基于LTE綜合承載系統(tǒng)的城市軌道交通集群調(diào)度方案設(shè)計

戴俊杰

（上海市隧道工程軌道交通設(shè)計研究院，上海 200000）

TD-LTE作為我國擁有核心自主知識產(chǎn)權(quán)的國際通信標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，具有較為成熟的產(chǎn)業(yè)鏈。對比地鐵常用的WLAN、TETRA等無線數(shù)據(jù)傳輸制式在抗干擾能力、安全性、業(yè)務(wù)優(yōu)先級策略、吞吐速率、高速切換能力等方面也具有較大技術(shù)優(yōu)勢，契合軌道交通業(yè)務(wù)承載需求。文章主要研究基于LTE綜合承載系統(tǒng)的交通調(diào)度。

1 集群調(diào)度業(yè)務(wù)分析

專用無線集群調(diào)度系統(tǒng)主要用于列車運(yùn)行指揮和防災(zāi)應(yīng)急通信，為固定人員（調(diào)度員、值班員）和流動人員（司機(jī)、維修人員、列檢人員）提供相互間的語音和數(shù)據(jù)通信服務(wù)。專用無線通信系統(tǒng)能夠為調(diào)度指揮提供安全可靠的無線通信，是指揮列車運(yùn)行的必要專用通信工具。無線調(diào)度系統(tǒng)的用戶主要包括線網(wǎng)指揮中心調(diào)度員、行車調(diào)度員、車站值班員、外勤工作人員以及運(yùn)行線路上的列車司機(jī)等。

傳統(tǒng)無線調(diào)度系統(tǒng)多采用TETRA技術(shù)，該方案因技術(shù)體制原因，數(shù)據(jù)能力弱，只能滿足日常運(yùn)營的語音集群調(diào)度業(yè)務(wù)。現(xiàn)階段，軌道交通行業(yè)用戶在集群語音業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，對集群多媒體業(yè)務(wù)、高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求日益迫切，尤其是以視頻調(diào)度、數(shù)據(jù)調(diào)度、多媒體調(diào)度的需求最為突出。面對用戶需求的變化，既有的專用無線系統(tǒng)功能已無法滿足用戶需求，LTE技術(shù)作為一種專門為移動高帶寬應(yīng)用設(shè)計制定的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，可以較好實現(xiàn)上述功能。

2 基于LTE-M的集群調(diào)度

LTE綜合承載（LTE-M）系統(tǒng)采用我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的TDD（時分復(fù)用）-LTE技術(shù)，可承載的主要業(yè)務(wù)包括CBTC列控業(yè)務(wù)、集群調(diào)度業(yè)務(wù)、列車PIS緊急文本、列車實時狀態(tài)監(jiān)測、車載CCTV業(yè)務(wù)等。

相較于TETRA技術(shù)，基于LTE技術(shù)的無線寬帶集群通信（B-TrunC）系統(tǒng)在保證語音調(diào)度服務(wù)質(zhì)量的前提下，帶寬更大，能夠進(jìn)一步滿足文本、圖像、高速數(shù)據(jù)等調(diào)度業(yè)務(wù)的需求。

LTE（B-TrunC）與TETRA技術(shù)對比如表1所示。

表1 LTE（B-TrunC）與TETRA技術(shù)對比

3 系統(tǒng)設(shè)計方案分析

3.1 系統(tǒng)方案

LTE-M系統(tǒng)需要同時承載CBTC列控業(yè)務(wù)，根據(jù)信號設(shè)計要求，LTE-M系統(tǒng)分A、B雙網(wǎng)建設(shè)。A網(wǎng)綜合承載CBTC列控業(yè)務(wù)、集群調(diào)度業(yè)務(wù)、列車PIS緊急文本、列車實時狀態(tài)監(jiān)測、車載CCTV業(yè)務(wù)；B網(wǎng)承載CBTC列控業(yè)務(wù)及集群語音業(yè)務(wù)備份。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的LTE核心網(wǎng)（EPC）由各條軌道交通線獨(dú)立冗余配置，集群業(yè)務(wù)的LTE核心網(wǎng)（EPC）在線網(wǎng)中心處統(tǒng)一設(shè)置，兩種業(yè)務(wù)通過基站共享方式實現(xiàn)業(yè)務(wù)流分離。在傳輸層和核心層，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與集群業(yè)務(wù)分離，軌行區(qū)業(yè)務(wù)實行綜合承載，非軌行區(qū)業(yè)務(wù)主要為集群調(diào)度業(yè)務(wù)，覆蓋設(shè)備獨(dú)立設(shè)置。針對LTE綜合承載網(wǎng)的無線覆蓋部分，區(qū)間采用泄漏同軸電纜分別饋入A、B網(wǎng)絡(luò)信號，不進(jìn)行互饋。

集群業(yè)務(wù)的LTE核心網(wǎng)（EPC）應(yīng)實現(xiàn)全網(wǎng)LTE集群調(diào)度的互通，考慮大量線路仍使用TETRA網(wǎng)絡(luò)，為保證線網(wǎng)集群業(yè)務(wù)互通，LTE-M系統(tǒng)可實現(xiàn)與TETRA網(wǎng)絡(luò)的語音級互聯(lián)。A、B網(wǎng)組成如圖1所示。

圖1 LTE-M系統(tǒng)組成

（1）LTE-M組網(wǎng)。

LTE-M系統(tǒng)基站的組網(wǎng)方式采用基站（BBU）+射頻單元（RRU）方案。線路所有車站、控制中心、場段均設(shè)置BBU/RRU設(shè)備，車站及場段BBU通過有線傳輸網(wǎng)提供的傳輸通道與核心網(wǎng)設(shè)備相連，RRU采用光纖與BBU直接連接。為實現(xiàn)區(qū)間TD-LTE無線信號覆蓋，一般采用在區(qū)間增設(shè)RRU方式，通過RRU將無線信號送入收發(fā)信號的漏泄電纜，實現(xiàn)隧道內(nèi)覆蓋。

（2）LTE雙網(wǎng)方案描述。

信號CBTC系統(tǒng)需要保證冗余以及單點的故障不影響列車位置的定位。對于行車集群調(diào)度業(yè)務(wù)，尤其是列車的司機(jī)調(diào)度可靠性，需要在正線上保證單點故障的情況下調(diào)度業(yè)務(wù)能夠正常運(yùn)行。隨著全自動駕駛和無人駕駛在上海軌道交通中的應(yīng)用，LTE網(wǎng)絡(luò)自身的穩(wěn)定性、可靠性顯得更為重要。

基于需求角度分析，采用LTE系統(tǒng)建設(shè)車地?zé)o線通信系統(tǒng)時，為增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性，建議采用A、B雙網(wǎng)冗余設(shè)計，兩張網(wǎng)絡(luò)完全獨(dú)立（包括有線傳輸網(wǎng)絡(luò)），并行工作、互不影響。A網(wǎng)用于集群調(diào)度、列車運(yùn)行控制業(yè)務(wù)、集群調(diào)度、緊急文本下發(fā)、車輛關(guān)鍵視頻監(jiān)控、車輛狀態(tài)信息、乘客緊急對講業(yè)務(wù)；B網(wǎng)絡(luò)用于列車運(yùn)行控制業(yè)務(wù)、集群調(diào)度。

A/B雙網(wǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（包括信號列車運(yùn)行控制業(yè)務(wù)、車載視頻監(jiān)控、車輛狀態(tài)信息、緊急文本下發(fā)等）在核心網(wǎng)子系統(tǒng)、車站子系統(tǒng)及車載子系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備設(shè)置完全一致，各單點主要設(shè)備（車載天線、BBU/RRU、交換機(jī)、服務(wù)器等）均為兩套，雙網(wǎng)唯一不同是頻段的分配和承載業(yè)務(wù)的主備功能。A/B雙網(wǎng)的集群業(yè)務(wù)（包括集群調(diào)度、乘客緊急對講業(yè)務(wù)等）在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)設(shè)備部署的基礎(chǔ)上，由A網(wǎng)在站廳、站臺等需要集群業(yè)務(wù)覆蓋的區(qū)域設(shè)置設(shè)備、天饋，B網(wǎng)不進(jìn)行增設(shè)。集群業(yè)務(wù)核心網(wǎng)子系統(tǒng)為線網(wǎng)級冗余設(shè)置，多線共享，以保證線網(wǎng)集群業(yè)務(wù)的統(tǒng)一管理，減少后續(xù)線路建設(shè)成本。可設(shè)置與TETRA集群系統(tǒng)對接接口，實現(xiàn)與傳統(tǒng)TETRA制式業(yè)務(wù)互聯(lián)。

（3）QOS設(shè)置。

根據(jù)業(yè)務(wù)的重要性和傳輸性能要求，結(jié)合LTE對優(yōu)先級和服務(wù)質(zhì)量的分類，定義各車地通信業(yè)務(wù)的優(yōu)先級和服務(wù)質(zhì)量（延時、丟包等）。將列車運(yùn)行控制業(yè)務(wù)的優(yōu)先級設(shè)置為1，即系統(tǒng)中的最高優(yōu)先級，由于緊急信息在特殊需求的情況下發(fā)，因此要求有較高的優(yōu)先級、較低的時延和丟包率。車輛的視頻監(jiān)控回傳定義為較低優(yōu)先級。

通過對不同的業(yè)務(wù)劃分不同的優(yōu)先級，可以保證列車運(yùn)行控制業(yè)務(wù)傳輸?shù)母邇?yōu)先級及服務(wù)質(zhì)量（延時、丟包等），在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行其他業(yè)務(wù)的調(diào)度傳輸。

（4）時鐘同步。

LTE-M系統(tǒng)采用TD-LTE技術(shù)，要求無線幀嚴(yán)格同步，系統(tǒng)同步方式主要有兩種。

①衛(wèi)星時鐘同步。

北斗/GPS向全球范圍內(nèi)提供定時和定位的功能，全球任何地點的北斗/GPS用戶通過低成本的北斗/GPS接收機(jī)接受衛(wèi)星發(fā)出的信號，獲取準(zhǔn)確的空間位置信息、同步時標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)時間。系統(tǒng)可在每個基站BBU設(shè)置北斗/GPS天線以獲取北斗/GPS定時信息。

②傳輸網(wǎng)絡(luò)PTP協(xié)議同步。

IEEE 1588v2同步方式是基于分組包的同步技術(shù)，簡稱PTP協(xié)議，是一種主從同步系統(tǒng)。在系統(tǒng)的同步過程中，主時鐘周期性發(fā)布PTP時間同步協(xié)議及時間信息，從時鐘端口接收主時鐘端口發(fā)來的時間戳信息，系統(tǒng)據(jù)此計算出主從線路時間延遲及主從時間差，并利用該時間差調(diào)整本地時間，使設(shè)備時間與主設(shè)備時間保持一致的頻率與相位。

考慮工程的實際建設(shè)情況，一般在核心網(wǎng)側(cè)安裝北斗/GPS天線獲取北斗/GPS定時信息，通過支持PTP協(xié)議的有線傳輸網(wǎng)絡(luò)將信號傳送至站場級BBU設(shè)備。此外可在BBU設(shè)備側(cè)設(shè)置GPS天線作為備用時鐘源。

3.2 冗余保護(hù)

因系統(tǒng)承載了大量行車相關(guān)信息的傳輸，在設(shè)計時應(yīng)考慮具有更高可靠性的方案，降低系統(tǒng)故障概率和有關(guān)影響正常運(yùn)行的隨機(jī)性。

（1）采用冗余措施保證系統(tǒng)的可靠性及可用性。

（2）采用已被證明具有高可靠性的元件。

（3）采用已被證明具有高可靠性的設(shè)計。

（4）避免會中斷運(yùn)行的單點故障。

（5）提供各種故障情況下的“故障操作”能力。

（6）必須具備自診斷及告警功能。

（7）系統(tǒng)能提供可靠的“功能后備”運(yùn)行方式。

（8）各網(wǎng)元設(shè)備本身應(yīng)具備單板級備份，保證網(wǎng)元內(nèi)單板故障后不影響正常工作。

（9）組網(wǎng)方案中不允許出現(xiàn)單點故障，需要存在多路徑或節(jié)點備份。

3.3 頻譜規(guī)劃

2003年工信部（信部無[2003]408號）文件規(guī)定，1 785～1 805 MHz頻段主要用于本地公眾網(wǎng)無線接入，本地專用網(wǎng)也可用于無線接入。將TDD系統(tǒng)5 MHz帶寬擴(kuò)展為20 MHz帶寬，1 800～1 805 MHz擴(kuò)展為1 785～1 805 MHz。

載頻中心頻率為1 785.125 MHz∶0.25 MHz∶1 804.875 MHz或1 785.25 MHz∶0.5 MHz∶1 804.75 MHz。

LTE-M原則上采用A網(wǎng)（15 Mbps）+B網(wǎng)（5Mbps）構(gòu)建，站廳集群LTE網(wǎng)采用15Mbps構(gòu)建。

考慮到1 785～1 805 MHz頻段并非城市軌道交通單一業(yè)務(wù)專用頻段，在高架區(qū)段會存在受到其他場所同頻信號覆蓋的影響，同頻干擾會對小區(qū)吞吐量、覆蓋范圍產(chǎn)生影響。所以規(guī)劃LTE頻率時，應(yīng)充分考慮高架區(qū)間可能存在的干擾，盡量避免其他LTE系統(tǒng)對軌道交通LTE系統(tǒng)的干擾：

（1）對高架區(qū)間預(yù)先進(jìn)行掃頻，了解其他LTE系統(tǒng)的覆蓋情況、頻率使用情況及覆蓋功率。

（2）針對其他LTE系統(tǒng)覆蓋情況，選擇適當(dāng)無線信號覆蓋角度以對抗干擾。

（3）通過適當(dāng)增加系統(tǒng)輸出功率，降低周圍其他干擾源的影響。

（4）針對干擾非常嚴(yán)重區(qū)域，建議采用行政干涉控制其覆蓋范圍，降低其對軌道交通LTE系統(tǒng)的干擾。

對于頻譜資源協(xié)調(diào)確實存在困難的區(qū)段，以滿足集群及信號CBTC業(yè)務(wù)帶寬需求的方式建設(shè)，如A網(wǎng)（15 Mbps）+B網(wǎng)（5 Mbps）方式。此條件下區(qū)段車載PIS、車載CCTV、車輛信息等需通過其他車地?zé)o線傳輸方案進(jìn)行傳輸。

4 結(jié)語

隨著軌道交通的不斷發(fā)展，除基礎(chǔ)的語音調(diào)度功能，軌交運(yùn)營管理部門對多媒體視頻調(diào)度的需求也不斷增加。LTE技術(shù)作為一種通用移動通信技術(shù)，不僅能保證語音通信質(zhì)量，也能滿足運(yùn)營維保人員對圖像、視頻、文件等多媒體調(diào)度功能需求。目前LTE-M作為車地?zé)o線傳輸技術(shù)已在軌道交通建設(shè)工程中逐漸普及，在應(yīng)用過程中不斷完善和改進(jìn)，基于LTE-M的集群調(diào)度系統(tǒng)能夠更好地為軌道交通的安全運(yùn)營提供服務(wù)。