[1]。基于通信的列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的車地通信宜采用無(wú)線通信方式，其無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋可采用天線、漏纜和裂縫波導(dǎo)管等方式，車地通信系統(tǒng)應(yīng)保證列車高速移動(dòng)時(shí)的漫游切換，不應(yīng)影響列車控制的連續(xù)性，且應(yīng)采用冗余的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋[2]。基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）可以實(shí)現(xiàn)雙向信息傳輸和更高的傳輸速率及更多的信息量[1]。

隨著我國(guó)城市軌道交通客流量的大幅攀升、網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)及裝備自動(dòng)化程度的不斷提高，對(duì)CBTC信號(hào)系統(tǒng)的安全可靠性提出了更高的要求。車地?zé)o線通信是信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)的重要組成部分，是確保CBTC信號(hào)系統(tǒng)識(shí)別列車信息，實(shí)現(xiàn)軌旁設(shè)備和車載設(shè)備連續(xù)雙向、安全可靠進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及實(shí)現(xiàn)列車速度控制的重要技術(shù)手段。目前，國(guó)內(nèi)城市軌道交通CBTC信號(hào)系統(tǒng)的車地?zé)o線通信技術(shù)多采用基于IEEE802．11系列標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)（WLAN）技術(shù)，該技術(shù)采用的2．4G公共頻段對(duì)公眾開(kāi)放，同時(shí)承載如個(gè)人熱點(diǎn)、醫(yī)療、藍(lán)牙等數(shù)據(jù)，并且隨著無(wú)線智能城市的發(fā)展即將有更多的干擾源出現(xiàn)，存在影響行車安全的不可控因素，對(duì)城市軌道交通安全運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生威脅[3]。

時(shí)分長(zhǎng)期演進(jìn)系統(tǒng)（TD-LTE）是第三代合作伙伴計(jì)劃3GPP組織制定的以正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）和多輸入多輸出技術(shù)（MIMO）為核心技術(shù)的新一代無(wú)線通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其顯著提高了頻譜利用率和數(shù)據(jù)傳輸速率（在20M帶寬下，上/下行峰值速率分別為50 Mb/s和100 Mb/s），并支持多種頻帶配置（1．4M、3M、5M、15M、20M等），其目標(biāo)是為無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)提供更高的傳輸速率和更穩(wěn)定的傳輸質(zhì)量[4]。LTE-M是針對(duì)城市軌道交通承載業(yè)務(wù)需求的TD-LTE系統(tǒng)，支持的頻帶為1 785～1 805 MHz。2015年，工業(yè)和信息化部明確1．8G作為城市軌道交通等行業(yè)專用頻段，該頻段屬于受法律保護(hù)的專用頻段，可在頻段使用上避免其他用戶的干擾，保障行車安全。

1 LTE-M的政策支持及技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1.1 相關(guān)政策

近2年，國(guó)家相關(guān)部門及有關(guān)行業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)城市軌道交通采用基于1．8G頻段的TD-LTE車地?zé)o線通信技術(shù)給予相關(guān)政策及應(yīng)用推廣，并出臺(tái)了相關(guān)指導(dǎo)意見(jiàn)及行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

（1）2015年2月，工業(yè)和信息化部發(fā)布《關(guān)于重新發(fā)布1 785～1 805 MHz頻段無(wú)線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》（工信部無(wú)［2015］65號(hào)）。

（2） 2015年3月，中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布《關(guān)于轉(zhuǎn)發(fā)工信部1 785～1 805 MHz頻段使用事宜通知及有關(guān)落實(shí)工作意見(jiàn)》（中城協(xié)［2015］008號(hào)）。

（3） 2016年2月，中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)技術(shù)裝備委員會(huì)發(fā)布《關(guān)于發(fā)布＜城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)（LTE-M）規(guī)范＞中7個(gè)子規(guī)范的通知》（中城裝備［2016］009號(hào)），規(guī)范于2016年5月4日起試行。

（4） 2016年5月，中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布《關(guān)于推薦城軌交通新建項(xiàng)目CBTC系統(tǒng)使用1．8G專用頻段和LTE綜合無(wú)線通信系統(tǒng)的通知》（中城軌［2016］003號(hào)）。

1.2 調(diào)查方法 采用問(wèn)卷調(diào)查法。在取得3所醫(yī)院護(hù)理部同意和支持，并符合知情同意原則的情況下，由調(diào)查者統(tǒng)一發(fā)放調(diào)查表，并進(jìn)行調(diào)查內(nèi)容及填寫方法的指導(dǎo);由護(hù)士長(zhǎng)幫助回收。本次調(diào)查發(fā)放問(wèn)卷250份，回收問(wèn)卷246份，回收率98.4%，有效問(wèn)卷228份，問(wèn)卷有效率92.7%。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

目前廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐的WLAN技術(shù)雖具有產(chǎn)業(yè)鏈完整、技術(shù)成熟、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，但由于其工作于向公眾開(kāi)放的2．4G公共頻段，其他民用同頻設(shè)備易對(duì)信號(hào)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，搶占信號(hào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通道，甚至阻斷信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸，造成信號(hào)系統(tǒng)車地?zé)o線通信中斷，引起列車緊急停車，威脅行車安全。而且，由于WLAN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的定制初期是定位在室內(nèi)靜態(tài)場(chǎng)景下的無(wú)線局域網(wǎng)接入，不支持高速運(yùn)行設(shè)備的數(shù)據(jù)切換，隨著列車運(yùn)行速度的提高，系統(tǒng)需要更大的控制信息開(kāi)銷以克服因快速移動(dòng)帶來(lái)的頻移、衰落等，將引起有效帶寬的降低和丟包率的上升；另外，由于WLAN無(wú)線技術(shù)覆蓋范圍小，軌旁AP接入點(diǎn)較多（間距為200～300 m），系統(tǒng)越區(qū)切換頻繁，潛在故障點(diǎn)多、維保量大。相比WLAN技術(shù)的局限性，LTE-M技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）抗干擾能力強(qiáng)。LTE采用1．8G專用頻段，減少外部設(shè)備的干擾；系統(tǒng)內(nèi)部采用小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)（ICIC）和軟頻率復(fù)用（SFR）等抗干擾技術(shù)措施，有效降低小區(qū)邊緣頻率干擾，提高小區(qū)吞吐率。

（2）優(yōu)先級(jí)保障機(jī)制完善。LTE支持高達(dá)9級(jí)的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)控制，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)所承載的業(yè)務(wù)分配不同的優(yōu)先級(jí)別，保障高優(yōu)先級(jí)別業(yè)務(wù)（如CBTC）的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)質(zhì)量（QoS）。

（3）移動(dòng)接入性強(qiáng)。LTE采用自動(dòng)頻率校正技術(shù)（AFC），確保無(wú)線系統(tǒng)發(fā)送和接收的正常通信和高速移動(dòng)（＞350 km/h）場(chǎng)景下的無(wú)線鏈路質(zhì)量，接入能力強(qiáng)、速度快。

（4）可維護(hù)性能好。LTE無(wú)線覆蓋距離遠(yuǎn)，單個(gè)射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）覆蓋距離可達(dá)1．2 km，軌旁無(wú)線設(shè)備減少，系統(tǒng)越區(qū)切換次數(shù)大幅減少，維護(hù)工作簡(jiǎn)單。

（5）系統(tǒng)可靠性高。LTE采用基于頻偏的切換技術(shù)，可保證高速切換場(chǎng)景下的帶寬穩(wěn)定；LTE采用扁平化組網(wǎng)方案，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，減少了網(wǎng)元數(shù)量，系統(tǒng)可靠性高。

2 組網(wǎng)方案

2.1 單獨(dú)承載CBTC信號(hào)系統(tǒng)

信號(hào)CBTC系統(tǒng)業(yè)務(wù)采用基于1．8G頻段的LTE-M技術(shù)單獨(dú)組網(wǎng)承載。LTE-M應(yīng)采用雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)，2個(gè)網(wǎng)絡(luò)的所有網(wǎng)元設(shè)備（包括核心網(wǎng)、基站、車載終端等）都是獨(dú)立的。2個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)分別為CBTC信號(hào)系統(tǒng)提供獨(dú)立的地面物理接口[5]（見(jiàn)圖1）。

2.2 綜合承載

采用基于1．8G頻段的LTE-M技術(shù)組建車地?zé)o線通信綜合承載網(wǎng)，承載CBTC信號(hào)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、列車管理信息系統(tǒng)等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。為適應(yīng)CBTC信號(hào)系統(tǒng)車地?zé)o線業(yè)務(wù)需要雙網(wǎng)熱備冗余通道的業(yè)務(wù)需求，無(wú)線通信綜合承載網(wǎng)采用A/B雙網(wǎng)建設(shè)方案，2張網(wǎng)絡(luò)完全獨(dú)立。其中，A網(wǎng)單獨(dú)承載CBTC信號(hào)系統(tǒng)，B網(wǎng)綜合承載CBTC、視頻監(jiān)控、乘客信息、列車管理信息等系統(tǒng)。A/B雙網(wǎng)熱備冗余傳輸信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，滿足其對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)可靠性的要求。綜合承載可根據(jù)所獲批復(fù)的頻率寬度及城市軌道交通的實(shí)際需求，選擇相應(yīng)的綜合承載業(yè)務(wù)類型。

3 LTE設(shè)備配置

LTE系統(tǒng)設(shè)備由核心網(wǎng)設(shè)備、基站設(shè)備、網(wǎng)管設(shè)備和車載數(shù)據(jù)終端組成。在控制中心或設(shè)備集中站分別設(shè)置A/B網(wǎng)冗余的EPC核心網(wǎng)設(shè)備，與信號(hào)系統(tǒng)骨干網(wǎng)相連。在車站布置冗余的BBU和RRU基站設(shè)備，地下車站及區(qū)間采用漏纜進(jìn)行無(wú)線覆蓋，車輛段、停車場(chǎng)等地面區(qū)域可采用漏纜、自由天線和定向天線的方式進(jìn)行覆蓋，基站的天饋線接口通過(guò)合路器匯接后與漏泄電纜或自由天線連接，實(shí)現(xiàn)行車區(qū)域無(wú)線信號(hào)的覆蓋。在每列車的車頭和車尾分別設(shè)置車載接入設(shè)備（TAU），通過(guò)車載交換機(jī)與信號(hào)車載設(shè)備相連（見(jiàn)圖2）。

圖1 單獨(dú)承載CBTC信號(hào)系統(tǒng)組網(wǎng)方案

圖2 LTE設(shè)備配置

為了保證基站無(wú)線信號(hào)的時(shí)鐘與空口時(shí)分雙工（TDD）同步，基站的BBU需要接入GPS同步時(shí)鐘源，要求傳輸網(wǎng)絡(luò)支持1588V2協(xié)議，將GPS授時(shí)轉(zhuǎn)換為1588V2 IP時(shí)鐘報(bào)文，并通過(guò)光纖拉遠(yuǎn)到車站。

4 LTE頻段劃分原則

（1）1．4 MHz適用非全自動(dòng)無(wú)人駕駛（FAO）級(jí)別列車運(yùn)行等級(jí)，應(yīng)承載有限的列車運(yùn)行控制業(yè)務(wù)信息。

（2）3 MHz適用非FAO級(jí)別列車運(yùn)行等級(jí)，應(yīng)承載列車運(yùn)行控制業(yè)務(wù)信息。

（3）5 MHz適用非FAO及FAO級(jí)別列車運(yùn)行等級(jí)，應(yīng)承載列車運(yùn)行控制業(yè)務(wù)信息，可承載集群調(diào)度業(yè)務(wù)信息、緊急文本業(yè)務(wù)信息及列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)信息。

（4）10 MHz適用非FAO級(jí)別列車運(yùn)行等級(jí)，應(yīng)承載列車運(yùn)行控制業(yè)務(wù)信息，可承載緊急文本業(yè)務(wù)信息、列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)信息、集群調(diào)度業(yè)務(wù)信息、視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)信息及乘客信息業(yè)務(wù)信息。

5 抗干擾措施

處于開(kāi)放空間的軌道交通線路（車輛段、停車場(chǎng)、高架線、地面線）及線路公用、線路并行、同站臺(tái)換乘等復(fù)雜場(chǎng)景，將面臨與其他系統(tǒng)同頻干擾的問(wèn)題，目前可采用頻率錯(cuò)開(kāi)、共用車站核心交換設(shè)備、物理隔離等措施解決同頻干擾的問(wèn)題。

6 產(chǎn)品支持

TD-LTE制式在我國(guó)已經(jīng)形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈，一系列具有實(shí)力的通信企業(yè)能夠提供滿足LTE-M技術(shù)規(guī)范的系統(tǒng)和產(chǎn)品。而且從2014年開(kāi)始，陸續(xù)與國(guó)內(nèi)主流信號(hào)集成商進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果符合LTE-M技術(shù)規(guī)范要求，滿足CBTC信號(hào)系統(tǒng)對(duì)車地?zé)o線數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

7 結(jié)束語(yǔ)

由于LTE-M技術(shù)在QoS保障機(jī)制、抗干擾、傳輸速率、延時(shí)、通信質(zhì)量、可維護(hù)性等方面具有較大優(yōu)勢(shì)，中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)在《關(guān)于推薦城軌交通新建項(xiàng)目CBTC系統(tǒng)使用1．8G專用頻段和LTE綜合無(wú)線通信系統(tǒng)的通知》（中城軌［2016］003號(hào)）中，建議各項(xiàng)目業(yè)主單位在2016年及以后招標(biāo)的工程項(xiàng)目中采用LTE-M技術(shù)。根據(jù)目前初步統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)城市軌道交通采用LTE-M技術(shù)承載信號(hào)CBTC系統(tǒng)的已招標(biāo)項(xiàng)目有15條，其中在建項(xiàng)目12條，率先使用LTE-M的武漢地鐵6號(hào)線將在2016年12月28日建成開(kāi)通。LTE-M技術(shù)代表著城市軌道交通車地?zé)o線通信技術(shù)的發(fā)展方向。

綜上所述，LTE技術(shù)在行業(yè)引導(dǎo)、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)、產(chǎn)品支持、發(fā)展趨勢(shì)等方面均具備在城市軌道交通CBTC信號(hào)系統(tǒng)車地?zé)o線通信應(yīng)用的可行性。結(jié)合先行采用LTE-M技術(shù)的項(xiàng)目在設(shè)計(jì)和工程建設(shè)實(shí)施等方面的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，軌道交通應(yīng)用LTE-M技術(shù)將會(huì)更加成熟穩(wěn)定。

[1] 劉曉娟，張雁鵬，湯自安． 城市軌道交通智能控制系統(tǒng)[M]． 北京：中國(guó)鐵道出版社，2012．

[2] GB 50157—2013 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[3] 中城軌［2016］003號(hào) 關(guān)于推薦城軌交通新建項(xiàng)目CBTC系統(tǒng)使用1．8G專用頻段和LTE綜合無(wú)線通信系統(tǒng)的通知[S]．

[4] 夏云琦． 鐵路無(wú)線通信技術(shù)向LTE-R的演進(jìn)[J]． 中國(guó)鐵路，2012(8)：75-76．

[5] CZJS/T 0067—2016 LTE-M系統(tǒng)承載CBTC業(yè)務(wù)及接口規(guī)范[S]．

黃云玲：南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，工程師，廣西??南寧，530029

責(zé)任編輯盧敏

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1672-061X（2016）06-0091-04