基于LTE-M 與WLAN 混合組網的通信系統可靠性研究

羅卓蓓

（中鐵電氣化局集團有限公司，北京 100036）

0 引 言

2010 年，在第七屆世界高速鐵路大會上，中國鐵路提出了LTE-R 鐵路無線通信系統，這是國際上首次提出將長期演進（Long Term Evolution，LTE）應用于軌道交通。同年5 月，華為技術有限公司成功實現了LTE 網絡在上海磁懸浮列車線路上的全面覆蓋[1,2]。2016 年12 月10 日，湖北省武漢市的軌道交通6 號線通過地鐵長期演進（Long Term Evolution for Metro，LTE-M）承載基于通信的列車自動控制系統（Communication Based Train Control System，CBTC）應用載客前評審，實現了國內首次LTE-M 系統承載CBTC 業務的工程化應用[3,4]。

1 組網方案設計

1.1 LTE-M 與WLAN 混合組網車地通信系統設計

LTE-M 是基于TD-LTE 技術的城市軌道交通專用通信系統[6]。相比無線局域網（Wireless Local Area Network，WLAN），它具有傳輸時延更小、覆蓋范圍更廣、專用授權頻段干擾少等多種優勢，更加滿足城市軌道交通超高可靠性與實時性、移動速度快以及綜合承載多業務服務質量（Quality of Service，QoS）的保障需求[5]。現階段，既有線路的更新改造工作逐漸成為下一步的城鐵發展需求，2 種網絡共存并逐步趨于融合將成為下一階軌道交通著重解決的目標。

在第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）提出的網絡架構中，AC 可以通過S2a 接口與PDN 網關（PDN Gate Way，P-GW）核心網相連實現互通，只需要改造現有網中AC 使其能夠支持S2a 接口，就可以使WLAN 可信接入LTE-M 核心網。但是現網中AC 數量眾多，無法全部升級成為S2a 接口，本方案設計新增加無線網關（Wireless Gate Way，WGW），即可通過S2a 接口同P-GW 互聯[8,9]。

1.2 方案對比

本文提出了2 種組網方案，均需要增加網元，對于列車通信系統的可靠性提升都具有可行性。WLAN與LTE-M 融合組網將2 種制式的網絡合并成一張通信網進行信息傳輸，可以將各項業務進行分流，安全可靠性進一步提升。當網絡出現故障時，切換為人工操控的降級模式，可靠性大大降低，通信效率無法保證。相比融合組網，2 種制式的網絡獨立組網則很好地解決了這個問題。2 張網絡同時進行數據傳輸，互為熱備份，當一張網絡出現故障時并不會影響列車通信信息的傳輸，只有2 張網絡同時出現故障才會切換為人工操作的降級模式，列車通信系統的可靠性大大增加。因此，對雙冗余傳輸網絡架構進行了進一步的設計和測試，對網絡的可靠性進行了進一步證明。

1.3 網絡架構分析

1.3.1 通信系統組網層面

本系統由LTE-M 通信系統、WLAN 通信系統和網關設備組合而成。其中，LTE-M 通信網絡、WLAN通信網絡和各個列車車載控制器的網絡分別獨立組網，互不干擾。3 組網絡通過網關設備進行連接，LTE-M系統是基于TD-LTE 技術的車地無線寬帶通信系統。該系統以滿足城市軌道交通車地通信業務需求為原則，保證列車運行控制系統安全可靠性的同時，綜合承載車地通信業務[10,11]。WLAN 通信系統是工作在開放頻段的成熟通信系統，在國內外多條城市軌道交通線路中有廣泛的應用。網絡融合中間件負責將來自車載控制器（Vehicle On-Board Controller，VOBC）的數據包向網絡中作冗余發送，并在相應的接收端對數據包進行去冗余和舊數據過濾等處理。網絡的高可靠性體現在通信系統同時采用了LTE 和WLAN 作為網絡接入方式進行組網。其中，LTE-M 工作在1.8 GHz 頻段（1 785 ～1 805 MHz），WLAN 工作在2.4 GHz 頻段（2 400 ～2 483.5 MHz）。2 組通信網絡工作在不同頻段，當某一頻段或者某一張網絡受到干擾時，基于通信的列車控制系統仍然可以使用，不會降級到人工模式。

1.3.2 列車控制層面

目前，軌道交通線路大都采用傳統CBTC 系統。在列車控制層面，CBTC 系統采用基于“車-地-車”的列車控制系統，由軌旁的區域控制器負責計算移動授權并將列車控制信息發送至列車，存在軌旁設備鋪設、維護成本高，運營效率低等問題；在通信組網層面，系統采用單一無線通信技術布設A、B 冗余雙網的組網方式。一切正常時，采用A 網通信；A 網故障時，切換至B 網通信；A、B 網同時故障時，切換為人工操控的降級模式。這種通信技術無法面向單點通信失效所帶來的可靠性威脅，通信效率無法得到保障。

基于原有的CBTC 系統，本方案設計了一種基于“車-車”通信的雙冗余網絡架構，并對新型的列車控制系統提出了一種網絡通信性能測試方案。在列控方面，系統取消了軌旁的區域控制器，并將其功能移植到了車載VOBC，列車通過與周圍列車的信息交互，自身計算移動授權曲線并完成列車控制，擺脫了地面設備的控制，實現了基于“車-車”通信的通信模式，簡化了列車控制過程，減少了列車通信時延和設備鋪設成本，提高了系統的通信能力。

1.4 高可靠數據通信樣機

高可靠數據通信樣機體系包含LTE 數據通信網、WLAN 數據通信網以及網關設備3 個部分。其中，LTE 數據通信網的體系結構均包括列車接入單元、射頻拉遠單元、基帶處理單元以及核心網處理單元；WLAN 數據通信網設備包括列車接入單元AC 和地面熱點設備AP。LTE 通信網中，列車接入單元與射頻拉遠單元通過空中接口完成列車內部和地面數據的交互，基帶處理單元在地面側完成光電信號同基帶信號的轉換，核心網處理單元負責對整個通信系統的維護管理工作；WLAN 數據通信網的結構更加扁平化，列車接入單元通過地面熱點設備進行數據傳輸。

雙冗余網絡組網示意如圖1 所示，源車載控制器向宿車載控制器發送數據時，需將數據轉發給默認源網關設備，源網關設備通過在網絡層抓包獲取數據包并對數據包進行添加序號等編輯，在查詢路由后，分別通過LTE-M 通信系統和WLAN 通信系統雙鏈路冗余轉發給宿網關設備，宿網關設備在收到信息后進行去冗余處理，并將數據包轉發給宿車載控制器。

圖1 雙冗余網絡組網示意

2 獨立組網性能測試與驗證

2.1 面向車車通信列車控制業務的數據通信性能的測試與驗證

車車通信的列車控制系統將區域控制器所承擔的邏輯功能搬移至列車上，由車載控制器實現相應功能。因此，在通信層面對信號級“列車-列車”數據交互的支持就顯得格外重要。由于每輛列車都需要獲知附近一輛或多輛列車的完整運行狀態信息以及將要進入路段的道岔狀態信息，現有的LTE 通信系統需要承擔起高強度的數據通信量，保證數據傳輸的低時延和低丟包率。

測試主要針對設計中提出的面向高可靠數據通信的雙冗余網絡架構中的數據通信性能。主要測試內容是CBTC 控制業務的數據吞吐量、時延以及丟包率等。測試結果表明，本設計方案中提出的雙冗余架構網絡符合CBTC 列控要求，相比于原有的通信網絡在各方面性能均有所提升。在某一張網絡失效后，通信系統仍可以正常運行，對“車-車”通信列控業務的傳輸可靠性有所提升。同時，在網絡通信質量較差的情況下，可以通過選擇傳輸較快的網絡降低傳輸時延。

2.2 列車狀態信息業務測試結果

首先對雙冗余網絡的無線傳輸列車狀態信息業務傳輸能力進行了驗證。開啟通信模擬軟件后，加載1 路列車狀態信息業務，保持10 min。列車狀態信息業務應保持傳輸速率為100 kb/s，最大傳輸延時不超過150 ms。經測試，列車狀態信息業務保持在平均傳輸速率為101 kb/s，最大傳輸時延為32 ms，平均傳輸時延為31 ms。由此表明，雙冗余網絡具備無線傳輸列車狀態信息的業務傳輸能力。

2.3 傳輸延時測試

對承載CBTC 業務的傳輸延時性能進行了測試。開啟通信模擬軟件，加載4 路CBTC 業務和1 路列車狀態信息業務；維持統計10 min，停止測試，并記錄數據包傳輸延時。在全線運行條件下，CBTC 業務和列車狀態信息業務的最大傳輸時延應該小于150 ms。

經測試，平均時延為32 ms，最大時延為40 ms，雙冗余網絡承載CBTC 業務的傳輸延時性能滿足系統需求。

2.4 時延測試結果

對傳輸時延進行測試，測試雙冗余網絡系統的端對端傳輸時延，端對端的最大傳輸往返時延（Round Trip Time，RTT）應小于等于300 ms。

LTE-M 小區帶寬分別為5 MHz、10 MHz、15 MHz時的最大傳輸RTT 為83 ms，平均傳輸RTT 為40 ms；LTE-M 小區帶寬為20 MHz 時，最大傳輸RTT 為82 ms，平均傳輸RTT 為40 ms，雙冗余網絡系統的端對端傳輸時延滿足系統需求。

2.5 單網覆蓋與雙冗余網絡覆蓋性能對比測試結果

時延為100 ms、時延抖動為20 ms 的測試結果如圖2 所示，雙冗余網絡的平均傳輸時延為92 ms，最大傳輸時延為98 ms；單網平均傳輸時延為104 ms，最大傳輸時延為108 ms。時延為200 ms、時延抖動為100 ms 的測試結果如圖3 所示，雙冗余網絡的平均傳輸時延為165 ms，最大傳輸時延為187 ms；單網平均傳輸時延為229 ms，最大傳輸時延為257 ms。

圖3 時延為200 ms、時延抖動為100 ms 的測試結果

經過測試可知，雙冗余網絡承載業務在傳輸性能不穩定的情況下，傳輸性能明顯優于單網承載業務。

3.6 丟包性能對比測試

對承載CBTC 業務的丟包性能進行對比，雙冗余網絡承載業務的丟包率應該明顯優于單網承載業務。雙冗余網絡在信道丟包率為1%的情況下沒有丟包，在信道丟包率為5%的情況下丟包率為0.258%，在信道丟包率為10%的情況下丟包率為0.886%；單網承載在信道丟包率為1%的情況下丟包率為0.904%，在信道丟包率為5%的情況下丟包率為4.886%，在信道丟包率為10%的情況下丟包率為10.102%。由此可知，雙冗余網絡承載CBTC 業務丟包率明顯低于單網承載業務，具有較強的抗丟包能力。

3 結 論

從WLAN 與LTE-M 混合組網入手，將2 種組網方式進行了對比，選擇了獨立組網為目前城市軌道交通最優混合組網制式，同時對混合組網條件下列車通信可靠性進行了測試。在相同條件下，混合組網比單網通信更加可靠，可以用于現階段軌道交通建設的更新換代。同時，為今后5G 的向后兼容提供了思路。