LTE-M技術在大連地鐵13號線信號CBTC系統(tǒng)的規(guī)劃研究

王文明,杜曉菲,萬 霞

(大連地鐵運營有限公司,遼寧 大連 116000)

0 引言

當前,城市軌道交通車地無線通信設備多數(shù)采用2.4 GHz的WLAN技術。WLAN技術的工作頻段為2.4 GHz公用頻段,很難保證通信信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性和持久性,特別是隨著智能設備的應用普及,智能手機、無線藍牙耳機、智能手表等無線設備都會給地鐵信號車地通信的穩(wěn)定性帶來巨大挑戰(zhàn)。近2年,城市軌道交通車地無線通信系統(tǒng)受網(wǎng)絡干擾問題時有發(fā)生。以大連地鐵為例,地鐵1、2號線車地無線通信由于受網(wǎng)絡干擾,導致列車運行多次發(fā)生突發(fā)緊急制動,特別是客流量較大的車站,比如地鐵1、2號線西安路站,對軌道交通的穩(wěn)定運營造成了不利影響。因此,在工信部〔2015〕65號文《工業(yè)和信息化部關于重新發(fā)布1 785～1 805 MHz頻段無線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》中,為滿足軌道交通無線通信網(wǎng)絡的需求,解決2.4 GHz無線干擾問題,建議軌道交通構建1 785～1 805 MHz無線通信頻段[1]。目前,基于LTE-M技術的信號車地無線通信系統(tǒng)在地鐵13號線的實際應用中運行穩(wěn)定。

1 大連地鐵13號線信號DCS系統(tǒng)介紹

大連地鐵13號線分散控制系統(tǒng)(Distributed Control System,DCS)采用雙網(wǎng)冗余設計,A網(wǎng)和B網(wǎng)是完全相同并且獨立的網(wǎng)絡,雙網(wǎng)硬件獨立,互不影響,每一個網(wǎng)絡都要包括軌旁有線設備、車載設備以及車地無線設備。系統(tǒng)包括有線通信部分和無線通信部分,其中有線通信部分是基于IEEE802.3以太網(wǎng)標準,無線通信部分采用分時長期演進(Time Division Long Term Evolution,TD-LTE)技術,均使用在業(yè)界較為成熟的通信設備。DCS子系統(tǒng)的車地無線通信網(wǎng)是溝通車載數(shù)據(jù)通信網(wǎng)與軌旁網(wǎng)絡的渠道,實現(xiàn)車地之間的雙向通信。13號線DCS系統(tǒng)共有20 MHz頻寬可用,A/B網(wǎng)各使用不同的5 MHz網(wǎng)絡頻寬。

1.1 LTE軌旁環(huán)網(wǎng)

軌旁有線網(wǎng)絡采用以太網(wǎng)標準IEEE802.3。在控制中心、設備集中站、車輛段設置環(huán)網(wǎng)傳輸節(jié)點,環(huán)網(wǎng)節(jié)點之間由工業(yè)級交換機相連,組成RRPP環(huán)網(wǎng),環(huán)網(wǎng)收斂時間<50 ms;非設備集中站的交換機通過光纖連接到所屬聯(lián)鎖區(qū)的集中站環(huán)網(wǎng)節(jié)點上。控制中心和二十里堡站的交換機分別作為環(huán)網(wǎng)的主用網(wǎng)關和備用網(wǎng)關,A/B 2張網(wǎng)互相獨立冗余。

1.2 LTE車地無線網(wǎng)絡

車地無線通信網(wǎng)絡采用雙網(wǎng)冗余架構,A/B雙網(wǎng)覆蓋承載信號系統(tǒng)車地通信業(yè)務。軌旁通過漏纜實現(xiàn)無線網(wǎng)覆蓋,提高了LTE無線信號覆蓋質量。LTE無線通信網(wǎng)絡提供上行、下行各不小于3 Mbit/s的信息傳輸速率。

LTE車地無線通信網(wǎng)絡由EPC核心交換機、軌旁基站系統(tǒng)以及車載終端設備組成,其中軌旁基站系統(tǒng)由基帶單元(Building Baseband Unit,BBU)以及遠端射頻單元(Remote Radio Unit,RRU)構成。BBU及RRU數(shù)量設置需滿足線路運行條件,支持多列車在運行時車載接入單元(Train Access Unit,TAU)的自動切換、無縫連接。RRU通過合路器匯接漏纜,最終實現(xiàn)軌旁無線網(wǎng)絡的覆蓋。

1.3 核心網(wǎng)設備EPC

LTE技術的核心部分就是電子動力控制(Electronic Power Control,EPC)系統(tǒng),在整個網(wǎng)絡架構中作用至關重要。為保證信號CBTC系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行,分別于控制中心和車輛段配置2套核心網(wǎng)設備,雙網(wǎng)冗余并行獨立,采用不小于3 Mbit/s的傳輸速率。EPC單網(wǎng)出現(xiàn)故障后不影響列車正常運營。

核心網(wǎng)EPC交換機通過有線傳輸網(wǎng)絡(環(huán)網(wǎng)交換機)與基帶BBU進行通信,建立S1接口,通過網(wǎng)管設備監(jiān)控全網(wǎng)設備的運行情況。

1.4 時鐘同步服務器

LTE-M技術要求基站時鐘保持同步,不同基站之間的頻率必須同步在一定精度之內(nèi),否則就會出現(xiàn)丟包、延時。地鐵13號線LTE采用了GPS/北斗+時鐘同步服務器1588V2的高精度時鐘同步解決方案,單個基站GPS出現(xiàn)問題后,基站設備將同步交換機傳遞過來的1588V2時鐘信號,保障運行。

1.5 LTE系統(tǒng)基站

LTE基站由BBU設備及RRU設備構成。BBU部署在各設備集中站,通過有線傳輸網(wǎng)絡與核心網(wǎng)交換機相連。RRU沿線路進行部署,包括車站、區(qū)間、岔區(qū)、折返線、車輛段及出入段線等需要計算機控制列車傳輸系統(tǒng)(Computer-based Train Control,CBTC)覆蓋的所有區(qū)域。RRU通過光纖與集中站BBU相連。無線網(wǎng)絡的部署使用了漏纜覆蓋,上下行各敷設一根漏纜,通過合路器將信號饋入RRU,避免了無線信號的泄露,有很強的抗干擾性。

1.6 LTE車載設備

地鐵13號線列車支持CBTC模式下的列車自動駕駛(Automatic Train Operation,ATO)、列車超速防護系統(tǒng)(Automation Train Protection,ATP)模式運行。車載無線網(wǎng)絡提供車載設備間通信接口,車載交換機遵循國際通行的IEEE802.3u和802.3x協(xié)議,為車載設備提供10 M/100 M以太網(wǎng)接口。車載通信網(wǎng)由TAU、TAU天線及車載交換機組成。TAU天線采用魚鰭天線和板狀天線,分別安裝在車頂和車底。列車兩端的無線設備互為A/B網(wǎng)冗余設計,一端出現(xiàn)故障后不影響車地通信功能,不會對列車運行造成影響。

1.7 頻率規(guī)劃

地鐵13號線無線通信頻率規(guī)劃方案采用工信部建議的交通行業(yè)專用頻段1.8 GHz(1 790～1 800 MHz),A、B雙網(wǎng)各采用5 MHz頻寬,并行工作。A網(wǎng)使用1 790～1 795 MHz帶寬組網(wǎng),B網(wǎng)使用1 795～1 800 MHz帶寬組網(wǎng)。A/B雙網(wǎng)帶寬及速率如表1所示。

表1 A/B雙網(wǎng)帶寬及速率

2 LTE方案的應用優(yōu)勢

下文將結合LTE與WLAN 2種方案在大連地鐵不同線路之間的應用,分別在系統(tǒng)架構、抗干擾性、數(shù)據(jù)傳輸性能、可維護性等方面進行全面比較。

2.1 無線系統(tǒng)架構

地鐵1、2號線WLAN技術的無線系統(tǒng)架構主要由軌旁接入點(Access Point,AP)及接收天線、車載中置后驅(Middle Engine Rear Drive,MR)及八木定向天線組成。軌旁AP及天線沿地鐵線路布置,通過光纜接入信號設備機房,同接入交換機相連。地鐵13號線LTE技術的無線系統(tǒng)架構主要由軌旁基站系統(tǒng)(包括BBU和RRU)、漏纜、軌旁GPS天線、時鐘服務器、核心網(wǎng)EPC以及車載TAU及鰭狀天線組成。對于2種方案,車載無線設備數(shù)量基本一致,但LTE方案中軌旁無線設備種類較多,可以看出在無線系統(tǒng)架構方面,WLAN技術設備組成較LTE技術簡單。

2.2 抗干擾性

地鐵13號線使用LTE-M專用頻段,即1.8 GHz(1 790～1 800 MHz),該頻段不向公眾開放。同WLAN技術相比,與3大運營商的信號頻段相對較遠,受智能無線設備信號干擾風險較小。而且LTE技術具有完善的服務質量(Quality of Service, QoS)傳輸管理策略,9級算法實現(xiàn)9個調度優(yōu)先級,基于業(yè)務需求分配帶寬,信號CBTC系統(tǒng)會被優(yōu)先滿足,確保行車安全[2]。另外,地鐵13號線的車地無線網(wǎng)絡采用漏纜覆蓋,軌旁RRU單網(wǎng)布置的距離可達1.5 km,減少列車終端TAU切換次數(shù),對比地鐵1、2號線采用軌旁AP定向天線進行車地無線通信,信號要更加連續(xù)、穩(wěn)定。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸性能

WLAN技術最初的目標是替代有線網(wǎng)絡,主要解決無線熱點覆蓋及適度的移動性,并沒有考慮高速運動場景。因此,城市軌道交通列車高速運行時,車載通信設備在與軌旁AP進行連接-斷開-再連接的過程中,易發(fā)生丟包情況。地鐵13號線軌旁無線網(wǎng)覆蓋采用漏纜,漏纜對于低頻1.8 GHz頻段衰減較小,每百米損耗約4 dB。同時,RRU最大發(fā)射功率為33 dBm/MHz。在 LTE承載的CBTC業(yè)務中,共有20 MHz帶寬可用,地鐵13號線A/B雙網(wǎng)各采用5 MHz頻寬,上下行速率可達3 Mbps。而且,LTE的無線切換性能要高于WLAN技術,采用WLAN技術時,列車在運行過程中需要不斷與軌旁AP天線進行切換,切換過程中難免存在丟包情況。而LTE技術中,RRU的布置距離為1.2 km,在RRU之間的切換一般不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟包。因此,LTE技術更適合高速度移動場景。

2.4 可維護性

地鐵1、2號線軌旁AP的布置距離大約在150～200 m,以2站區(qū)間2 km為例,單網(wǎng)就需要布置約10個AP設備,軌旁無線設備布置數(shù)目較多。LTE技術在地鐵13號線的實際應用中,采用漏纜,覆蓋距離遠,而且RRU的布置距離也較遠,單網(wǎng)大約每隔1.5 km布置1個,相比于WLAN技術,LTE的軌旁無線設備更少、運維更簡單、可維護性更高[3]。

通過以上4個維度對比發(fā)現(xiàn),WLAN技術在系統(tǒng)架構方面設備組成要更簡單,LTE在抗干擾性、數(shù)據(jù)傳輸性能以及可維護性方面有更明顯的優(yōu)勢。所以,LTE技術比WLAN技術更適合地鐵高速移動場景。

3 結語

最近幾年,大連地鐵軌道交通事業(yè)飛速發(fā)展,為大連市民創(chuàng)造了方便快捷的出行方式。對于大連地鐵的安全運營,信號車地無線通信系統(tǒng)起到了至關重要的作用。LTE技術的應用不僅解決了WLAN技術2.4 GHz頻段的民用設備干擾,而且通過對地鐵13號線車地無線通信網(wǎng)絡的信號測試,全線各站、各區(qū)間信號均能實現(xiàn)全面覆蓋,系統(tǒng)故障率極低,可用性及穩(wěn)定性都較高。總而言之,LTE已成為目前CBTC系統(tǒng)車地通信的主流技術,將來若要徹底解決地鐵1、2號線西安路站車地無線干擾問題,LTE方案可作為首選。