TD-LTE技術在CBTC車—地無線通信中的研究及應用

武凝

摘 要：隨著城市軌道交通的快速發展及用戶需求的不斷提高，地鐵通信系統面臨著機遇與挑戰，文章以西安地鐵2號線引入，分析了地鐵通信數據傳輸存在的問題，提出在新建4號線中采用TD-LTE（Time Division Long Term Evolution，分時長期演進）技術實現CBTC（Communication Based Train Control System，基于通信的列車控制系統）中車-地通信數據的傳輸，并對其性能進行綜合聯調測試驗證。

關鍵詞：城市軌道交通;TD-LTE;CBTC;車—地通信

中圖分類號：U231.7 ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1001-5922（2020）10-0178-04

Abstract：With the rapid development of urban rail transit and the continuous improvement of user demand， Metro communication system is facing opportunities and challenges. This paper introduces Xi'an Metro Line 2， analyzes the problems of metro communication data transmission， and TD-LTE （Time Division Long Term Evolution） technology is used in the new line 4 to realize the transmission of train-ground communication data in CBTC （Communication Based Train Control System）， and its performance is verified by comprehensive joint commissioning test.

Key words：urban rail transit; TD-LTE; CBTC; vehicle-to-ground communication

0? ? ?引言

目前我國城市軌道交通事業飛速發展，憑借其先進、可靠、實用的特點日益成為市民出行的首選交通工具。根據不完全統計，截至2019年6月30日，累計已有37個城市投運城軌交通線路6126.82km，新增運營線路12條，新增長度365.32km[1]。城軌交通通信系統是用來為地鐵運營與管理提供信息傳送服務的，直接關系到地鐵運營的安全可靠性，但是西安地鐵既有線通信系統在運行多年后，已不太能夠適應現有用戶的數據傳輸需求，亟需采用一種新技術來滿足新建線路用戶的需求。

1? ? ?通信網絡運行現狀及存在問題分析

西安地鐵2號線已經運行8年多，隨著用戶業務需求日益頻繁，通信系統所面臨的壓力也逐漸增大，使得2號線通信傳輸網絡逐漸產生一些問題，下面主要從兩個方面進行分析。

1.1? ?通信傳輸網絡備用路由時延和丟包率

主要是指通信傳輸網絡的主用路由在被占用或發生故障時，采用備用路由進行數據傳送的時延以及丟包率，如表1所示。

由表1可以看出，2號線現有通信網絡主用路由在被占用或發生故障時，備用路由的網絡時延和丟包率都較高，說明備用路由端口使用率指標已接近飽和，不能實現對數據業務的可靠傳送。

1.2? ?通信傳輸網絡承載無線調度業務的使用情況

通信網絡所承載的無線調度業務用來實現地鐵內部高效的行車指揮通信，也作為應急搶險救援的手段占有較為重要的地位，下圖1為2號線無線調度系統基站信道占用情況。

由圖1可以看出， 2號線潏河停車場（13 Tingcc）4個信道全部占用，渭河車輛段（12 Cheld）只有2、3、4空閑，沿線車站也存在基站信道繁忙占用率高的情況，因此通信傳輸網絡作為無線調度業務數據的接入平臺和傳輸通道占用過于飽和，無法保障調度業務的數據安全性，嚴重影響司機和行調的通信，容易導致安全事故發生。

2? ? ?采用TD-LTE技術實現4號線CBTC中車-地數據的傳送

TD-LTE是第四代（4G）移動通信技術與標準，其TDD（時分雙工）方式可以利用信道的非對稱特性提高傳輸效率、靈活分配上、下行信道的無線資源，使得無線接入業務時延降低至10ms，頻譜利用率與原有通信技術相比可提高2～4倍[2]。相較于其他技術，LTE技術優勢明顯：①由于整體采用了扁平化的網絡結構，可以將數據傳輸時延降低，用戶使用體驗較好，方便地鐵列車運營部署及降低成本[6]。②頻譜可動態配置，實現所需帶寬并可根據用戶業務需求靈活動態調整。在20M的帶寬內可實現下行100Mbps，上行50Mbps的系統峰值速率。③具有較好移動性，可實現終端移動速度為0～15km/h時擁有最佳性能，15～120km/h有較好性能，120～350km/h保持連接，確保不掉線。④延遲小，子幀長度為0.5ms和0.675ms，解決了向下兼容的問題，控制面延遲小于100ms，用戶面時延小于5ms。⑤通過系統設計和嚴格的多級QoS（Quality of Service：服務質量）機制，能夠保證不同業務優先級和實時業務的服務質量。⑥ TD-LTE網絡和通信鏈路具有獨立的加密系統，保證了業務數據傳送的安全[7]。

CBTC是基于通信的列車自動控制系統，由LTE無線通信網絡完成車-地雙向數據的大量傳送，包括上傳列車的位置信息以及接收地面發送的列車移動授權信息（MAL），從而實現移動閉塞控制列車運行[3]。

西安地鐵4號線采用TD-LTE技術搭建的通信網絡實現CBTC系統車-地數據的傳送，基于TD-LTE通信網絡稱為DCS，負責將車載的狀態信息傳送到軌旁，同時把軌旁控制信息發送到車載，來控制列車的安全運行。根據線路分布，LTE網絡在各集中站、車輛段、停車場和控制中心分別設置骨干節點，組成 A、B 兩套獨立的環網結構，如圖2所示。

其主要結構包括：參見如下A，B網界面示意。①用A/B雙網冗余組網，全線各節點均部署兩套完全相同的BBU（分布式基帶處理單元）+RRU（射頻拉遠單元），分別接入設置在航天城控制中心的A/B網核心設備。② A、B網絡完全獨立，互不影響。車-地信息可在兩套網絡上同時傳輸，最終由信號系統接收并判斷使用[8]。③在控制中心設備室分別設置A網和B網的EPC（核心網設備，含服務器、網絡交換機）。通過中心交換機實現車-地信息和PIS（旅客信息導向系統）信息的收發，并完成用戶數據業務的隔離保證用戶業務的安全性。④列車頭尾司機室分別設置一套TAU（車載通信終端），通過TAU與CBTC車載設備相連，傳輸車-地信息[4]。

3? ? ?綜合聯調測試驗證

為驗證采用TD-LTE技術搭建的通信網絡能否實現CBTC車-地數據的傳送要求，在4號線進行以下測試，測試結果最終需滿足CBTC模式下列車控制業務越區切換時間小于150m的概率不小于95%;列車控制業務數據傳輸的丟包率應小于1%;列車控制業務通信中斷時間不超過2s等[5]。

經綜合聯調測試驗證，西安地鐵4號線采用TD-LTE技術構建的通信網絡性能符合CBTC車-地通信數據的傳輸要求，滿足地鐵運營需求[9]。

4? ? ?結語

綜上所述，基于TD-LTE技術的通信傳輸網絡在車-地數據傳送方面各項指標滿足CBTC的要求，收發數據的吞吐量、可靠性以及數據的丟包率、傳輸時延和網絡的切換時延等均達到CBTC的要求，支持地鐵列車的高速移動性，符合通信技術的演進趨勢，能夠應對未來城市軌道交通的飛速發展;同時采用TD-LTE 作為車-地傳輸技術的CBTC滿足設備國產化要求，后期維護更便捷也能在一定程度上降低整體投資成本[10]。

參考文獻

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[10]李晶.TD-LTE技術在城軌信號系統車-地通信中的應用分析[J].現代城市軌道交通，2015（06）：9-12+17.