LTE技術在城市軌道交通中的發展研究

摘要：目前，LTE技術因其大帶寬、高穩定性以及良好的兼容性，已被廣泛應用于各個地鐵項目中，主要作為車地無線通信的綜合承載網，本文以南京地鐵所使用的LTE系統為例，從系統架構方面對其進行了深入分析，明確其在地鐵中的發展和變化。

關鍵字：LTE;核心網;綜合承載網

近年來，全國城市軌道交通事業發展迅速，至2020年全國將有近50個城市擁有地鐵和輕軌系統。城市軌道交通的快速發展也帶動了城軌技術的不斷革新和進步。目前在地鐵應用多年的陸上集群無線電TETRA技術已無法滿足當前日漸豐富的需求。用戶不但需要傳輸語音和數據，同時也要實時查看圖像和視頻，這就需要更大的帶寬和速率。而LTE技術剛好能滿足以上需求，并且其在移動領域的成績有目共睹，安全性、穩定性和良好的用戶體驗均符合城軌當前需求，因此，LTE系統正在逐步覆蓋城市軌道交通領域。與此同時，2016年由中國城市軌道交通協會技術裝備專業委員會牽頭編制的《LTE-M系統總體架構及系統功能規范》正式發布，該規范明確規定了城市軌道交通可用的LTE頻段資源、綜合承載業務范疇、組網結構等關鍵信息，極大程度上解決了與運營商等的沖突，使為LTE系統在城市軌道交通中的應用提供了便利。本文以南京地鐵三條采用LTE系統作為綜合承載網的線路為例，從系統組網結構層面對其發展進行了相關研究。

1.LTE技術在南京地鐵的應用

南京地鐵的S9號線（寧高城際）、S6號線（寧句城際）和7號線均采用LTE-M系統作為車地綜合承載網，主要承載了信號CBTC（基于通信的列車控制系統）業務、車載PIS（乘客信息系統）業務、車載視頻監控業務、集群語音業務、列車緊急文本下發業務及車輛TCMS（列車運行狀態監視）業務等，為信號、車輛、通信等專業車地無線通信提供了一個統一的傳輸平臺。在系統整體結構方面，三條線均采用A、B雙網冗余組網，且A網和B網相互獨立，互不干擾，并行傳遞數據，A網由計算機網絡自行組網，B網則經相應傳輸設備組網，一旦一個網絡發生異常，另一個網絡可無縫對接，實現零延遲切換。最后，在頻段資源使用上面，三條線所使用的頻率資源均為LTE-M規范定義的1.8GHz頻段（1785-1805MHz），其中A網分配5MHz帶寬，B網分配15MHz帶寬，根據分配的帶寬大小我們可以看出，A網一般承擔單一關鍵業務，B網則承擔綜合業務。

2.系統構成

2.1 南京地鐵S9號線LTE系統架構

S9號線是南京地鐵首條引入LTE系統的線路，于2017年底正式開通運營，作為首次嘗試，LTE系統在S9號線僅作為綜合承載平臺，其無線集群功能并未得到徹底的應用。

整體系統架構是基于IP的扁平化網絡架構（見圖2-1），系統結構共分為四層，分別為終端層、接入層、核心層和應用層。其中終端層包括相關車載設備，如車載天線、車載TAU、車載交換機及車載攝像機等，用于將接收到的無線信號分解后傳送至各系統相應的設備中，同時也會將相關信息上傳至車站BBU設備。接入層是由車站BBU、RRU、交換設備及區間漏纜等組成，主要用于實現車站、車場及區間無線信號的覆蓋，同時起到上傳下達的作用，同時區間無線信號的覆蓋采用與TETRA系統共用漏纜的方式，上下行分別鋪設一根漏纜，通過合路器將TETRA信號與LTE A、B網信號合為一路接入區間漏纜。核心層設備是整個系統的中樞，在整個系統中最為關鍵和重要，主要負責整體網絡數據處理、控制及交互，該層設備由核心網設備、中心交換機等構成。此外，由于線路只有一座控制中心，所以A、B網核心網設備均放置在一個機房內。最后一層是應用層，是由所接入的業務后端設備構成，用于將其所需傳遞的信息送入LTE核心網設備。

在業務分配方面，A網承載了信號CBTC業務和車輛TCMS業務，B網是所有業務的綜合承載網，這里考慮到信號CBTC和車輛TCMS業務的重要性，特別將這兩個業務都配置在A、B網，確保其可靠性和穩定性要求。

2.2? 南京地鐵S6號線LTE系統架構

S6號線是南京第一條跨市域地鐵，連接了南京與句容兩個城市，于2018年12月正式開工，計劃于2021年底通車。S6號線LTE系統整體結構與S9號線基本相同，但在區間無線信號覆蓋和A、B網業務分配方面均有改動。首先是區間無線信號覆蓋方面，S6號線單側區間設置兩根漏纜，A、B網信號與TETRA信號通過合路器合并為一路后分別引入區間兩根漏纜，兩根漏纜信號強度一致，這樣兩根漏纜不但可以作為互備，同時對于高架站來說可增強信號輻射強度，進而確保接收信號的穩定性。其次在承載業務方面，S6號線除信號CBTC業務由A網和B網共同承載外，其余業務全部由B網獨立承載（見圖2-2）。

2.3 南京地鐵7號線LTE系統架構

7號線是南京地鐵首條全自動無人駕駛線路，于2017年底開工，計劃于2022年通車。線路總長35.49Km，設一座車輛段和一座停車場，因為是無人駕駛線路，為了進一步提高各系統的安全性和可靠性，同時設置兩座控制中心，兩處控制中心設備均為熱備份，這樣即使主用控制中心癱瘓，備用控制中心也能立刻頂上，極大的降低了各系統設備中斷的可能。

7號線LTE系統結構與S6號線和S9號線整體層級結構一致，但核心網設備配置有所不同，因為是雙控制中心設置，且考慮到無人駕駛系統對于信息傳輸可靠性和穩定性要求，7號線LTE系統在A、B網的基礎上另外又增加了一套B網備用網，即A網、B網與B備的結構，其中B網主用設置在主用控制中心，A網和B網備用設置在備用控制中心，A網與B網主用同傳數據，相互獨立，互不干擾，而B網主用與備用互為冷備份，即存在切換延時。這種架構可保證控制中心失電的突發狀況下可繼續保持車地無線通信的順暢，進一步確保運營的可靠性。

在承載業務方面，7號線與S6號線A、B網業務分配規則一致，但在區間無線信號覆蓋方面，7號線單側區間也鋪設了兩根漏纜，一根漏纜承載A網與TETRA合路的無線信號，另一根漏纜則單獨承載B網信號（見圖2-3）。

3.LTE系統架構的對比分析

通過對S9號線、S6號線和7號線LTE系統架構的概述，我們可以看到三條線LTE系統組網結構并非完全相同，具體表現為以下幾個方面。

系統整體架構在不斷調整。三條線的組網結構雖然大體看似一致，保持A、B網雙網冗余結構，但7號線LTE整體已變為A網、B主與B備的結構，在原有熱備份的基礎上又增加一級冷備份，與S6號線和S9號線相比網絡安全性更高。

區間無線信號覆蓋方式不同。從S9號線采用單根漏纜覆蓋區間到S6號線和7號線采用兩根漏纜覆蓋區間，從A網、B網和TETRA信號合為一路接入區間，到A網與B網信號分開接入，LTE區間信號覆蓋方式在不斷調整，每次調整都是根據線路特點和不同需求而變化。

A/B網業務分配不同。由于對于業務優先級設定不同，三條線對于A網和B網承載的具體業務分配均有所不同。

根據上述，我們可以看到LTE系統在南京地鐵中應用的三個階段，即嘗試階段、運用階段和創新階段，這三個階段同時也代表了LTE系統在地鐵中的發展過程。總體來說，LTE系統進入南京地鐵后一直隨著地鐵的需求而不斷改進。

4.結語

通過對LTE系統在南京地鐵三條線的組網結構的分析和對比，我們可以看到LTE系統整體架構的可塑性很強，可根據不同線路需求而改變，并且LTE系統穩定性較強，冗余結構的A/B雙網配置，極大地提高了系統使用的安全性，同時LTE系統還可與無人駕駛技術相結合使用，為無人駕駛系統提供可靠、穩定的無線網絡傳輸通道，相信未來LTE系統會在地鐵中應用越來越廣泛。

參考文獻：

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[3]. LTE在城市軌道交通智慧運維系統中的應用[J]. 戴克平，白龍.鐵道通信信號.2017（05）

[4]. LTE在城市軌道交通智慧運維系統中的應用[J]. 戴克平，白龍.鐵道通信信號.2017（05）

作者簡介：

楊惠龍，1984年2月，江蘇南京，工程碩士學位，工程師，注冊安全工程師，城市軌道交通通信技術、城市軌道交通安全質量管理

南京地鐵運營有限責任公司? 江蘇省南京市? 210000