LTE系統在地鐵專網中的應用與發展

潘 文

（南京地鐵運營有限責任公司，江蘇 南京 210012）

0 引 言

地鐵通信是保證城市軌道交通行車組織和安全的重要手段，主要完成調度員與列車司機之間溝通、行車指令下達、監視列車運行、客流情況分析及票務數據分析等。

地鐵通信主要是傳送語音業務、數據業務及視頻業務，早期都是通過2 M通道和以太網通道進行傳輸，需要的帶寬小。近年來，由于視頻信號由原來的模擬信號發展成現在的高清數字信號、模擬語音發展成現在的數字視頻通話等，因此需要的帶寬越來越大，對穩定性的需求也越來越高。隨著4G網絡技術的不斷成熟，LTE系統慢慢進入了地鐵通信行業。2017年，南京地鐵寧高線首次引入LTE系統，主要為信號CBTC、車載視頻、車載PIS及TCMS業務提供無線傳輸通道。

1 系統組成

南京地鐵寧高線LTE系統設備為滿足信號CBTC的高可靠性要求，設計了A、B雙網，因此由2套設備組成，每套系統設備主要由控制中心設備、車站/車輛段設備及車載終端設備組成。

1.1 控制中心設備

A、B網中心設備主要由核心網設備、路由器、LAN交換機、網管設備、U2000服務器、CBTC服務器及ATOM GPS組成[1]。

核心網設備主要由交換單元、操作維護單元及機框管理單元組成，提供簽約數據、鑒權、會話、承載設備管理及數字集群業務等相關功能。

路由器主要連接外接的專業設備，如集中告警服務器、CBTC服務器、CBTC交換機及時鐘系統等，用于不同網絡之間的通信。同時，路由器需與LAN交換機相接。

LAN交換機主要連接LTE系統內部的設備，如核心網設備、網管服務器、網管終端及車站設備等。

網管設備包含網管服務器和網管終端，主要負責對無線系統網絡核心網設備、BBU、RRU及車載專用終端設備TAU進行集中監控和操作維護管理。

U2000服務器主要是為滿足對LTE系統中的路由器、LAN交換機、車站接入交換機進行實時管理和監測設置，主要完成路由器和交換機設備運行狀態的實時監控、歷史告警記錄的統計及網絡管理用戶的管理等功能。

CBTC服務器主要是對信號CBTC業務流進行抓包，出現故障時可進行數據核對。

ATOM GPS將GPS模擬信號轉變成1588V2光信號傳輸給網絡設備，滿足無線幀嚴格同步的要求。

1.2 車站/車輛段設備

A網車站/車輛段設備主要由交換機、BBU及RRU組成，B網車站/車輛段設備主由BBU和RRU組成。

交換機的主要功能是將所有車站/車輛段與中心連接起來組成A網環網，完成BBU與核心網之間的通信。

BBU基帶處理單元主要完成業務接入、基帶信號處理及操作維護控制等功能。

RRU射頻拉遠單元一般安裝在區間軌旁，每隔1.2 km安裝一臺，主要完成信號的變頻和功率的放大等功能。

1.3 車載終端設備

車載終端設備主要安裝在列車的車頭和車尾，主要由交換機、AB網TAU、合路器及天線組成。

交換機主要用于連接B網的車載監控、車載PIS及TCMS業務。

TAU作為寬帶接入終端設備，通過TD-LTE網絡連接地面和列車，完成CBTC、車載PIS及TCMS車載監控等業務的可靠傳輸。

合路器主要用于將車頭AB網TAU和車尾兩個B網TAU過來的信號進行合路，并分別送至車頭車尾的天線。

天線安裝在車頭車尾的左右兩邊，同時與TETRA系統共用車頭車尾的車頂天線，主要完成信號的發送和接收。

2 設備組網

2.1 控制中心設備組網

控制中心有兩套設備，一套是A網設備，一套是B網設備，設備組成基本一致。A、B雙網相互獨立工作，如圖1所示。

A網主要單獨為信號CBTC提供通道，LAN交換機與各車站交換機組成的網絡為A網車站BBU與中心A網核心網提供鏈路通道。

B網主要為信號CBTC、車載PIS、車載視頻及TCMS提供通道。由中心傳輸Xtran節點箱與車站/車輛段傳輸Xtran節點箱組成的傳輸網絡為B網車站BBU與中心B網核心網提供鏈路通道。

2.2 車站設備組網

車站設備A、B網組網的區別在于A網是通過車站NE05E交換機將各站的BBU設備進行連接組網，而B網通過傳輸Xtran節點箱將各站的BBU設備進行連接組網。車站BBU與區間的RRU通過光纜進行連接組網，如圖2所示。

圖1 控制中心設備組網圖

圖2 車站設備組網圖

區間A網和B網RRU的信號通過合路器進行合路，然后通過漏纜進行信號覆蓋。寧高線區間存在U梁、箱梁及路基土建。U梁區間采用上下行共用一個A網RRU和一個B網RRU，設備放至上下行中間。箱梁和路基段區間上下行各安裝一個A網RRU和一個B網RRU，設備分別放至上下行兩邊。

A網在其中一個車站安裝了ATOM GPS，提供1588V2時鐘信號。

2.3 車載設備組網

車載設備主要分為車頭和車尾兩部分，并通過工業級交換機進行連接。車頭為奇數端，主要由兩臺B網TAU設備、車載合路器、工業級交換機及天線組成。其中，一臺B網TAU專用于連接CBTC業務，另一臺B網TAU用于連接工業級交換機；工業級交換機用于連接TCMS業務、PIS業務及車載CCTV業務；車載合路器用于連接兩個B網TAU設備、車底天線以及與800 M無線共用的車頂天線。車尾為偶數端，設備數量與車頭一致，唯一不同的是兩臺TAU設備分A網、B網各一臺，A網TAU專用于連接CBTC業務，B網TAU用于連接工業級交換機，如圖3所示。

2.4 與其他業務系統之間的接口

LTE系統與PIS系統之間的接口：（1）在控制中心，LTE系統通過標準的10/100 Mb/s以太網電口與PIS系統互聯；（2）在列車上，LTE系統通過標準的10/100 Mb/s以太網電口與PIS系統互聯。

LTE系統與車輛TCMS系統之間的接口：（1）在控制中心，LTE系統通過標準的10/100 Mb/s以太網電口與車輛TCMS系統互聯；（2）在列車上，LTE系統通過標準的10/100 Mb/s以太網電口與車輛TCMS系統互聯。

LTE系統與CBTC系統之間的接口：（1）在控制中心，LTE系統通過標準的100/1 000 Mb/s以太網光口與CBTC系統互聯；（2）在列車上，LTE系統通過標準的10/1 00 Mb/s以太網電口與CBTC系統互聯。

LTE系統與車載視頻系統之間的接口：（1）在控制中心，LTE系統通過標準的10/100 Mb/s以太網電口與車載視頻系統互聯；（2）在列車上，LTE系統通過標準的10/100 Mb/s以太網電口與車載視頻系統互聯。

圖3 車載設備組網圖

3 在南京地鐵應用過程中發現的優缺點

3.1 應用過程中發現的優點

第一，更高的帶寬，業務傳輸無卡頓現象。例如，地鐵其他線路采用非LTE系統通信方式上傳車載視頻，圖像會出現卡頓現象，圖像數量也受到限制。采用LTE系統上傳車載視頻時，基本不存在圖像卡頓現象，即使上傳圖像數量達到8路，也能正常上傳。

第二，采用漏纜覆蓋，區間信號穩定。地鐵其他線路采用AP天線通信方式，受線路彎曲和震動等因素的影響，信號的專業無線業務丟失現象較嚴重。采用漏纜進行覆蓋，信號傳輸穩定。

第三，組網方式簡單。中心與車站設備房硬件設備少，設備組網比較簡明，方便硬件故障的原因查找和維護。

第四，實現綜合業務承載。傳統地鐵建設中，區間一般要建設多個無線網絡用于各種業務傳輸。寧高線PIS、CBTC、TCMS及車載監控都通過LTE網絡進行傳輸，節約了大量成本。

3.2 應用過程中發現的缺點

第一，區間設備多，維護保養困難。區間基本每隔1.2 km就要設置RRU設備，寧高線基本為高架和路基段，且區間線路長，當區間設備發生故障時，夜間處理時間不充足。

第二，室外RRU設備防水級別不夠。正常地鐵都是在隧道里安裝設備，未涉及到防水問題。但是地面和高架的設備防水不能按照隧道的標準來執行，應該按照室外防水標準執行。使用寧高線過程中發現，經長時間的氣候因素影響，出現射頻線接口防水膠開裂進水現象，進而導致駐波比變大。

第三，高架和路基段易受同頻段干擾。中華人民共和國工業和信息化部發布1 785～1 805 MHz頻段應用于交通（城市軌道交通等）、電力及石油等行業。如果地鐵都是地下區間，基本不存在干擾問題。寧高線是高架和路基段組成，因此存在同頻干擾問題。目前，通過區間信號檢測，發現明覺站附近存在同頻信號，經查找發現是電力的無線基站。由于距離遠，電力無線基站的信號強度沒有地鐵的信號強度強，尚未給地鐵運行造成影響。但是隨著4G網絡的普及，后期還會有更多其他行業在地鐵附近使用同頻信號，需溝通好干擾頻段避讓。

4 LTE系統未來在地鐵行業的其他功能

目前，地鐵普遍采用的是800 M集群系統來實現無線調度功能。當LTE系統應用到地鐵行業后，需研究和開發以LTE系統設備為基礎適應地鐵行業使用的控制中心調度臺、服務器、車載臺及車載固定臺等來實現無線調度功能，進而達到降低建設成本和簡化設備組網的目的。

針對業務要求，需滿足以下基本功能。

（1）手臺與手臺之間、調度臺與手臺之間、調度臺與車載臺之間及調度臺與調度臺之間的個呼和組呼。

（2）調度臺對單列列車和調度臺對多列列車進行廣播。（3）調度臺、手持臺及車載臺具有短消息功能。（4）接收ATS信號，在調度臺軟件上顯示列車位置信息。

由于LTE系統頻帶寬，可對調度設備進行研究和開發，以實現控制中心調度員與列車司機視頻對話和列車廣播監聽等功能。

5 結 論

LTE系統具有頻帶寬、成本低及承載業務多等優點。當地鐵列車實現無人駕駛時，需滿足大量的列車視頻上傳、列車狀態信息上傳及自動控制信號的穩定傳輸等需求，LTE系統是最好的選擇。目前，該系統在地鐵上的應用還處于摸索階段，需根據地鐵現場需求進行改進，以實現更多的功能。