TD-LTE技術承載地鐵CBTC系統應用研究

焦鳳霞

（北京通號國鐵城市軌道技術有限公司，北京 100070）

TD-LTE技術承載地鐵CBTC系統應用研究

焦鳳霞

（北京通號國鐵城市軌道技術有限公司，北京 100070）

介紹TD-LTE技術在地鐵CBTC系統中的應用，對關鍵技術問題進行分析，并找出解決方案。

TD-LTE；地鐵應用；關鍵技術；解決方案

1 概述

目前的地鐵CBTC系統應用中，大部分采用基于ISM（2.4 GHz）頻段的WLAN設備，2.4 GHz頻段為開放頻段，隨著民用WLAN設備使用規模的擴大，地鐵WLAN設備的穩定性面臨更大風險，CBTC系統的運營安全受到更大的挑戰。

隨著TD-LTE技術市場化的不斷推進，基于TD-LTE技術的4G網絡在公共通信領域快速發展，與地鐵CBTC車地通信試驗也證明TD-LTE能夠滿足業務需求。TD-LTE技術相比WLAN技術，在地鐵CBTC應用中具有更加強大的優勢，特別是專用頻點的特性，可以提高地鐵通信網絡的抗干擾指標，避免開放頻段用戶對CBTC專用無線網絡的影響，提高CBTC系統運營的可靠性。但是作為一種新的技術應用，TD-LTE技術在地鐵環境應用中，同樣存在一些問題，包括基站布點、時鐘同步以及同站臺換乘等，需要根據地鐵實際情況加以分析，并得以解決。

2 TD-LTE技術在地鐵CBTC系統中的應用

2.1 系統構成

CBTC系統的網絡部分稱為DCS（Data Communication System）系統，包括地面網絡和車地通信網絡，其車地通信網絡主要為軌旁ATP設備與車載ATP提供通信通道，DCS網絡采用冗余雙網設計，分別為A網和B網，兩張網絡完全獨立，互不影響。根據CBTC系統組網的特點，LTE系統劃分為中心設備（EPC）、車站設備（BBU）、軌旁設備（RRU）以及車載設備（TAU），LTE網絡整體架構如圖1所示。

2.2 功能劃分

LTE設備從邏輯上可以分為3個部分：核心層、接入層、終端層，各部分介紹如下。

核心層：包括核心網EPC設備，是整個無線網絡關鍵部分，完成無線傳輸數據的匯聚與分發，為它們提供可靠的雙向數據通信服務，所有的無線接入數據都需要通過核心層與外部系統通信；同時負責整個網絡的管理與維護。

接入層：包括BBU和RRU設備，提供沿線無線接入服務，同時上行接入地面有線網絡，與核心層對接，完成對各業務的數據傳輸。

車載終端：由車載無線終端TAU組成，用于連接軌旁無線網絡。

另外，LTE設備需要使用漏泄電纜/天線方式發射/接收射頻信號；LTE設備工作需要嚴格的時鐘同步，確保基站射頻信號的時鐘和空口TDD同步。

3 TD-LTE系統地鐵應用的關鍵技術

3.1 工程設計原則

CBTC系統對車地通信網絡需求，包括傳輸速率、傳輸時延、丟包率、切換中斷等，具體內容如表1所示。

圖1 墓干TD-LTE的DCS車地通信網絡組網架構

表1 CBTC系統車地通信網絡需求分析

為確保車輛正常運行，LTE信號需要覆蓋正線、出入段線、折返線、停車線、車輛段、試車線等，LTE系統需要按照以下原則進行設計。

為保證車地無線通信不中斷，要求無線覆蓋的區域無線基站布置不應有盲區，還應考慮一定的重疊區；

為便于工程實施，雙網無線基站采用同站址組網方式；

在單洞單軌線路，上下行應分別布置基站；

在單洞雙軌線路和地面線路，上下行可以采用同一個基站；

無線基站布置應考慮其他系統的無線干擾；

隧道內有效站臺區域無線基站布置應避免遮擋信號機；

由于地鐵線路大多數存在隧道，在高架段為了降低干擾，在正線采用漏泄電纜作為LTE設備的發射載體；

在地鐵車輛段以及咽喉區，由于漏泄電纜安裝受到限制，可以根據實際安裝條件，采用天線方式發射信號；

對于折返線、停車線使用功分器，將正線信號引入需要覆蓋的區域，并且適當縮短正線覆蓋距離。

3.2 頻率規劃

工信部無［2015］65號文件已重新發布1 785～1 805 MHz頻段的使用規定，可用于本地城市軌道交通等，各城市可以根據實際情況，規劃頻點使用。LTE系統的頻段寬度可選參數為1.4、3、5、10、15、20 M，可以選擇以上參數使用，但是頻率資源作為一種稀缺資源，1 785～1 805 MHz中的部分頻段可能已經被電力、石油等行業使用，當地鐵CBTC應用單獨組網時，可以結合地鐵CBTC應用傳輸速率低的特點，使用3 M或者5 M組網，降低對頻率資源的使用率，更好的適配線路當地使用情況。

3.3 同站臺換乘

換乘車站分為兩種情況，同層換乘和非同層換乘。對于不是同層換乘的車站，因為軌道線路不在同一層，具備空間隔離，不存在不同線路的LTE系統之間的干擾問題，在這里不做贅述。本方案重點考慮同層換乘情況下實施方案，核心的思想是工程與系統相結合，主要有3種方式來實現同層換乘下的無線部署。

1）空間隔離

同層換乘時，盡量采用空間隔離，不同線路的LTE發射信號采取等電平配置來解決干擾問題，此時空間隔離的干擾裕量為20 lg（D/d），如果取d=2 m，D=10 m，20 lg（D/d）=14 dB。設計時可以考慮降低車載天線安裝位置到站臺下方，或安裝到車頂上方隧道頂部，有效利用站臺地面、天花板、屏蔽門、車體等障礙實現空間隔離，一般情況下隔離度可以達到10～15 dB，那么總體上的隔離度可以達到25 dB，滿足LTE系統對SINR裕量的要求。

2）異頻配置

在一些條件下，可以將同層兩條線路的頻率帶寬縮小，采用異頻配置以減少頻率干擾，如圖2所示。

圖2 異頻隔離示意圖

例如，地下線路可以申請20 MHz頻率，圖2 中F1可以設置為20 MHz，F2和F3可以設置為兩個10 MHz異頻。異頻配置會降低小區容量，可以通過縮小站臺小區半徑來避免涌入過多車輛，這里將F2和F3覆蓋半徑設計比站臺長度略大，可以按照300～400 m考慮，這樣只需要考慮容納一輛列車，對帶寬要求降低，F1都是正常半徑的小區。

3）系統間切換

如圖3所示，線路1首先建成，車站同層換乘的站臺層全部采用線路1基站覆蓋。在建設線路2時，站臺層不部署覆蓋，線路2的區間覆蓋與線路1形成的站臺覆蓋之間有一定重疊區，在重疊區內車載LTE設備切換到線路1的站臺覆蓋上，由線路1的LTE系統提供業務通道。

圖3 漫游切換示意圖

使用此方案，需要線路之間的互聯互通，隨著LTE-M標準化工作的推進，這一方案的可行性將逐步提高。

3.4 時鐘同步

在TD-LTE系統中，為了保證基站無線信號的時鐘和空口TDD同步，基站需要接入同步時鐘源。基站工作在多時鐘同步模式下，可以方便、靈活的選取系統時鐘源。當一個時鐘源失效時，系統時鐘可以手動或自動切換到另一個可用時鐘源上。LTE系統對時鐘的要求很高，要求時鐘精度達到納秒級別。

目前常用的時鐘為GPS，但隨著城市的發展，以及地鐵建設的特點，樓宇等高層建筑越來越多，而地鐵站出口往往都修建在較低的地段，GPS天線的安裝受到影響，在天氣較差的情況下，GPS設備的可靠性受到影響。

1588V2時鐘同步模式能夠解決這一問題，基于分組包的同步技術（簡稱PTP協議）是一種主從同步系統，只需在主鐘位置設置GPS/北斗接收天線，通過交換網絡擴散同步信息至從鐘，從而為異地設備提供時鐘信號。主時鐘周期性發布PTP時間同步協議及時間信息，從時鐘端口接收主時鐘端口發來的時間戳信息，系統據此計算出主從線路時間延遲及主從時間差，并利用該時間差調整本地時間，使從設備時間保持與主設備時間一致的頻率與相位，確保TD-LTE設備時鐘同步。

使用1588V2設備，需要在中心/車輛段等空間相對開闊的地段設置主鐘，加設GPS天線；在車站設置從鐘，為LTE基站設備提供穩定的時鐘信號。1588V2協議的使用，需要使用能夠支持1588V2協議傳播的網絡交換設備。

由于GPS技術應用成熟，而1588V2時鐘設備商用較少，缺少維護經驗，因此可采用GPS為主用時鐘，1588V2作為備用時鐘，當GPS失效時，由1588V2時鐘為TD-LTE設備提供時鐘。

3.5 互聯互通

隨著地鐵控制技術的不斷發展，地鐵線路間的互聯互通需求成為發展趨勢，而車地通信層面的互聯互通，是地鐵互聯互通中不可或缺的一環。

線路間的互聯互通，要求線路A的列車，能夠在不切換模式并且不緊急制動的情況下，正常進入線路B，實現線路A/B之間的互聯互通。在這種條件下，車載TAU設備在不同線路的RRU之間切換，切換中斷時間需要小于2.4 s，以保證CBTC系統不觸發緊急制動。

跨線組網方案涉及的網元有PGW、SGW、MME、HSS、eNodeB、TAU及VOBC，共用一個HSS，其中核心網包括PGW、SGW、MME、HSS四個單元模塊。TAU跨線切換時，eNodeB、MME、SGW需要切換，PGW保持不變。

CBTC系統互聯互通數據示意如圖4所示。

圖4 TD-LTE跨線運行數據流

4 結論

TD-LTE與地鐵CBTC技術的結合，能夠提高CBTC的抗干擾性，降低民用通信設備對CBTC系統的影響，提高運行安全性。與WLAN產品相比，主流通信廠商的LTE產品能夠實現互聯互通，各線路的無線網絡，不僅能夠接入本線車輛，還能夠為其他線路的車輛提供無線接入服務，為線路間的互聯互通提供通信基礎。TD-LTE技術與CBTC系統的組合，能夠有效提高CBTC系統的可靠性及通用性。

因此，TD-LTE技術相對于既有的WLAN技術，具有不可比擬的優勢，LTE技術將在地鐵CBTC系統建設中，充當更加重要的角色。

［1］張成國，李文明.長期演進（LTE）技術在地鐵無線通信中的應用［J］.城市軌道交通，2015，4（12）：137-141.

［2］邢強強，李新.地鐵通信系統引入TD-LTE系統后的干擾分析研究［J］.移動通信，2012（18）：27-31.

［3］王鵬.TD-LTE技術承載地鐵集群通信業務問題研究［J］.城市軌道交通研究，2015，18（6）：67-70.

［4］王巖，陳序.地鐵行業車地無線（TD-LTE）技術應用［J］.河南科技，2014（21）：38-40.

This paper introduces the application of TD-LTE technology in metro CBTC system， analyzes the key technical problems， and presents the solutions accordingly.

TD-LTE； application in CBTC system； key technical； solution

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.05.017

（2016-04-06）