基于LTE技術的城軌交通綜合承載網絡方案

常峰，劉雪萍

（1.中鐵二院工程集團有限責任公司 地下鐵道設計研究院，四川 成都 610000；2.成都地鐵運營有限公司 客運分部，四川 成都 610000）

0 引言

信號系統在城軌交通自動控制系統中發揮著非常重要的作用，控制列車安全、平穩、高速、準時、有序運行。信號系統的核心是列車自動控制系統（ATC），主要包括以下子系統：列車自動防護子系統（ATP）、列車自動駕駛子系統（ATO）和列車自動監控子系統（ATS）。各子系統之間相互配合、聯動，中央級和車站級控制、軌旁和車載控制相結合，實現列車運行、行車指揮和運行調整自動化等功能［1-3］。在城軌交通中，信號系統作為安全運營的保障，無論是使用無線局域網（WLAN）還是長期演進（LTE）技術，其數據傳輸的可靠安全至關重要［4-5］。

寧波市軌道交通3號線1期工程是浙江省首條應用LTE技術綜合承載信號和無線集群系統方案的地鐵線路，實現了在有限頻譜資源（10 MHz）情況下綜合承載業務內容以及冗余性設計的創新。經過運營多年的工程實際檢驗，驗證了該創新方案的合理性。

1 WLAN技術的不足

1.1 網絡覆蓋和漫游問題

基于WLAN技術的無線傳輸媒介是自然空氣，傳播過程中衰耗較多。在地下隧道內傳播會受到隧道壁的反射，彎道和坡度也對無線傳輸造成干擾。應用于高架及地面線路時，對周圍的環境要求較高，周圍有較多高大建筑物時，在傳輸過程中會產生反射，造成通信傳輸質量和速率下降。

為了保證在單個無線接入點設備（AP）故障時通信不中斷，需要在同一地點設置雙網冗余覆蓋，相應的光、電纜使用量較多。列車在各AP之間頻繁切換漫游，視頻流易中斷。

基于WLAN技術的車地無線通信系統在傳輸過程中易發生數據丟包、傳輸時間延遲，對于高速行駛的列車來說，信號傳輸的穩定性較差，降低了系統整體的可靠性［6］。

1.2 網絡安全和管理問題

基于WLAN技術的信號系統采用基于IEEE802.11協議的2.4 GHz標準開放頻段，在這一頻段范圍內存在很多民用無線設備（如Wi-Fi）。在列車運行過程中使用這些設備，就有可能干擾車地無線通信系統，影響運營安全［7］。

從運營角度而言，AP設備多，則造成管理難度大、維護難度大、故障概率增加。

2 LTE技術的優勢

LTE無線通信系統具有數據傳輸速率高、頻譜利用率高、數據傳輸時延小、移動性能優異、可靠性及安全性高等技術優勢［8］。基于LTE技術的車地無線通信采用稀缺的專用頻段資源，能夠很好地解決傳統WLAN技術易受外圍無線設備干擾、高速移動性差等問題，極大提升了信號系統的可用性及可靠性。同時，移動閉塞信號系統車地無線子系統的變化，不會造成信號系統結構、配置和功能的改變［9-10］。

LTE技術綜合承載相較于系統單獨組網，在實現必需業務需求的情況下，更合理優化，更能充分發揮寬帶網絡的優勢，頻譜資源也能得到更好利用。

3 LTE綜合承載業務分析

3.1 公安通信

公安通信無線系統是專門為地鐵安全運營服務的，因其特殊性方面的考慮，采用特有頻段，無法納入綜合承載平臺。

3.2 民用通信

因為由三大運營商自行建設民用通信無線系統，制式不統一，對于其他城軌交通業務，納入綜合承載平臺難度較大。

3.3 乘客信息系統（PIS）和視頻監控系統（CCTV）

綜合承載PIS及CCTV需占用較大頻譜資源，由于頻譜資源有限，目前情況是批復給寧波市軌道交通3號線1期工程10 MHz，不能滿足大帶寬的需求。

3.4 無線集群調度

無線集群調度系統基于地面集群無線電（TETRA）開放標準組網，為調度員、值班員和司機等提供無線通信手段，一般情況下無冗余架構。寧波市無線電管理委員會批復給寧波市軌道交通3號線1期工程的專用頻譜只有10 MHz。若考慮將無線集群納入綜合承載平臺，5 MHz帶寬能夠滿足綜合承載單網通信的需要，并在單網故障情況下，實現基于通信的列車自動控制系統（CBTC）和無線集群系統其中之一能夠正常工作，可增強系統的可靠性。

采用10 MHz（1 790～1 800 MHz）構成LTE綜合承載系統，按照A、B雙網冗余設計，2張網分別采用5 MHz帶寬組網，其中A網主要用于承載CBTC和集群調度，B網僅承載CBTC。為進一步確保集群調度的可靠性，實現在A網基站故障時，仍可通過B網基站接入集群終端，最終與A網核心網通信。A、B雙網冗余組網方案實現在單網故障情況下CBTC系統不中斷，不影響正常行車運營。

根據寧波市軌道交通3號線1期工程批復的頻譜資源，以及信號系統雙網冗余要求，創新性提出LTE技術綜合承載CBTC和無線集群調度方案。

4 寧波市軌道交通3號線1期工程LTE綜合承載網絡

4.1 LTE有線網絡

信號系統的有線傳輸骨干網絡采用單獨組網方式，獨立設置光纖網絡，骨干網節點（或網絡交換機）在控制中心、正線設備集中站、車輛段/停車場設置。基于LTE技術的有線承載網采用A、B雙網冗余架構，擁有2個完全獨立的物理傳輸通道，在其中任一網絡設備出現故障的情況下，切換至另一網絡。

物理傳輸通道的隔離，單網故障情況下的無縫切換，骨干網交換機、核心網交換機、基帶處理單元（BBU）等關鍵設備雙電源配置，提高了綜合承載網絡的可靠性與可用性。

4.2 LTE車地通信無線網絡

車地通信無線系統軌旁和車載設備均采用A、B雙網冗余設計，2張網絡相互獨立，且雙網采用獨立的頻率資源，實現雙頻冗余覆蓋（A、B網獨立部署所有無線網絡單元及鏈路）。車地通信無線系統除網絡級冗余外，還對關鍵單元的設備或單板進行備份以提升系統可靠性。例如，對核心網、車載無線接入單元進行設備級備份，對核心網、BBU單板1+1備份，當主用單板失效，備用單板能夠實時倒換為主用單板。A網作為綜合承載網絡，部署2套核心網進行設備級備份，分為主用核心網和備用核心網，需同時承載CBTC及無線集群調度系統。

4.2.1 軌旁無線冗余覆蓋

軌旁設備包括LTE無線網絡的BBU、射頻拉遠單元（RRU）、功分器、耦合單元、天線、漏纜等。考慮80 m的重疊覆蓋距離，如果采用1.8 GHz頻段，漏纜傳輸媒介，RRU原則上可按照1.2 km的間距進行設置，相鄰小區覆蓋有充分的重疊區域，充分保障了無線網絡的覆蓋。軌旁無線冗余覆蓋方案見圖1。

圖1 軌旁無線冗余覆蓋方案

寧波市軌道交通3號線1期工程區間通過專用漏纜將射頻信號輻射和傳輸，在控制中心大樓、車站附屬出入口、站廳層采用天線覆蓋，站廳層無線覆蓋的RRU位于本站信號設備室。站臺區域采用區間兩側漏纜輻射信號覆蓋。整個車輛段/停車場區域提供無線信號覆蓋，根據車輛段/停車場站場形式，分區域部署RRU用于滿足無線信號覆蓋。

地下部分采用隧道區間上、下行分別敷設單漏纜方案，A、B網RRU采用1.8 GHz頻段的4進4出，使用其中2個合路器分別接左右2個方向，這2個合路器屬于1個小區。

在設計過程中經計算發現X站有實體墻的單渡線處無線覆蓋信號較弱，無法滿足連續式車地通信的需要。為實現信號傳輸的連續性，在有墻體的單渡線處增設漏纜。地下隧道區間RRU與漏纜連接方案見圖2。

圖2 地下隧道區間RRU與漏纜連接方案

在高架區段，因上下行軌道間距較小且沒有實體建筑隔離，若將上、下行區間分別單獨采用RRU進行覆蓋，則會產生小區間干擾現象。為避免干擾發生，設計過程中針對上、下行區間單網采用同一個RRU進行覆蓋。

在高架區段Y站有1處存車線，原LTE覆蓋設計方案為：在存車線外側以及存車線與正線之間均單獨敷設1段漏纜進行無線覆蓋，以滿足列車正常運營。后期設計過程中考慮到該存車線與正線之間間距非常小，實際可利用的安裝空間寬度不到1 m，即使按照限界要求漏纜安裝完畢，今后運營維護也極不方便。而且，當存車線停放列車時，存車線外側LTE漏纜信號被停放列車遮擋，正線運營列車無法接收LTE漏纜信號。綜上所述，在高架段限界較小的存車線處，取消存車線與正線之間的漏纜敷設，改為天線覆蓋方式。高架區段RRU與漏纜連接方案見圖3。

圖3 高架區段RRU與漏纜連接方案

4.2.2 車載設備

車載設備由車載無線單元、路由器、無線裝置（收發器）及天饋系統等組成。車輛的前后兩端車載設備通過車上的有線局域網連接，在A、B網同步工作的同時，也具有熱備功能。

每列車的車頭、車尾各部署1個車載接入單元（TAU），2個TAU分別注冊到A網和B網。車載信號設備通過車載TAU與軌旁設備（ATP/ATO等）建立通信。車載設備將發送2份相同的數據，經由列車兩端的TAU分別同時向軌旁A網和B網發送信息。同理，軌旁設備也發送2份數據，并同時經由列車兩端的TAU向車載設備發送信息，實現連續數據傳輸的冗余，當車頭或車尾TAU單個故障時不影響車地無線通信的數據傳輸，實現車地無線通信鏈路冗余。

4.3 車站LTE綜合供電方案

LTE同時承載了CBTC以及無線集群調度系統，設計中考慮了綜合供電的冗余方案，車站LTE綜合供電方案見圖4。

圖4 車站LTE綜合供電方案

A、B網設備的綜合供電方案具體如下：

（1）A網交換機、BBU及RRU設備由本站通信電源供電；

（2）B網交換機、BBU及RRU設備由本站信號電源供電；

（3）A網室分RRU、固定臺、調度臺及語音網關由本站通信電源供電。

按照綜合供電方案分析電源故障對系統的影響如下：

（1）若存在信號輸入單級電源故障，LTE-B網失電導致無法正常工作，無線集群調度系統可以利用LTE-A網進行通信，此時不會影響無線集群調度功能；

（2）若存在通信輸入單級電源故障，LTE-A網失電導致無法正常工作，其承載的無線集群調度故障，CBTC可以利用LTE-B網進行通信，不會影響CBTC信號系統。

為滿足地鐵設計規范中關于不間斷電源設備對LTE部分供電時間不少于2 h、信號系統供電時間不少于0.5 h的要求，采用分時下電的方式實現該要求。當2路市電出現異常時，蓄電池開始供電，下電計時監控單元開始工作，若在計時過程中市電恢復正常，下電計時取消。若在計時過程中市電仍然處于故障狀態，下電計時時間到0.5 h，輸出下電驅動指令，斷開斷路器，完成所有0.5 h負載設備下電。

綜上所述，采用綜合供電方案保證了LTE設備的供電冗余性，在單級電源故障情況下，實現任一CBTC和無線集群調度系統的正常工作，該方案進一步提升了綜合承載網絡的冗余性。

5 結束語

隨著通信、計算機、控制（3C）技術的迅速發展，傳統基于WLAN技術的車地無線通信已經不能滿足城軌交通信號系統對大帶寬和安全性等各方面的需要，LTE技術在城軌信號系統中的應用日益增多，將成為城軌車地無線通信的發展趨勢。對具體綜合承載方案進行論證，提出基于LTE技術的城軌交通綜合承載網絡方案，實現在有限頻譜資源（10 MHz）情況下綜合承載業務內容以及冗余性設計的創新。雙網獨立組網的架構，從板卡級冗余到系統級的多級冗余，地下隧道到高架區段的適應性無線覆蓋方案，相互交叉的綜合供電冗余方案設計，以及浙江省首條LTE綜合承載CBTC和無線集群方案的寧波市軌道交通3號線1期工程的成功應用，都體現出該綜合承載網絡方案的合理性、可行性和可靠性。