LTE-U在市域快線中綜合業(yè)務(wù)承載的應(yīng)用研究

張 媛

（成都地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，成都 610058）

1 概述

國(guó)內(nèi)城市化進(jìn)程加快，軌道交通建設(shè)迎來(lái)快速發(fā)展時(shí)期，車地?zé)o線通信的數(shù)據(jù)量成倍增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)帶寬不足的問題日益突出。

通信車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)主要承載乘客信息系統(tǒng)（Passenger Information System，PIS）、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)（Closed-Circuit Television，CCTV）等業(yè)務(wù)，要求車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)吞吐量大，網(wǎng)絡(luò)帶寬大。目前在設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km的市域軌道交通中大多采用基于IEEE 802.11協(xié)議族的無(wú)線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network，WLAN） 技 術(shù)搭建車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)，而WLAN技術(shù)并不適用于高速移動(dòng)環(huán)境[1]，且切換機(jī)制和QoS機(jī)制較為簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的安全性沒有保障。

工作在1 785～1 805 MHz授權(quán)頻段的LTE-M技術(shù)，具有時(shí)延小、抗干擾能力強(qiáng)[2]的特點(diǎn)，在城市軌道交通行業(yè)主要用來(lái)承載安全等級(jí)要求較高的列車控制系統(tǒng)業(yè)務(wù)；而國(guó)內(nèi)利用LTE-M技術(shù)做綜合承載的線路，多數(shù)能做到單列車同時(shí)提供每路圖像上傳1 Mbit/s的2路圖像。

工作在5 725～5 850MHz非授權(quán)頻段的LTE（LTE-Unlicensed，LTE-U） 采 用3GPP標(biāo) 準(zhǔn) 的TDD LTE技術(shù)，通過載波聚合(Carrier Aggregation，CA)技術(shù)聚合授權(quán)頻段和免授權(quán)頻段資源，補(bǔ)充LTE-M系統(tǒng)有限的頻譜資源，在授權(quán)頻段提供可靠穩(wěn)定傳輸?shù)耐瑫r(shí)，非授權(quán)頻段提供高吞吐量的傳輸[3]，滿足城市軌道交通未來(lái)的發(fā)展需求。

成都地鐵18號(hào)線是國(guó)內(nèi)首條具備設(shè)計(jì)最高時(shí)速160 km的市域快線，通信車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)率先采用工作在5.8 GHz頻段的LTE-U技術(shù)，對(duì)車載PIS、車載CCTV、緊急文本信息等非安全業(yè)務(wù)進(jìn)行綜合承載，解決列車高速運(yùn)行在隧道和高架場(chǎng)景中，車地?zé)o線通信存在信道衰落大[4]、多普勒頻移明顯等問題[5]。滿足列車高速運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景下對(duì)傳輸速率和實(shí)時(shí)性的要求，同時(shí)滿足帶寬資源匱乏的問題，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜場(chǎng)景下安全性更高和環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)的全高速率數(shù)據(jù)傳輸[6-7]。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

成都地鐵18號(hào)線PIS車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)主要由核心網(wǎng)、軌旁基站、車載TAU及網(wǎng)管設(shè)備組成。控制中心（OCC）機(jī)房部署1套eCore核心網(wǎng)、中心交換機(jī)、時(shí)鐘服務(wù)器和網(wǎng)管，通過通信骨干光纜與車站PIS交換機(jī)進(jìn)行連接。多種業(yè)務(wù)通過中心交換機(jī)將信息與列車設(shè)備進(jìn)行交互。在區(qū)間和車輛段部署軌旁基站，各軌旁基站配置定向天線；在列車車頭、車尾司機(jī)室分別部署車載接入單元（TAU）、車載以太網(wǎng)交換機(jī)，并在列車每端駕駛室頂部設(shè)置車頂天線，接收區(qū)間AirNode發(fā)射的無(wú)線信號(hào)到TAU。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 LTE-U系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 LTE-U system architecture diagram

3 實(shí)施方案

3.1 有線組網(wǎng)方案

為保障軌旁基站與核心網(wǎng)之間的有線傳輸，減少傳輸節(jié)點(diǎn)，提升系統(tǒng)可靠性，有線網(wǎng)絡(luò)采用核心層、匯聚層、接入層三級(jí)星型架構(gòu)。核心層設(shè)備位于OCC，設(shè)置核心網(wǎng)設(shè)備、中心交換機(jī)。匯聚層設(shè)備選取線路中1個(gè)車站，為設(shè)置在火車南站的匯聚交換機(jī)。接入層設(shè)備為位于各車站、車輛段的接入交換機(jī)。為達(dá)到負(fù)載均衡和冗余的要求，系統(tǒng)中核心交換機(jī)和匯聚交換機(jī)均采用雙機(jī)部署，提高系統(tǒng)的可靠性。

3.2 業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)置

根據(jù)綜合承載的各業(yè)務(wù)特性，利用LTE-U網(wǎng)絡(luò)的QoS保障機(jī)制設(shè)置業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)，如表1所示。

表1 QoS保障機(jī)制Tab.1 QoS safeguard mechanism

LTE-U網(wǎng)絡(luò)定義的QoS保障是端到端的QoS過程，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部進(jìn)行QoS保障的同時(shí)，系統(tǒng)也在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)之間保持QoS映射，共同保障綜合承載業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行。

3.3 無(wú)線覆蓋方案

成都地鐵18號(hào)線LTE-U車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)使用5 725～5 850 MHz非授權(quán)頻段，共有6個(gè)20 MHz信道。在地下區(qū)間和高架區(qū)間均部署1個(gè)軌旁基站，每個(gè)軌旁基站支持2個(gè)扇區(qū)，設(shè)置2副定向天線，實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)兩邊無(wú)線覆蓋。

3.3.1 切換規(guī)劃

LTE-U系統(tǒng)采用雙載波聚合方式，支持將不同頻帶的2個(gè)載波進(jìn)行聚合來(lái)提供更多的帶寬，以提高系統(tǒng)的容量。LTE-U網(wǎng)絡(luò)采用異頻組網(wǎng)，異頻切換需要啟動(dòng)GAP測(cè)量（Measurement GAP），測(cè)量周期為480 ms（1個(gè)異頻頻點(diǎn)），因此異頻切換重疊覆蓋距離為2×(切換電平遲滯對(duì)應(yīng)距離+周期上報(bào)距離+時(shí)間遲滯距離+切換執(zhí)行距離)，其中切換遲滯(2 dB)、切換時(shí)延(480 ms+128 ms+50 ms)，則異頻切換所需要的重疊區(qū)域大小為2×658 ms×160 km/h+2×0.067×260 m=93 m。

其中切換幅度遲滯距離約為小區(qū)覆蓋半徑的6.7%，鏈路預(yù)算小區(qū)半徑260 m，考慮切換帶，則正線區(qū)間（非高架）允許站間距=2×R–93 m=427 m。

為提升系統(tǒng)可靠性，在部署軌旁基站時(shí)，各基站的覆蓋范圍均設(shè)置有重疊區(qū)。當(dāng)相鄰基站故障時(shí)，系統(tǒng)通過自動(dòng)調(diào)節(jié)基站發(fā)射功率，對(duì)弱場(chǎng)強(qiáng)區(qū)實(shí)現(xiàn)冗余接力覆蓋。從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，LTE-U制式覆蓋半徑大，軌旁基站及定向天線設(shè)置為430 m左右，如表2所示，相較WLAN技術(shù)，大大的減少工程施工量和后期的維護(hù)工作量，從而節(jié)約人力成本。

3.3.2 單洞單軌覆蓋方案

地下區(qū)間通常為單洞單軌區(qū)間，LTE-U網(wǎng)絡(luò)在軌旁部署1個(gè)基站，每個(gè)基站部署2副天線，單個(gè)扇區(qū)使用相同的20 MHz+20 MHz雙載波聚合。相鄰基站通過4個(gè)頻點(diǎn)的交織規(guī)劃，降低同頻干擾，如圖2所示。

圖2 單洞單軌頻率規(guī)劃（4個(gè)頻點(diǎn)）Fig.2 Frequency planning for single track of a single tunnel (4 frequency points)

3.3.3 高架及單洞雙軌覆蓋方案

當(dāng)高架及單洞雙軌區(qū)間在會(huì)車時(shí)，單基站覆蓋范圍內(nèi)存在兩列車的場(chǎng)景。為兼顧系統(tǒng)容量并滿足抗干擾要求，各基站部署的2個(gè)扇區(qū)使用相同的雙載波聚合頻點(diǎn)，并采用左、右線雙向“之”字型結(jié)構(gòu)交替部署，相鄰基站通過6個(gè)頻點(diǎn)的交織規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)頻率隔離，降低同頻干擾，如圖3所示。

圖3 高架及單洞雙軌頻率規(guī)劃（6個(gè)頻點(diǎn)）Fig.3 Frequency planning for viaduct sections and two tracks of a single tunnel (6 frequency points)

3.3.4 車輛段覆蓋方案

車輛段運(yùn)用庫(kù)內(nèi)存在列車數(shù)量多且列車多為靜止或低速移動(dòng)狀態(tài)的場(chǎng)景，綜合考慮運(yùn)用庫(kù)內(nèi)有棚或有柱的情況，為保證系統(tǒng)容量和覆蓋指標(biāo)，軌旁基站采用異頻組網(wǎng)，各基站部署的2個(gè)扇區(qū)使用不同的雙載波聚合頻點(diǎn)，并采用雙向“之”字型結(jié)構(gòu)交替部署，相鄰基站通過6個(gè)頻點(diǎn)的交織規(guī)劃，降低小區(qū)域內(nèi)的同頻干擾，如圖4所示。

圖4 車輛段運(yùn)用庫(kù)頻率規(guī)劃（6個(gè)頻點(diǎn)）Fig.4 Frequency planning for metro depot (6 frequency points)

3.4 測(cè)試結(jié)果與分析

在車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)中，上行數(shù)據(jù)主要用來(lái)上傳車載視頻信息，下行數(shù)據(jù)主要用來(lái)播放直播或錄播的媒體信息，18號(hào)線車輛采用8節(jié)編組，上行數(shù)據(jù)帶寬的需求量遠(yuǎn)超過下行數(shù)據(jù)帶寬，因此小區(qū)覆蓋測(cè)試的主要指標(biāo)以上行帶寬做參考。測(cè)試方案為在雙載波情況下的靜態(tài)測(cè)試、低速動(dòng)態(tài)測(cè)試（30 km/h以下）、高速動(dòng)態(tài)測(cè)試（120 km/h以上）3種場(chǎng)景，車頭、車尾TAU工作在負(fù)荷分擔(dān)方式，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3、4所示。

表3 靜態(tài)測(cè)試場(chǎng)景數(shù)據(jù)Tab.3 Static testing scenario data

表4 低速動(dòng)態(tài)測(cè)試、高速動(dòng)態(tài)場(chǎng)景數(shù)據(jù)Tab.4 Low and high speed dynamic testing scenario data

從性能測(cè)試來(lái)看，LTE-U系統(tǒng)在靜態(tài)和低速動(dòng)態(tài)、高速動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下，速率能達(dá)到30 Mbit/s，其車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)帶寬基本滿足整列車38路車載攝像機(jī)，在每路1 Mbit/s碼流速率的情況下，圖像同時(shí)上傳OCC的需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

成都地鐵18號(hào)線開通至今，通信車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行整體平穩(wěn)，多業(yè)務(wù)承載方案能夠滿足運(yùn)營(yíng)需求，在降低維護(hù)成本、提升綜合效益方面顯示出優(yōu)勢(shì)。在高架線路區(qū)段，由于受來(lái)自其他無(wú)線系統(tǒng)不可控的干擾和來(lái)自本系統(tǒng)可管可控的小區(qū)間干擾問題，進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化切換機(jī)制，是促進(jìn)LTE-U系統(tǒng)的工程化應(yīng)用重要方向。