鄭州市軌道交通LTE綜合承載方案分析

李亞軍

（鄭州市軌道交通有限公司，鄭州 450000）

1 概述

作為大容量的乘客輸送系統，城市軌道交通在中國方興未艾。車地無線通信系統作為城市軌道交通的核心系統之一，承擔著信號、車載乘客信息系統（PIS）等數據的傳輸，其安全可靠性對整個軌道交通系統的穩定可靠運行至關重要。隨著無線通信系統的快速發展，由分時長期演進（Time Division Long Term Evolution，TD-LTE）作為車地無線通信系統承載業務數據，已經成為城市軌道交通建設的趨勢。根據工信部和城市軌道交通協會下發的通知，結合鄭州市軌道交通1、2號線和城郊鐵路TD-LTE單業務的使用及2號線六站五區間對TD-LTE綜合承載科研測試結果，通過對頻率資源分配、有線傳輸網絡的選用、無線覆蓋方案的確定、同頻干擾解決方案等方面的分析，探討鄭州市軌道交通5號線及后續新建線路，基于無線通信的信號系統（CBTC）車地無線通信方式采用基于TD-LTE綜合承載方案系統架構的合理性和可行性。

2 綜合承載業務需求

鄭州市軌道交通LTE綜合承載的業務主要有CBTC車地無線通信實時數據業務、車載視頻監視數據業務(CCTV)和車載乘客信息多媒體業務（PIS）、車輛狀態信息及緊急文本信息等。

2.1 CBTC車地無線通信實時數據業務

CBTC車地無線通信主要傳輸列車位置信息、運行狀態信息、移動授權信息、命令及其他任務報文，該業務屬于運營安全信息，是城市軌道交通數據業務中優先級最高的一種業務。

2.2 車載視頻監視數據業務(CCTV)

車載視頻監視將列車駕駛室、列車車廂的視頻監視圖像通過無線的方式實時傳輸到控制中心，進行集中監視并為應急調度指揮提供實時的車內高清動態圖像信息。

2.3 車載乘客信息多媒體業務（PIS）

車載乘客信息多媒體業務（PIS）用于列車車廂內資訊發布、乘客指引信息的視頻展播。

2.4 車輛狀態信息

車輛狀態信息將通過傳感器采集到的列車關鍵參數，車輛狀態信息實時傳送到地面監測中心。

2.5 緊急文本信息

列車緊急文本信息通知乘客列車運營信息或其他緊急信息。

3 系統架構

在總結鄭州軌道交通1、2號線，城郊鐵路TD-LTE承載車載PIS和車載CCTV業務使用情況的基礎上，結合2號線六站五區間對TD-LTE綜合承載科研測試結果，從安全性、可靠性、冗余性和投資等方面綜合考慮，綜合承載業務的系統架構從網絡結構設置區域層面可以劃分為5層，即中心設備層、有線傳輸層、無線覆蓋層、車載終端以及應用層。

1）中心設備層：中心設備層是整個無線網絡的關鍵組成部分，完成車地無線傳輸數據的上傳和下發以及與其他業務子系統的互聯，為它們提供可靠的雙向數據通信服務，綜合的車地無線接入數據均需要通過核心網與外部系統通信。

2）有線傳輸層：提供中心設備與車站設備間的傳輸通道。

3）無線覆蓋層：提供沿線無線接入服務，同時上行接入地面有線網絡，與中心核心網設備對接，完成對各類業務的數據傳輸。

4）車載網絡：由車載終端組成，用于連接軌旁無線網絡。

5）應用層：由PIS系統、CCTV系統、CBTC系統、車輛狀態信息等組成。

LTE綜合承載系統架構采用基于IP的扁平化網絡結構，架構簡單，維護節點少，核心設備冗余設置，滿足安全性的要求，系統架構如圖1所示。

4 A、B網無線資源分配分析

根據信號系統的雙網冗余結構，結合鄭州市軌道交通申請到的20 MHz帶寬，考慮到TD-LTE目前只能支持1.4/3/5/10/15/20 MHz組網，鄭州市軌道交通基于TD-LTE的車地無線通信A、B網采用15 M+5 M的頻率配置方案，A網（1 790～1 805 MHz）采用15 M帶寬資源同頻組網，實現綜合承載；B網（1 785～1 790 MHz）采用5 M帶寬資源同頻組網，承載信號CBTC列車控制信息，A、B無線資源分配如圖2所示。

5 A、B網有線傳輸網絡選用分析

綜合承載有線傳輸網絡采用何種組網方案，不同城市有不同的做法，可采用以下三種方案，方案一：利用專用通信傳輸網絡；方案二：利用專用通信傳輸網絡和增加一套交換機組網的以太網網絡；方案三：利用信號系統自身的數據通信系統（DCS）網絡。

方案一利用通信專業傳輸網絡承載TD-LTE A網和B網，通常專用通信傳輸網絡在控制中心、車站、車輛段、停車場為單臺設備，其冗余方案為傳輸設備的板卡級冗余。

方案二在方案一的基礎上，考慮TD-LTE A網由通信傳輸設備承載，增設一套交換機網絡承載TD-LTE B網，雖然滿足信號系統的雙網傳輸冗余要求，但兩張網絡設備制式、網絡架構有所不同。

方案三利用信號系統的DCS網絡，由信號DCS網絡承載TD-LTE A網和B網數據信息，信號DCS網絡采用2套千兆以太網交換機組網，從帶寬上可滿足遠期車輛配屬情況下通信、信號數據的帶寬需求，并可提供設備級的冗余保護。在DCS網絡承載A網（通信）、B網（信號）數據時可通過VLAN隔離確保數據流傳送安全；在LTE網絡中傳輸時，可通過隧道協議保護實現隔離。因此，采用2套DCS網絡同時傳輸TD-LTE A網和B網數據信息，可靠性和安全性均得以保障；同時，利用信號系統的DCS網絡，未改變信號系統的有線傳輸網絡架構，由信號專業實施，既能滿足信號系統的要求，與通信的界面也清晰。

綜合對上述三個方案的分析對比，本著利用傳統系統架構不變、不增加過多投資的原則確定采用方案三。綜合承載有線傳輸網絡由信號系統在原有DCS網絡中配置雙套。

6 無線網絡覆蓋分析

6.1 正線無線網絡覆蓋方案

鄭州軌道交通1、2號線及城郊鐵路TD-LTE承載PIS和CCTV業務正線地下區間使用漏纜覆蓋，高架和車站使用天線覆蓋。綜合承載TD-LTE A網和B網針對地下區間漏纜覆蓋有兩種解決方案：方案一，與800 M專用無線通信系統共享一根漏纜；方案二，與800 M專用無線通信系統和350 M警用無線通信系統共享兩根漏纜。

方案一可通過LTE隧道協議保護實現A網和B網的數據隔離，但A/B網信號在合路器合路后在一根漏纜中傳輸，未實現物理上的雙網冗余，不滿足信號系統冗余要求。如果單獨增加一根漏纜與專用無線漏纜共同組成雙網，可以滿足信號冗余要求。但是增加一根漏纜，一方面增加投資，另一方面，隧道內安裝空間有限，將影響漏纜安裝及信號的傳輸效果。方案二的A網和B網信號同時通過兩根漏纜傳輸，當一根漏纜出現問題時，另外一根漏纜仍可保證系統的正常使用，減小單點故障對整個系統業務的影響。且在同一根漏纜中A/B網信號由于使用不同的頻率進行承載（A網1 785～1 790 MHz，B網1 790～1 805 MHz），在傳播過程中仍然通過頻率實現硬隔離，相互之間不存在干擾。另外，采用敷設兩根漏纜的方案，還可以實現MIMO功能，提高系統的吞吐量，改善通信效果。通過共享專用無線通信系統和警用無線通信系統的兩根漏纜實現資源共享，既減少工程投資，又節省隧道內有限的安裝空間。

綜上所述，鄭州地鐵綜合承載漏纜覆蓋采用方案二，共享專用無線通信系統和警用無線通信系統的兩根漏纜。

鑒于信號系統共享專用無線通信系統和警用無線通信系統的兩根漏纜，從維護的便利性和專業化考慮，漏纜和區間分合路器由通信專業承設，信號專業與通信專業的劃分界面在分合路器處。

6.2 車輛基地無線網絡覆蓋方案

1）車輛基地停車列檢庫：列檢庫內采用室內分布式天線覆蓋。

2）出入段/場線：采用漏纜覆蓋。

3）出入段/場線隧道口：采用定向天線覆蓋。

4）試車線：采用漏纜覆蓋。

6.3 正線BBU、RRU和控制中心核心網設置方案

系統采用A、B雙網冗余組網，正線按照鏈狀網結構設置兩套相同的分布式基帶處理單元（BBU）+射頻拉遠單元（RRU）網絡，通過信號DCS網絡接入控制中心兩套核心網設備。

結合BBU可以星型或者鏈型連接多個RRU的特點，鄭州地鐵BBU和RRU的設置方案采用星型拓撲結構，即BBU采用分散設置的方案，在正線每個信號設備集中站設置2個BBU設備，在正線信號設備集中站和非集中站均設置2個RRU設備，對于長度大于1 200 m的區間，增設4個RRU設置（上、下行各兩個），并為區間RRU提供相應電源，各個RRU設置以星型連接至所屬集中站的相應BBU設備。

控制中心設置兩套核心網設備，A、B網分開，信號系統和通信系統通過核心網設備的路由器與綜合承載無線通信系統連接。

7 車載網絡分析

綜合承載車載網絡由車頭和車尾的駕駛室網絡組成，其中車頭、車尾駕駛室網絡分別由車載TAU、車載天線，車載交換機等組成。車載網絡示意如圖3所示。

每列車上安裝4套TAU、4個天線，車頭和車尾各兩套TAU及兩個天線。TAU用來實現車載設備和軌旁設備間的數據傳輸。單端司機室車載ATP和ATO子系統通過兩個獨立的以太網連接到其中一個TAU，采用雙絞線彼此連接的以太網擴展設備來實現車頭車尾之間的通信。另外一個TAU一路連接到通信車載交換機，再接入相應的系統，實現車載PIS、車載CCTV的傳輸，另一路接到車輛設備，實現車輛狀態信息（含緊急文本信息）的傳輸。綜合承載在車上每個駕駛端為車載PIS（含車載CCTV）提供1個以太網接口。綜合承載在車上每個駕駛端為車輛狀態信息（含緊急文本信息）提供1個以太網接口，車輛狀態信息（含緊急文本信息）可同時由車載TCMS從車頭車尾發送。

一個車載控制器安裝在列車的一端（車頭），包括一個ATP子系統和ATO子系統；同樣的一個車載控制器安裝在另一端（車尾）。所有列車上的設備能通過兩個獨立的以太網連接在一起，形成CBTC車載數據通信網絡。從而保證車載設備在單端故障時，車地通信數據的可靠性傳輸，不會影響到列車的正常運行。

車載通信系統由兩個完全獨立的網絡（紅網和藍網）組成，這兩個網絡互為冗余。

8 同頻干擾解決方案分析

對于同臺換乘車站，如果兩條換乘線路都采用了基于TD-LTE的車地無線通信系統，兩條線路使用相同或者說重疊的頻率，存在同頻干擾的可能。

鄭州東站為5號線與8號線同臺換乘車站，為解決同頻干擾問題，綜合考慮不同信號廠家、不同LTE設備廠家的情況下，5號線和8號線的綜合承載系統采用異頻方案，即將1 785～1 805 MHz的頻段平均分配給5號線和8號線各10 MHz，5號線采用的頻段為1 785～1 795 MHz，8號線采用的頻段為1 795～1 805 MHz。

9 結束語

通過對鄭州軌道交通5號線TD-LTE綜合承載系統方案的介紹，了解鄭州地鐵LTE綜合承載系統的承載業務需求、組網架構、抗干擾對策等，對LTE綜合承載系統在類似的應用領域有很好的借鑒作用。

[1]焦鳳霞.TD-LTE技術承載地鐵CBTC系統應用研究[J].鐵路通信信號工程技術，2016，13（5）：63-66.Jiao Fengxia.Application of TD-LTE Technique in Metro CBTC System[J].Railway Signalling & Communication Engineering，2016，13（5）：63-66.

[2]戴克平，張艷兵，朱力，等.基于LTE的城市軌道交通車地通信綜合承載系統[J].都市快軌交通，2016（2）：69-74.Dai Keping,Zhang Yanbing,Zhu Li,et al.An Integrated LTE-based Urban Rail Train Ground Communication System[J].Urban Rapid Rail Transit，2016（2）：69-74.

[3]韓志剛.LTE FDD技術原理與網絡規劃[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[4]易睿得.LTE系統原理及應用[M].北京：電子工業出版社，2012.

[5]林威.基于TD-LTE的地鐵無線綜合承載網[J].現代城市軌道交通，2016（4）：1-5.Lin Wei.TD-LTE Based Wireless Integrated Bearing Network for Metro[J].Modern Urban Transit，2016（4）：1-5.

[6]肖清華，汪丁鼎，許光斌，等.TD-LTE網絡規劃設計與優化[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[7]中國通信建設集團設計院有限公司.LTE組網與工程實踐[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[8]葛淑云，馬麗蘭，戴克平，等.基于LTE技術的城市軌道交通車地通信綜合承載環形道試驗方案[J].鐵路通信信號工程技術，2015（1）：36-40.Ge Shuyun，Ma Lilan，Dai Keping，et al.LTE-based Comprehensive Bearing Trial Solution for Train-Ground Communication in Urban Rail Transit[J].Railway Signalling& Communication Engineering，2015（1）：36-40.