LTE-M在城市軌道交通中的增強應用研究

李士東

摘要：針對城軌車地無線通信應用場景，對LTE-M綜合承載業務需求進行了簡單介紹，并分析了LTE-M綜合承載應用目前存在的問題。對LTE-M增強應用的關鍵技術及難點問題進行了詳細說明，提出了LTE-M雙核心網冗余工程部署方案，闡述了全自動運行場景下列車廣播與乘客緊急對講實現方法，以及通過RAN-Sharing技術提升寬帶集群接入網可靠性的技術方案。通過實際地鐵線路的測試驗證，證明了系統設計的合理性和工程應用的可行性。

關鍵詞：LTE-M；軌道交通；車地無線；接入網共享

中圖分類號：U285文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2020）12-64-4

0引言

2013年TD-LTE技術開始進入城市軌道交通車地無線領域，并在鄭州地鐵1號線首次應用，主要用來承載車-地視頻業務。2014年國內產、學、研、用相關單位組成聯合攻關團隊，共同分析、論證和研究TD-LTE技術在城市軌道交通行業進行車地全業務綜合承載的可行性，并經過嚴格的測試驗證，并于2015年發布城市軌道交通車地綜合通信系統（LTE-M）團體標準，自此LTE-M技術在城市軌道交通行業迅速普及[1]。隨著城軌全自動運行（Fully Automatic Operation，FAO）技術的發展，對LTE-M系統的可靠性提出了新的要求，列車司機的取消也對LTE-M業務模型提出了全新的需求。

1城軌車地業務通信需求

城市軌道交通車地無線通信系統綜合承載業務主要包括列車運行直接相關業務、生產業務和維修類業務三大類[2]。

列車運行直接相關業務包括：①CBTC業務；②集群調度語音業務；③應急對講電話（Imminence Phone Handle，IPH）業務；④列車緊急文本下發業務；⑤列車控制和管理系統（Train Control and Management System，TCMS）業務。

生產業務包括：①閉路電視監控（Closed-Circuit Television，CCTV）業務；②乘客信息系統（Passenger Info rmation System，PIS）業務。

維修業務包括：①接觸網6C檢測系統業務；②車輛走行部系統業務；③集群調度視頻業務。

為了保證CBTC業務的安全性，LTE-M通常采用物理隔離的A，B雙網來同時承載CBTC業務，A，B雙網采用不同的頻率避免干擾。LTE-M A網進行綜合業務承載，占用頻譜帶寬較大，通常地下使用15 MHz頻譜帶寬，地上使用10 MHz頻譜帶寬；LTE-MB網承載部分關鍵業務，占用5 MHz頻譜帶寬。LTE-M A/B網車地無線通信承載需求分別如表1和表2所示[3]。

2 LTE-M綜合承載存在的問題

LTE-M技術具有抗干擾強、高速移動性好、越區切換平滑及維護管理方便等優勢[4]，因此LTE-M技術在城市軌道交通領域得到了快速普及。但是隨著LTE-M的普及應用，一些工程化問題也隨之出現。

2.1核心網冗余問題

LTE-M核心網通過供電冗余及板卡冗余等機制來提高設備自身的可靠性，但城市軌道交通一般存在一主一備2個控制中心，異地容災需要一個LTE-M網絡支持2個主備冗余核心網。

對于LTE技術，3GPP標準里定義了EPC POOL的冗余機制來提高網絡的可靠性。主要是通過部署多個MME，SGW網元，組成MME POOL，SGW Serving Area來提升網絡性能，實現負荷分擔及網絡容災功能，此種冗余方式對于電信運營商核心網各邏輯網元分布式部署是有意義的。城市軌道交通LTE-M核心網的各個邏輯網元全都部署到同一個硬件平臺上會存在問題，一個硬件平臺失效會導致整個核心網所有網元失效，無法實現核心網災備快速恢復。同時，現在LTE-M網絡具備B-TrunC功能來實現無線集群調度業務，使得核心網容災切換變得更加復雜。

2.2全自動運行場景下的IPH實現問題

傳統城市軌道交通列車由司機駕駛，司機室安裝無線集群調度車載臺來實現列車與指揮中心通信，乘客緊急對講與列車廣播業務通過車載臺中轉實現中心對乘客廣播及乘客向中心發起緊急對講。

全自動運行軌道交通線路、列車無司機自動駕駛，車載臺已經成為非標配產品，在沒有車載臺中轉的情況下，實現乘客緊急對講及列車廣播業務需要進一步研究。

2.3寬帶集群接入的網可靠性問題

對于城市軌道交通最重要的2個與列車運行直接相關的業務是CBTC和集群調度語音。LTE-M起步階段承載CBTC，而集群調度語音由TETRA網絡來承載[5]。目前主流趨勢是由LTE-M同時承載CBTC和集群調度語音，集群語音主要承載在LTE-M A網上，如果LTE-M A網的接入網出現故障，會導致集群調度語音業務失效，直接影響行車。

3 LTE-M增強應用方案

3.1核心網冗余方案

為了實現LTE-M網絡演進的分組核心網（Evolved Packet Core network，EPC）的異地災備，LTE-M單網可采用2套核心網組網[6]，在主備控制中心同時部署2套核心網設備及配套的路由交換設備，以LTE-M A網為例，核心網冗余網絡結構如圖1所示。

主備控制中心設備配置完全一致，城軌各業務系統通過路由器與LTE-M網絡對接，演進基站節點（Evolved NodeB，eNB）通過S1-Flex機制同時與2個核心網建立S1接口連接。單點故障分析如下：

（1）核心網單點故障

主備用控制中心各配置一臺核心網，2個核心網的靜態配置數據完全相同，eNB通過2條S1鏈路分別連接到主備用控制中心的核心網。正常情況下，主備用控制中心的核心網同時運行、互為備份。主用核心網故障的情況下，eNB能夠及時啟用到備用核心網的S1鏈路，保證數據傳輸的可靠性，所有業務自動切換到備用核心網，控制中心交換機故障后效果與之類似。

（2）傳輸網單點故障

室內基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）到控制中心的傳輸鏈路采用雙纖雙向自愈環網方式，當傳輸網出現單纖和設備單點故障時，傳輸鏈路可以實現20 ms的自愈保護，20 ms的通信閃斷對上層業務基本不會產生影響。

（3）車地通用路由封裝協議隧道單點故障

車載TAU設備和主備用控制中心的路由器分別建立通用路由封裝協議（Generic Routing Encapsulation，GRE）隧道，當主用控制中心的GRE隧道斷開時，TAU設備切換到備用控制中心的GRE隧道進行數據傳輸。

城軌業務服務器與車載設備的路由由TAU控制，TAU對路由的控制體現在兩方面：一方面是根據業務數據的落地點，選擇路由器進行數據轉發；另一方面是將主備用控制中心的路由做冗余備份，當一個路由器到核心網的鏈路異常時，能夠將路由自動切換到另一個路由器上，實現路由的冗余。

3.2 IPH實現方案

為了解決全自動運行場景下實現乘客緊急呼叫及列車廣播業務的應用，建議采用LTE-M系統實現。LTE-M綜合承載網絡直接打通乘客調與車載廣播系統的連接，LTE-M為業務提供透明管道，采用VoIP方式傳送業務語音[7]，方案如圖2如示。

方案主要由LTE-M系統、IPH服務器、列車綜合自動化系統（Train Integrated Automation System，TIAS）及車載PA共同實現乘客緊急呼叫和列車廣播功能。

IPH服務器和車載PA通過LTE-M系統提供的車地無線網絡傳輸通道進行IP通信，實現信令及媒體流交互，進而實現乘客緊急呼叫和列車廣播功能。IPH服務器為TIAS提供乘客緊急呼叫和列車廣播業務支持接口。

（1）乘客緊急呼叫

乘客緊急呼叫總是由車廂內的乘客發起，即由車載PA發起。TIAS乘客調在未收到車載PA發送的緊急對講請求時，不能主動發起乘客緊急對講。

TIAS乘客調接收到多個乘客緊急呼叫請求時，進行排隊，同一時間只能接聽一路，掛斷當前的緊急呼叫后，方可接聽其他乘客的緊急呼叫請求。

多TIAS乘客調操作同步要求：一個TIAS乘客調應答乘客緊急呼叫請求后，由TIAS自身負責通知其他TIAS乘客調相應的呼叫已被處理，其他TIAS乘客調接收到呼叫已處理消息后，刪除界面排隊的相應呼叫提示。

（2）列車廣播

TIAS調度臺能對單個或多個車進行人工列車廣播，可在TIAS調度臺上選擇廣播目標，然后發起廣播呼叫，列車廣播的媒體流是單向：TIAS調度臺至車載PA。

3.3接入網可靠性方案

城軌行車直接相關的CBTC業務采用LTE-M A/B雙網同時承載，任何單點故障不影響CBTC業務。但行車直接相關的集群調度語音業務僅在A網承載，A網eNB失效的情況下，相關基站下的集群調度語音業務將不可用，直接影響行車。針對這個問題，可采用無線接入網共享（Radio Acess Network Sharing，RAN-Sharing）技術，充分利用LTE-M雙網部署的特點，實現集群調度在無線接入網絡的備份，其中承載CBTC業務的B網BBU配置RAN-Sharing特性，通過RAN -Sharing將B網的接入網共享給A網使用，包括載頻資源和基站硬件資源。通過基站區分用戶類型，不同的用戶歸屬不同核心網管理。無線接入網共享方案，如圖3所示。

B網BBU和射頻拉遠單元（Remote Radio Unit，RRU）作為正線軌旁冗余網絡，主要用于CBTC的業務傳輸，還要考慮作為A網集群業務的備用接入網。借助S1-Flex機制，B網BBU可通過骨干承載網連接到A網EPC和多媒體調度系統。集群終端優先駐留在綜合承載網A網上，當A網基站出現故障，終端會通過小區重選接入到B網基站，并路由到A網核心網設備進行處理，繼續提供集群調度業務。

B網BBU通過終端國際移動用戶識別碼（International Mobile Subscriber Identity，IMSI）區分終端類型，主要是識別集群調度終端還是TAU終端。集群調度終端數據通過A網S1接口發送給A網核心網；TAU終端的數據通過B網S1接口發送給B網核心網。這樣可以保證B網業務數據與集群調度數據處理的獨立性，同時實現無線頻率在業務上的邏輯隔離。