長期演進(LTE)技術在上海城市軌道交通中的應用

馬 暐

(上海地鐵維護保障有限公司， 200235， 上海∥工程師)

隨著城市軌道交通移動化應用需求和場景的不斷增加，對無線通信技術提出了更高的要求。目前，無線通信技術總體向著高速率、低時延和綜合承載等方向演進。為此，選擇一個適合城市軌道交通新業務特性的無線通信技術顯得尤為重要。

LTE(長期演進)是基于4G(第四代的移動通信技術)的網絡技術，因其具有高帶寬、低時延、高可靠性、綜合承載等優勢，在城市軌道交通中逐漸得以推廣和應用。本文對LTE技術在上海城市軌道交通中的應用展開研究，以期為其在業內的應用與發展提供參考。

1 上海城市軌道交通應用LTE技術的必要性

2015年，國家工業和信息化部頒布了工信部無[2015]65號《工業和信息化部關于重新發布1 785～1 805 MHz頻段無線接入系統頻率使用事宜的通知》。隨后，針對采用CBTC(基于通信的列車控制)系統的新建城市軌道交通線路，中國城市軌道交通協會發布了《關于推薦城軌交通項目新建CBTC系統使用1.8 GHz專用頻段和LTE綜合無線通信系統的通知》及《城市軌道交通車地綜合通信系統(LTE-M)總體規范》。這些文件的陸續頒布，表明了城市軌道交通無線通信技術已從原先單一的窄帶需求演進為綜合業務承載的寬帶需求，而LTE-M正是針對城市軌道交通綜合業務承載需求的LTE系統，由此，LTE-M已逐漸成為城市軌道交通無線通信發展的主要技術。

通過對LTE技術的整體梳理、規劃及應用，上海城市軌道交通逐步形成了每條線路在系統架構、功能劃分、頻率分配等方面的協調統一，并實現線網間無線業務的互聯互通。設備系統擺脫了原有的傳輸模式，實現了一體化的承載。

2 LTE技術在上海城市軌道交通中的應用需求

根據上海城市軌道交通目前及未來的需求，結合目前城市軌道交通無線通信技術的依據、規范及標準等相關要求，本文對LTE-M在上海城市軌道交通中所承載的主要業務類型及其功能進行闡述。

2.1 CBTC業務

CBTC業務即基于通信的列車自動控制業務，其中，車地無線通信是CBTC實現列車控制的基礎。既有線路的CBTC主要采用WLAN(無線局域網)技術進行車地無線傳輸，其工作頻段為2.4 GHz公用頻段，理論最大傳輸距離約為400 m。無線電波在隧道區間、地面及高架區間內存在不同的傳播特點：隧道區間內的彎曲段較多，從而縮短了直射波的傳輸距離；地面及高架區間內因存在其他民用的無線通信系統，無線電磁環境相對較復雜，同制式干擾源較多，易受到同頻干擾。

LTE技術因采用了專用的頻率及分層的架構，可提高無線傳輸的抗干擾性，網絡受到的安全威脅較低。LTE技術支持高速移動場景，具有良好的切換性能。另外，與WLAN設備相比，LTE設備功率更大、頻段更低、覆蓋范圍更大，可以大量減少區間設備數量，提高系統的可維護性。因此，采用LTE技術來承載CBTC業務，可有效提高CBTC通信的抗干擾性、可靠性、可維護性等性能，確保列車運行和列車控制的穩定、可靠。

2.2 集群調度業務

集群調度業務為固定用戶和移動用戶間提供迅速、有效的通信手段，其中：固定用戶主要包括OCC(運營控制中心)、車輛段、車站等調度人員；移動用戶主要包括列車司機、防災和維修等的運維人員。集群調度業務可直接應用于行車調度和運維指導，是提高調度指揮及協同運作效率、確保運營安全的必要保障。

目前，上海城市軌道交通既有線的集群調度業務主要采用TETRA(泛歐集群無線電)系統承載。既有TETRA系統以語音通信為主，數據帶寬能力較弱，對多媒體業務支撐能力不足。

隨著上海城市軌道交通網絡的不斷擴展，線網總客流量持續增長，運維環境日益復雜，常規的集群語音業務已不能滿足集群高速數據業務(如短信、電子工單、列車狀態數據實時采集等)、多媒體業務(如視頻通話、圖視頻分發等)等新增的多元化需求。尤其在全自動運行線路中，由于列車正常運行時不再配置專職司機，發生對乘客造成影響的事件時，OCC需要通過專用無線調度系統的多媒體通道實現IPH(乘客緊急對講)功能，與乘客建立雙向溝通渠道，為乘客提供信息和指引，以穩定乘客情緒，防止事態的進一步惡化。

LTE技術在帶寬、時延、容量和可靠性等方面具有的優點可完全契合集群調度業務在語音、數據、多媒體等多業務的綜合承載新需求，已逐步取代TETRA技術，成為上海城市軌道交通新建線路集群調度業務主流技術。

2.3 列車緊急文本下發業務

當發生突發事件時，列車將以緊急文本方式為客室內的乘客提供安全警告、防護指導、疏散引導等信息，使乘客可以及時了解突發事件的狀況和危險程度，以及應采取的安全防護措施、疏散方向和步驟、后續救援計劃等內容，起到穩定乘客情緒、引導乘客主動采取應急措施、減少突發事件危害損失、降低乘客損失發生概率等作用。

2.4 車載視頻監視業務

目前,上海城市軌道交通車載視頻監視業務主要是通過無線方式將車載視頻傳輸到OCC并進行集中監控，以實現對司機室、客室等核心區域的監控，輔助列車進行安全管理。

上海軌道交通既有線路的車載視頻普遍采用標清圖像采集，但從14號線、15號線、18號線開始的新建線路均采用H.265制式的高清圖像，傳輸速率為3 Mbit/s。此外，由于新建的14號線、15號線、18號線均采用全自動運行模式，為了更完整地了解客室區域的狀態，積極應對各種突發事件，OCC要求車載視頻實時上傳更多的圖像路數。由此，對車地通道的帶寬提出了更高的要求。

結合目前的現狀及中國城市軌道交通協會的相關指導文件，經梳理后得到上海城市軌道交通LTE技術的應用需求，如表1所示。

3 LTE在上海城市軌道交通中的使用頻率

按照工信部無[2015]65號的規定，LTE-M網絡可申請使用的頻段為1.8 GHz (即1 785～1 805 MHz)，共20 MHz帶寬。經上海市無線電委員會批準，上海城市軌道交通可使用的頻率具體為：

1) 高架/地面區域的專用頻段容量為5 MHz(對應頻段為1 800～1 805 MHz)。剩余的頻段容量15 MHz(對應頻段為1 785～1 800 MHz)為與其他行業共用的頻段。在未來新建城市軌道交通線路的設計、建設和使用中，需對這些區域進行頻點、場強測試，以盡可能避免與其他行業的無線通信系統產生干擾。

表1 上海城市軌道交通LTE技術的應用需求

2) 地下區間區域的專用頻段容量為20 MHz(對應頻率為1 785～1 805 MHz)。

為此，上海城市軌道交通采用15+5 MHz頻寬的方式組網，其業務頻段分配如表2所示。

表2 上海城市軌道交通LTE-M頻段分配表

4 LTE在上海城市軌道交通中的系統構架

4.1 LTE的組網方式

根據LTE的特性及承載業務的重要程度，上海城市軌道交通LTE-M網絡的主要功能定位為：①提供高寬帶、高可靠性的無線通信功能；②主要為與行車安全直接相關的業務提供功能支持，同時也能支持普通運維業務的對講功能；③主要提供數據、語音、多媒體通信的可靠連接功能。

基于上述的功能定位，上海城市軌道交通LTE-M網絡基于B-TrunC(寬帶集群通信)架構，按支持數據功能和集群功能業務開展LTE-M網絡的設計與建設。為確保網絡的安全可靠、平滑高效，上海城市軌道交通LTE-M網絡宜采用A、B雙網覆蓋的方式，其中：A網的LTE-M宜承載CBTC業務、集群調度業務(主用)、列車緊急文本下發業務、車載視頻監視業務等；B網的LTE-M宜承載CBTC業務、集群調度業務(備用)等。A、B網完全獨立且并行工作，互不影響。雙網冗余組網，若A、B網中任一個網絡出現癱瘓，CBTC業務將通過另一個網絡繼續進行傳輸，以確保單點故障時重要業務不中斷。

當A網的LTE-M發生單點失效時，寬帶集群調度業務單點失效，此時可采用單站集群模式或基站共享方式，利用B網的BBU/RRU(基帶處理單元/射頻拉遠單元)設備接入集群LTE-M的核心網，完成業務信息的調用。

區間側采用2根漏纜，分別饋入A、B網絡信號，纜間不做互饋，并預留了上海城市軌道交通TETRA無線(800 MHz頻段)饋入的接口條件。

線路側BBU設于車站信號機房內，通過RRU與區間側漏纜相連，以實現區間的信號覆蓋；站內側BBU設于車站通信機房內，并通過RRU與站內天線相連，以實現站內的信號覆蓋。

在各軌道交通線路側均獨立設有數據業務的LTE-M核心網，并在COCC(網絡運營協調中心)側統一設置了集群業務的LTE-M核心網。通過基站共享方式，實現這兩種業務流的分離。

集群業務的LTE-M核心網應實現全網LTE集群調度的互通，并實現與上海既有城市軌道交通TETRA無線網絡的互聯互通。

4.2 LTE-M的系統構成

如圖1所示，LTE-M系統分為接入層、匯聚層、核心層3個層次，主要由中心子系統、車站和正線區間子系統、車輛基地子系統、車載子系統等4個部分組成。

注：PIS——乘客信息系統；CCTV——視頻監控；TAU——車載控制單元；“×2”表示配置2套相同的設備。

4.2.1 中心子系統

中心子系統主要由EPC(演進型分組核心網)設備、集群調度交換機、網管服務器、調度臺、集群二次開發服務器等組成。

中心子系統與其他業務子系統互聯，所有接入數據均通過其與外部系統進行通信。中心子系統可實現無線傳輸數據的匯聚與分發，是整個LTE-M網絡的核心。此外，中心子系統還負責管理與維護整個LTE-M網絡，其中:網管服務器負責管理LTE-M系統內所有設備和端口的參數，對這些參數的狀態進行監測；網管服務器可以支持多個遠程終端的連接，并通過上層網獲取NTP(網絡時間協議)標準時間。

LTE-M系統與集群業務相關的EPC設備為多線合用設備，采用一主一備的冗余配置，同時配置了對應的主用和備用調度機設備。在線網級調度大廳內設置了若干臺具有標準配置的調度臺設備。

LTE-M系統在線路級調度大廳配置了若干臺具備二次開發功能的調度臺設備。這些調度臺可用于日常行車作業指揮，僅對本線路范圍內的無線終端進行呼叫。此外，在線路OCC內設置了冗余配置的二次開發服務器等設備。

4.2.2 車站和正線區間子系統

車站和正線區間子系統由BBU、RRU、固定臺、手持臺及車站室內分布設備構成，用于提供車站、正線區間等場所的無線接入服務，同時上行接入對應的傳輸系統網絡，與中心子系統對接，以完成各類業務的數據傳輸。其中：區間子系統(即與信號業務相關的BBU、RRU設備)由信號系統設置；車站子系統(即與集群業務相關的BBU、RRU設備)由通信系統設置。

各信號集中站的BBU設備通過以太網接入車站網絡交換機，通過有線傳輸通道、核心網與網管服務器相連。車站的BBU設備與RRU設備之間采用光纜進行星型連接，各區域的無線信號通過RRU連接全向/定向天線，或者采用漏纜進行覆蓋。

在車控室內設置了無線固定臺，通過無線方式接入車站室內分布設備。

每個車站內配置了若干個手持臺，手持終端的數量依據站內工作人員數量及設備使用場景來合理配置。

4.2.3 車輛基地子系統

車輛基地子系統主要由BBU、RRU、調度臺、手持臺及基地室內分布設備構成，通過有線傳輸通道與中心子系統對接并進行數據傳輸。車輛基地A、B網BBU、RRU設備的設置原則與車站和區間子系統類同。

在DCC(車輛基地控制中心)控制室內設置了無線調度臺若干臺，供日常行車作業使用。

車輛基地信號機房內的BBU設備通過以太網接入車站網絡交換機，通過有線傳輸網絡提供的通道與核心網、網管服務器連接。車輛基地的BBU與RRU設備之間采用光纜進行星型連接，各區域的無線信號通過RRU設備連接全向/定向天線，或者采用漏纜進行覆蓋。

4.2.4 車載子系統

車載子系統主要由車載天線、TAU、車載交換機及車載集群電臺等設備構成，考慮到LTE傳輸的可靠性及穩定性，車載設備分別在車頭及車尾設置1套。

車載集群電臺通過射頻纜、合路器直接與車載天線連接，接收/轉發列車集群調度語音信息等。車載交換機與其他系統車載設備互連，接收OCC下發的調度命令及緊急文本信息，同時轉發/上傳列車內關鍵實時監控圖像及列車運行控制信息等。

為控制司機室內的天線數量，同時為了便于天線的安裝，同一個司機室的專用無線車載臺與TAU的信息上傳采取共用天線方式，即通過同一副天線上傳信息。

5 LTE技術在應用中的常見問題及其對策

5.1 高架區段LTE-M頻段的抗干擾問題

由于LTE-M頻段資源較為緊張，線路高架區段內存在其他行業共用頻段的情況，因此，在高架區段設計時，應考慮不同LTE系統間的鄰區同頻干擾問題。可通過以下措施盡量避免不同LTE系統間的干擾：

1) 進行區域掃頻，掌握區域內其他LTE系統的覆蓋情況、使用頻率及覆蓋功率；

2) 適當縮小小區半徑，以提升小區的RSRP(邊緣信號接收功率)；

3) 針對先建LTE系統的布設情況，選擇適當的漏纜輻射角度和覆蓋方式。

5.2 多專業基站的共享

按照上海城市軌道交通的規劃，LTE-M線路級核心網由信號專業在各線獨自設置；服務數據用戶、線網級核心網由通信專業設置，以服務集群用戶。因此，整個LTE-M核心網的基站接入容量應大于1 000個,集群用戶同時在線數量應大于5萬個。而過多的獨立基站會增加建設和運維的成本，過度占用空間，也不利于后期運維的統一管控，因此，采用多專業基站共享方式，通過共享載波模式，共享基站可綜合接入數據用戶和集群用戶，同時廣播數據，集群兩個網絡的PLMN(公共陸地移動網絡)，并將兩類用戶的業務分別傳輸至不同核心網進行處理。

5.3 與既有線路TETRA系統的互聯互通

目前，上海城市軌道交通既有線路專用無線系統采用了基于無線窄帶技術的TETRA制式。該系統由網絡級核心MSO、線路側接入網(含基站、直放站及天饋系統等)、用戶側終端(含調度子系統、車載臺、固定臺、網管子系統、手持終端等)組成。因此，在對上海城市軌道交通線網進行規劃時，存在著使用LTE技術的新建線路與使用TETRA技術的既有線路在集群調度業務上的互聯互通問題。該問題可通過以下兩個措施予以解決：

1) 如圖2所示，在LTE-M核心網與TETRA系統的MSO間增設互聯網關，用以實現兩個系統間的互聯互通，并實現跨系統的語音組呼功能。

2) 采用“雙模車載臺+雙模調度臺”方式，在既有車載臺和調度臺上分別增加LTE信號機及調度通信接口，實現“LTE+TETRA”雙模式運行。

6 結語

目前，上海城市軌道交通在新建線路上已全面采用LTE-M技術作為綜合業務承載的無線通信手段。根據實際應用評估，LTE技術在性能、建設和運維成本、擴展性等方面完全優于傳統技術。未來，上海城市軌道交通將推動LTE技術在全線網內的應用，推動既有線路無線通信技術的迭代更新，最終構建一個統一的上海城市軌道交通綜合業務承載無線通信網。

注：BTS——基站收發臺。