北京大興國際機場線基于LTE-M系統的業務綜合承載方案

蔡京軍 豐 磊 馬 蘭 沈 強 潘 皓

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司，100068，北京；2.城市軌道交通全自動運行系統與安全監控北京市重點實驗室，100068，北京；3.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司,100160，北京//第一作者，高級工程師)

城市軌道交通車地間無線通信業務及種類越來越多，原各業務獨立建設有多張車地無線通信網，存在網絡相互干擾、重復建設、資源浪費，以及網絡可靠性、可用性較低等問題，為解決這些問題并保證城市軌道交通的安全運營，迫切需要整合車地間無線通信業務進行統一承載。本文以北京大興國際機場線(以下簡稱“大興機場線”)建設為例，探討LTE-M(Long Term Evolution-Metro,地鐵長期演進系統)實現綜合承載車地無線業務的可行性及合理性。

1 LTE-M技術

2014年，由北京市交通委員會、北京市科學技術委員會、北京市經濟和信息化委員會、北京市軌道交通建設管理有限公司會同北京軌道交通指揮中心、北京地鐵運營公司組織北京交通大學、北京全路通信信號研究設計院集團有限公司以及國內通信信號的主流廠商在TD-LTE(時分長期演進)基礎上共同提出了滿足城市軌道交通綜合業務需求的車地通信系統(LTE-M)，并進行了聯合攻關，對LTE-M綜合承載CBTC(基于通信的列車控制)、(PIS)乘客信息系統、車載 CCTV(視頻監控)等業務進行了可行性驗證工作。

LTE-M系統采用了OFDM(正交頻分復用)、MIMO(多輸入多輸出)、調度、反饋等多種先進技術，大容量、高速率是其區別于其他系統的基本特征。

1.1 安全性

LTE-M系統的安全性主要體現在以下3個方面：

1)專用頻率。大興機場線LTE-M系統使用國家無線電委員會批準的專用頻率，可在獲批頻率范圍內合法使用頻率資源。LTE-M系統終端為針對性定制終端，其它終端無法搜索該頻率且無法接入該網絡。

2)雙向鑒權。LTE-M終端在注冊網絡時，需將自己的key信息上報給核心網，核心網對該信息進行鑒權，同時核心網也會將自己的key信息發送給終端進行鑒權。只有當雙向鑒權全部通過后，才允許終端接入網絡進行正常業務。

3)高加密算法。LTE網絡支持AES、Snow 3G和祖沖之加密算法，優先采用祖沖之加密算法。祖沖之加密算法是我國自主設計的流密碼算法,被3GPP(第三代合作伙伴計劃)LTE采納為國際加密標準，即第四代移動通信加密標準，廣泛應用于國防、電力、水利、公安等行業。

1.2 抗干擾性

為了提高LTE-M系統用戶在小區邊緣的數據傳輸速率，支持同頻組網，LTE-M系統采用小區間干擾協調(ICIC)技術來決定如何調度和使用無線資源，以提高小區邊緣的數據速率和覆蓋。ICIC技術實現簡單、效果較好，是LTE抑制小區間干擾的主流技術。

2 大興機場線LTE-M無線頻率規劃

根據工信部無[2015]65號[1]，規定及北京市無線電管理局的《北京市軌道交通視頻傳輸無線專網使用頻率通知書》，結合大興機場線運營情況，該線LTE-M系統的頻率配置方案如下：

1)地面區域頻率范圍為1 785～1 800 MHz，A網使用10 MHz(1 785～1 795 MHz )帶寬同頻組網，B網使用5 MHz帶寬(1 795～1 800 MHz )同頻組網。

2)地下區域頻率范圍為1 785～1 805 MHz，A網使用15 MHz(1 785～1 800 MHz)帶寬同頻組網，B網使用5 MHz(1 800～1 805 MHz )帶寬同頻組網。

具體頻率分配如圖1所示。

圖1 大興機場線LTE-M系統頻率規劃圖

A網為綜合承載業務網絡，在地面區域占用了10 MHz頻寬，在地下區域占用了15 MHz頻寬。按照上述頻率配置，保證了A網能夠有足夠的頻寬進行多種業務的綜合承載。

3 大興機場線LTE-M系統綜合承載業務

大興機場線綜合承載業務主要包括列車運行直接相關業務、生產類業務和維修類業務三類。

3.1 列車運行直接相關業務

1)CBTC列車運行控制業務。根據列車在線路上運行的客觀條件和實際情況，對列車運行速度及制動方式等狀態進行監督、控制和調整。CBTC列車運行控制業務對LTE-M系統有以下需求：

(1)LTE-M系統的可用性不低于99.99%；

(2)對QoS(服務質量)要求高，整個LTE-M系統最優先保證該業務的傳輸，該業務的傳輸不受其他業務傳輸的影響；

(3)列車運行速度達到200 km/h時，LTE-M系統能夠滿足性能要求；

(4)求LTE-M系統單路單向傳輸時延不超過150 ms的概率大小于98%，不超過2 s的概率大小于99.92%；

(5)LTE-M系統的丟包率不超過1%，中斷時間不超過2 s的概率不小于99.99%；

(6)GOA1和GOA2下，列車運行控制業務數據周期性發送，LTE-M系統每路傳輸速率上下行分別不小于256 kbit/s；

(7)GOA3和GOA4下，列車運行控制業務數據周期性發送，要求LTE-M系統上行每路傳輸速率不小于512 kbit/s，下行每路傳輸速率不小于512 kbit/s[3]。

2)列車緊急文本下發業務。是地面PIS服務器發送給車載PIS終端的緊急文本信息。列車緊急文本下發業務對LTE-M系統有以下需求：

(1)LTE-M系統支持地面任意時刻可以傳送緊急文本信息給線路上任意地點的車載設備；

(2)LTE-M系統可點對點、點對多點傳輸；

(3)LTE-M系統傳輸時延不超過300 ms的概率不小于98%；

(4)LTE-M系統丟包率不大于1%；

(5)列車緊急文本下發業務為隨機性數據，要求LTE-M系統傳輸速率不小于10 kbit/s。

3)列車運行狀態信息監測業務。將列車運行狀態實時監測系統傳感器采集到的列車關鍵參數實時傳送到地面監測中心。列車運行狀態信息監測業務對LTE-M系統有以下需求：

(1)列車運行狀態信息監測業務為周期性數據，要求LTE-M系統可進行點對點傳輸；

(2)LTE-M系統傳輸時延不超過300 ms的概率不小于98%；

(3)LTE-M系統丟包率不大于1%；

(4)GOA1和GOA2下，LTE-M系統上行每路傳輸速率不小于24 kbit/s，最大傳輸速率為80 kbit/s；

(5)GOA3和GOA4下，LTE-M系統上行每路傳輸速率不小于32 kbit/s，最大傳輸速率為104 kbit/s，下行每路傳輸速率不小于1 kbit/s。

4)乘客緊急呼叫業務。LTE-M系統為乘客緊急呼叫提供車地數據傳輸的無線通道和數據接口，數據為實時語音業務。

3.2 生產類業務

1)車載視頻監控業務。將列車駕駛室、列車車廂的視頻監控圖像通過無線方式實時傳輸到控制中心或地面監控站，進行集中監控。車載視頻監控業務對LTE-M系統有以下需求：

(1)LTE-M系統可同時進行上行至少2路視頻傳輸；

(2)LTE-M系統每路視頻傳輸速率至少1 Mbit/s；

(3)LTE-M系統傳輸時延不超過500 ms概率不小于98%；

(4)LTE-M系統丟包率不大于1%[4]。

2)PIS視頻業務。由地面將視頻或圖像信息通過廣播或者組播傳輸到車廂內播放。PIS視頻業務對LTE-M系統有以下需求：

(1)LTE-M系統支持廣播和組播通信；

(2)LTE-M系統能夠傳輸圖像分辨率為標清或高清的視頻，傳輸速率為下行2～8 Mbit/s；

(3)LTE-M系統傳輸時延不超過500 ms的概率不小于98%；

(4)LTE-M系統丟包率不大于1%。

3.3 維修類業務

1)接觸網檢測系統(含軌檢)業務。將列車接觸網運行參數、軌道運行參數和供電設備參數的檢測數據通過無線方式傳輸到控制中心。接觸網檢測系統(含軌檢)業務對LTE-M系統有以下需求：

(1)LTE-M系統提供所需的車地數據傳輸通道，傳遞點對點以太網信息數據；

(2)LTE-M系統傳輸速率上行為0.21 Mbit/s，下行為0.01 Mbit/s；

(3)確保車載數據可非實時落地。

2)車輛走行部系統業務。將列車走行部系統檢測數據通過無線方式傳輸到控制中心。車輛走行部系統業務對LTE-M系統有以下需求：

(1)LTE-M系統提供所需的車地數據傳輸通道，傳遞點對點以太網信息數據；

(2)走行部業務在列車回庫后開始上傳，支持斷點續傳。

3)集群調度視頻業務。支持個呼、組呼呼叫業務；支持視頻通話請求、多組/多選視頻呼叫(組間不互通)業務；支持北向通信活動輸出接口，把系統內的視頻呼叫記錄轉發給第三方設備。

4 大興機場線LTE-M系統綜合承載帶寬分配

根據大興機場線列車運行和車輛配屬特點，每個RRU(射頻拉遠單元)控制區按4列列車進行關聯。LTE-M系統綜合業務承載網(A網)承載速率及業務帶寬如表1所示。

LTE-M系統業務承載網(B網)承載除乘客緊急呼叫業務以外的列車運行直接相關業務。

由表1表可知，地下A網上行邊緣速率為8.5 Mbit/s，下行邊緣速率為6.5 Mbit/s；地面A網上行邊緣速率為6.5 Mbit/s，下行邊緣速率為6.5 Mbit/s；B網上行邊緣速率為3 Mbit/s，下行邊緣速率為3 Mbit/s。

結合本工程使用的LTE-M系統頻率、基站及車載終端的發射功率、漏纜規格參數等技術指標,通過漏纜模型鏈路預算可得出：A網在地下段區域，15 MHz帶寬時，上行邊緣速率為8.5 Mbit/s，最大覆蓋距離為1.00 km；A網在地面區域，10 MHz帶寬時，上行邊緣速率為6.5 Mbit/s，最大覆蓋距離為1.10 km；B網5 MHz帶寬，上行邊緣速率3 Mbit/s時，最大覆蓋距離1.00 km。即當A、B網基站設置間隔小于等于1.10 km時，可滿足A網綜合承載，B網業務承載的需求。

大興機場線LTE-M系統實現了上述業務綜合承載，其中對基于B-Trunc的集群調度語音、視頻業務也進行了試驗性承載，作為行車調度備用，為今后進行正式承載進行功能驗證。主要實現了集群調度語音、視頻業務的個呼、組呼、等呼叫業務。

5 大興機場線LTE-M系統綜合承載服務質量

LTE-M系統支持9個優先級的保障，軌道交通用戶可以自行定義數據傳輸的QoS等級，實現對重要業務的資源優先分配。尤其是在網絡邊緣數據傳輸性能降低的情況下，LTE-M系統能夠優先保證QoS等級高的業務數據可靠傳輸。根據業務類型的不同要求劃分不同的優先級，可以保證高優先級、高服務質量(低時延、低丟包率),以此來滿足不同業務的指標要求,如表2所示。

為了保障行車安全，CBTC列車運行控制業務設置為最高優先級1，對應的是QCI為5的Non-GBR資源類型；其丟包率為10-6，滿足CBTC列車運行控制業務丟包率不超過1%的要求。同理，通過業務的優先級配置，可滿足不同業務的時延及丟包率要求。

6 綜合承載業務LTE-M系統部署方案

大興機場線是一條全自動運行線路，CBTC列車運行控制業務是保證列車自動運行的關鍵業務，列車運行狀態信息監測業務是對列車控制及管理的關鍵業務。LTE-M系統作為全自動運行的核心系統之一,需要保證其車地數據傳輸的安全性及可靠性[5]。

6.1 基于LTE-M系統的列車運行直接相關業務車地通信系統構成

基于LTE-M系統的列車運行直接相關業務，其車地通信系統主要由A、B兩張網絡進行承載，實現其網絡級冗余保護。每一個網絡由中心子系統、地面子系統及車載子系統三部分組成[6]，如圖2所示。

1)中心子系統。主要由LTE-M系統A、B核心網設備及列車運行直接相關業務服務器等設備組成。A核心網設備放置于主用控住中心，B核心網設備放置于備用控制中心。

2)地面子系統。由LTE-M系統的A、B網無線基帶單元BBU(基帶處理單元)、RRU、合路器及泄漏電纜組成，實現軌旁A、B網信號的全覆蓋。A、B網全部采用4通道RRU分別連接左右兩個方向的兩根漏纜，達到A、B兩張網絡2T2R的MIMO效果。

3)車載子系統。由位于車頭及車尾的A、B網車載接入單元(TAU)及車載天線系統組成。兩臺TAU同時工作，將車上的數據業務通過A、B雙網傳回地面中心系統。

通過建設A、B兩張物理隔離的LTE-M網絡，實現車地之間關鍵業務傳輸的可靠性及安全性。當任意一張網絡出現故障時，不會影響列車運行直接相關業務的車地數據傳輸。

圖2 大興機場線LTE-M系統A、B網系統構成圖

6.2 基于LTE-M系統的列車生產及維修業務車地通信系統構成

基于LTE-M系統的列車生產及維修相關業務，主要由A網(主用)及A′網(備用)進行承載，實現其中心子系統設備級主備冗余保護，如圖3所示。

圖3 大興機場線LTE-M系統A、A′網系統構成圖

1)中心子系統。主要由LTE-M系統的A、A′核心網設備及列車生產、維修相關業務服務器等設備組成。A核心網設備放置于主用控住中心，A′核心網設備放置于備用控制中心。A、A′核心網設備互為主備，當A核心網設備發生故障或退出服務時，A′核心網設備能夠立即接管業務，保證車地數據業務傳輸。

2)地面子系統。由LTE-M系統的A、A′網共用的無線基帶單元BBU、RRU、合路器及泄漏電纜組成，提供無線接入服務。

3)車載子系統。由位于車頭及車尾的A、A′網共用的車載接入單元(TAU)及車載天線系統組成。兩個TAU互為主備冗余配置，當主用TAU發生故障時，車上的數據會選擇備用TAU進行數據傳輸，保證車地數據傳輸的高可靠性。

7 方案驗證

大興機場線于2019年6月15日正式試運行。試運行期間LTE-M系統不斷進行調試和優化，經過多次系統功能和業務數據傳輸測試，并于2019年9月26日正式開通運營。結果顯示：按照上述綜合承載業務配置及LTE-M系統部署方案，CBTC列車運行控制業務無丟包現象，PIS視頻業務播放流暢，車載視頻業務無卡頓及馬賽克現象，列車緊急文本下發及運行狀態信息數據能夠及時準確傳輸。北京地鐵新機場線LTE-M系統能夠滿足地鐵綜合承載業務的需求。

8 結語

隨著城市軌道交通線路的不斷建設，LTE-M系統應用于城市軌道交通綜合承載，可以對列車的車地通信系統進行實時監控，對整個列車系統的狀態進行實時觀測[7]，能夠滿足綜合承載各業務的不同需求，保障列車的安全運行，提高城市軌道交通的管理水平與服務水平，促進整個城市軌道交通行業的良性發展，能夠為建設安全、高效、綠色、環保的城市軌道交通線路發揮更多積極的作用。