LTE-U在軌道交通通信與無線信號業務統一承載中的應用

彭 清

（比亞迪股份有限公司，廣東 深圳 518000）

1 軌道交通通信與無線信號業務的常見承載方式

在軌道交通中，需要通過車地無線承載車輛PIS（乘客信息顯示系統）、CCTV（視頻監控系統）、CBTC（基于通信的列車控制系統）以及無線集群通信業務。由于信號業務關乎行車安全，一般采用A、B雙WLAN無線局域網承載。其中，承載PIS、CCTV業務一般需要單獨建設一張WLAN網，用以完成車輛與地面間的通信。而承載無線集群通信業務一般需采用TETRA（陸上集群無線電）網絡，在不考慮公安專網業務的情況下，共需建設四張網絡。

2 承載方式帶來的問題

在國內與國外地鐵中，通常建設四張網絡進行業務承載，增加了維護管理難度，建設投資也急劇上升。從技術、維護運營與建設成本角度考慮，建設統一無線承載網絡具有重要意義。當前，LTE-U（長期技術演進-非授權頻譜）網絡可滿足無線業務統一承載的要求[1]。

3 基于LTE-U的無線業務統一承載方案的設計及應用

3.1 系統構成

3.1.1 系統組網方案

LTE-U網絡采用A+B雙網覆蓋方式，可以保證CBTC業務的可靠性。其中一張網絡為PIS和CCTV網絡提供傳輸通道，峰值吞吐率上行達到40 Mb/s，下行達到50 Mb/s，后期采用40 MHz載波，速率可達到100 Mb/s。

3.1.2 系統設備組成

LTE-U無線網絡主要由核心網、地面基站、TAU傳輸適配單元和網絡管理系統組成。核心網作為業務控制核心，主要負責控制網絡設備，并基于電信級虛擬化硬件平臺，為業務提供高可靠的核心接入控制和數據交換處理，最終通過統一IP網絡接入客戶業務平臺；LTE-U室外型地面基站可提供unlicensed非授權頻譜的無線接入設備；TAU提供對應unlicensed頻段的車載接入功能，可連接車廂交換機、CBTC、視頻攝像頭以及PIS；網管能夠管理和控制無線網絡設備，對設備進行遠程維護升級和監控。

3.2 整體方案設計

3.2.1 推薦組網方式

為保證地面基站支持IP傳輸，傳輸組網推薦使用星型組網。其組網方式如圖1所示。

圖1 LTE-U星型組網圖

該星型組網方式每個地面基站都可通過傳輸網絡直接和核心網服務器連接，組網方式簡單，工程施工、維護和擴容方便。此外，地面基站和核心網能夠直接進行數據傳輸，信號經過的節點少，線路可靠性高。

3.2.2 業務承載設計

無線PIS/CCTV網絡主要用于承載PIS、CCTV或緊急文本信息，也可以承載車輛狀態信息。針對不同的業務，需采用不同的QoS服務質量保障等級。

利用LTE-U網絡的QoS保障機制，可為CBTC業務分配所需的高優先級，也可在準入或擁塞場景充分保證CBTC業務的時延、丟包率和速率要求，為后續業務擴展建立基礎。

LTE-U網絡定義的QoS即是端到端的QoS過程，不但可以在LTE-U網絡內部進行QoS保障，也可以運用相應手段進行LTE-U網絡與傳輸網絡的QoS映射。業務安全性要求高的定義為高優先級，安全性要求不高的定義為低優先級，充分保障各業務統一承載的正常運行。

3.2.3 時鐘同步方案設計

LTE-U基站需要保持高精度時鐘同步（≤0.05 ppm，±1.5 μs），否則會造成小區切換丟包或延時，影響列車正常運行。在地面的停車場，基站可采用GPS時鐘同步方案。而在地下站點，應將GPS信號轉換成PTP時鐘同步報文，通過光纖拉遠到基站。

3.3 無線網絡規劃設計

3.3.1 軌旁站點部署

基于5.8 GHz頻段的LTE-U基站應統籌考慮站點之間的切換和覆蓋，對各點部署A、B兩個地面基站[1]。

3.3.2 天線覆蓋設計

采取定向天線覆蓋方式，天線掛高4.5 m。要求背對放置基站上的兩個天線，使其各自覆蓋180°范圍。

3.3.3 站點設備組網

軌旁地面基站單個站點4端口分裂成2個2T2R（2發2收）的小區，兩個小區之間采用異頻組網方式，以減少小區與小區之間的干擾。具體組網如圖2所示。

圖2 設備連接示意圖

如圖2所示，地面基站借助4根3 m長的射頻線連接到2副天線的2個射頻口；基站上的兩個天線各自覆蓋180°范圍；數據光口通過光纖與車站交換機和控制中心的核心網連接。

3.3.4 站點覆蓋設計

LTE-U軌旁站點之間的距離可達到500 m，實際部署時需要考慮彎道和遮擋情況，確保站點的平滑切換和業務的連續性。為保證CBTC的可靠性，應單點部署兩個地面基站，采用A+B雙網覆蓋，且兩張網絡要求物理獨立，確保一張網絡單點失效后，CBTC能在另一張網上進行業務，不影響行車安全。

3.3.5 無線頻點規劃

站點之間采用雙頻交替組網方式，可以減輕小區之間的干擾，提升網絡性能。車載終端TAU能夠在不同小區間實現站內切換和站間切換，即站點處異頻切換和站點間同頻切換。由于站點的A網和B網均采用異頻組網，一個站點需要使用4個不同的頻段。

3.3.6 車輛組網設計

車輛組網主要涉及設備與業務系統的對接，應用于TAU、電源線、電源轉換器以及車載天線。為方便設備在車輛的安裝和部署，應提前了解現有車輛供電、天線安裝位置和車載業務接口。車頭車尾皆應安裝TAU，并分別接入A網和B網，車載CBTC系統也要分別連接到車頭車尾的TAU，形成主備冗余。

3.3.7 控制中心組網

控制中心需要部署核心網和交換機。核心網通過光纖與車輛段設備連接，交換機則一端連接核心網，另一端連接CBTC/PIS/CCTV/無線集群業務系統，如圖3所示。

圖3 控制中心連接示意圖

3.4 LTE-U的應用

2017年8月31日，作為第九屆中國花卉博覽會重點項目的比亞迪“云軌”花博園旅游專線在寧夏銀川花博園順利通車。“云軌”銀川花博園段采用單根軌道組成環線，總長5.67 km，主要用于服務園區游客，共設8個站，并采用三節編組，現有8輛車投入運營。車地無線業務采用LTE-U網絡進行承載。LTE-U網絡采取星形組網方式，在控制中心放置兩個工業級交換機（A/B網分開），和所有地面基站皆采用光纖直連。在LTE-U基站布放后，A/B雙網共有26個地面基站。銀川花博園云軌項目至今運行良好，LTE-U網絡統一承載方式完全滿足業務運行需求。

4 結 論

LTE-U承載軌道交通通信與無線信號業務的效果突出，是城市軌道交通未來無線業務承載的重點選擇，在簡化維護、降低建設成本和提高效益方面彰顯出強大優勢。