凌喜華

（成都地鐵運營有限公司，四川成都 610081）

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LTE技術在城市軌道交通行業(yè)的應用進展及相關思考

凌喜華

（成都地鐵運營有限公司，四川成都 610081）

摘 要：從實際應用的角度跟蹤和總結了LTE技術在城市軌道交通行業(yè)應用的政策和標準化進展、業(yè)務需求、傳輸帶寬需求構成、應用進展及模式、應用產品情況，并對后續(xù)應用需關注的頻率規(guī)劃、核心網組網方式、干擾控制等主要技術問題進行了分析，為總體把握其應用進展以及開展后續(xù)規(guī)劃建設工作提供參考。

關鍵詞：城市軌道交通；通信網；LTE；標準化；業(yè)務需求；頻率；應用

目前國內城市已開通的城市軌道交通信號系統(tǒng)普遍采用工作在 2.4GHz 公用頻段的無線局域網（WLAN）技術。2.4GHz 公用頻段網絡易受干擾、攻擊，存在安全隱患。根據全國多個城市軌道交通線網規(guī)劃與建設規(guī)劃，城市軌道交通將向衛(wèi)星城及城市間經濟圈延伸，最高運行速度將超過 100km/h，而當前城市軌道交通選用的 WLAN 車地無線系統(tǒng)無法支持列車高速移動的矛盾將越來越突出。

1　政策及標準化工作進展

1.1政策

針對城市軌道交通車地無線通信采用無線局域網技術存在的安全隱患等問題，2015 年3月發(fā)布的工信部無[2015] 65號文件明確規(guī)定，交通（城市軌道交通等）、電力、石油等行業(yè)可采用 1785～1805MHz 頻段時分雙工（TDD）方式組建企業(yè)專用無線網絡，解決了城市軌道交通車地無線寬帶通信網的專用頻率資源問題，至此，掀開了長期演進（LTE）技術在城市軌道交通行業(yè)規(guī)?；囼灪驮囉玫尼∧?。

1.2標準化工作

為實現(xiàn)城軌專用通信系統(tǒng)的互聯(lián)互通、生產的規(guī)范化和工程實施的標準化，規(guī)范使用工信部無 [2015] 65號文中指定的 1785～1805MHz專用通信頻段，在交通部及國家發(fā)改委的指示下，中國城市軌道交通協(xié)會技術裝備專業(yè)委員會近年來牽頭開展了相關規(guī)范的制定工作，在遵循第三代合作伙伴計劃（3GPP)、寬帶集群（B-TrunC）相關規(guī)范的基礎上開展了《城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)（LTE-M）規(guī)范》制定工作。

LTE-M 是針對城市軌道交通綜合業(yè)務承載需求的分時長期演進（TD-LTE）系統(tǒng)，它在保證基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)車地信息傳輸基礎上，可同時傳輸視頻監(jiān)控（IMS）、乘客信息系統(tǒng)（PIS）、列車運行狀態(tài)監(jiān)測、集群調度業(yè)務等信息。該規(guī)范由 17 個子規(guī)范組成，具體為：《 LTE-M系統(tǒng)需求規(guī)范》、《 LTE-M系統(tǒng)總體結構及系統(tǒng)功能規(guī)范》、《 LTE-M系統(tǒng)空中接口規(guī)范》、《 LTE-M系統(tǒng)核心網間數(shù)據接口規(guī)范》、《 LTE-M系統(tǒng)設備技術規(guī)范》、《 LTE-M 終端設備技術規(guī)范》、《LTE-M系統(tǒng)承載CBTC業(yè)務及接口規(guī)范》、《 LTE-M系統(tǒng)核心網間語音接口規(guī)范》、《 LTE-M系統(tǒng)互聯(lián)互通測試規(guī)范》、《 LTE-M系統(tǒng)設備測試規(guī)范》、《 LTE-M 終端設備測試規(guī)范》、《 LTE-M系統(tǒng)測試規(guī)范》、《 LTE-M系統(tǒng)工程設計規(guī)范》、《 LTE-M 網絡 IP 地址分配規(guī)范》、《 LTE-M系統(tǒng)設備編碼規(guī)范》、《 LTE-M系統(tǒng)施工規(guī)范》、《 LTE-M系統(tǒng)工程驗收規(guī)范》。

上述規(guī)范中的前 7 個子規(guī)范已于 2016 年2月發(fā)布并將于 2016 年5月4日起試行，此批規(guī)范的發(fā)布為 LTE 技術承載信號 CBTC 業(yè)務相關應用的工程項目前期工作（網絡規(guī)劃、工程設計、產品設計等）提供了重要技術指導和依據。各子規(guī)范分別在下述方面做出了規(guī)定。

（1）LTE-M系統(tǒng)的網絡業(yè)務需求、網絡配置需求、車載終端需求和手持臺需求。

（2）城市軌道交通領域 LTE-M系統(tǒng)的指導原則和應用場景、業(yè)務與功能、系統(tǒng)總體架構、接口要求、編號與編址原則、用戶管理、同步要求和安全要求等。

（3）基于 LTE 技術的城市軌道交通領域 LTE-M系統(tǒng)的空中接口（第 1 階段）的物理層、層二和層三協(xié)議。

（4）城市軌道交通領域 LTE-M系統(tǒng)應用于互聯(lián)互通線路運營時核心網間數(shù)據接口總體要求、跨線切換的接口需求、終端跨移交及故障恢復過程、跨線切換及故障恢復的通信流程和跨線切換及故障恢復的性能要求等。

（5）城市軌道交通領域 LTE-M系統(tǒng)的網絡設備技術要求，標準定義了網絡設備的業(yè)務功能和性能要求、系統(tǒng)功能和接口要求、基站和核心網設備要求等。

（6）LTE-M 終端設備的技術要求，規(guī)范定義了終端設備的業(yè)務要求、功能要求、性能要求和相關接口要求。

（7）LTE-M系統(tǒng)承載 CBTC 業(yè)務的功能需求、性能需求、LTE-M系統(tǒng)與 CBTC系統(tǒng)的地面接口和車載接口等內容[1]。

2　城市軌道交通行業(yè)的主要需求

2.1生產業(yè)務需求

2.1.1列車運行控制業(yè)務

列車運行控制業(yè)務根據列車在線路上運行的客觀條件和實際情況，對列車運行速度及制動方式等狀態(tài)進行監(jiān)督、控制和調整。根據自動運行的程度分為以下 4 個等級。

GOA1a：不連續(xù)監(jiān)督下的人工駕駛運行，列車運行控制系統(tǒng)在特定的位置上監(jiān)督列車速度，等同于現(xiàn)有的點式控制方式。

GOA1b：連續(xù)監(jiān)督下的人工駕駛運行，列車運行控制系統(tǒng)連續(xù)地監(jiān)督列車速度，等同于裝有 ATP。

GOA2：半自動運行，等同于裝有列車自動運行（ATO）。

GOA3：無司機運行，列車上不再安排專職司機，僅安排乘務人員以應對突發(fā)事件。

GOA4：無人監(jiān)督運行，列車上不安排任何工作人員。

GOA1、GOA2 列車控制業(yè)務數(shù)據周期性發(fā)送，要求每路傳輸速率上下行分別不小于 256kbit/s；GOA3、GOA4 列車控制業(yè)務數(shù)據周期性發(fā)送，要求上下行每路傳輸速率分別不小于 512kbit/s。

2.1.2列車緊急文本下發(fā)業(yè)務

地面PIS服務器傳送緊急文本信息給車載PIS終端。為隨機性數(shù)據，要求傳輸速率不小于10 kbit/s。

2.1.3列車運行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務

列車運行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務是指列車運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，它主要是將傳感器采集到的列車關鍵參數(shù)實時傳送到地面監(jiān)測中心。

GOA1、GOA2 列車運行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務要求上行每路傳輸速率不小于 24kbit/s，最大傳輸速率 80kit/s；GOA3、GOA4 列車運行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務要求上行每路傳輸速率不小于 32kbit/s，最大傳輸速率104kbit/s，下行每路傳輸速率不小于 1kbit/s。

2.1.4視頻監(jiān)控業(yè)務

將列車駕駛室、車廂的視頻監(jiān)控圖像通過無線的方式實時傳輸?shù)娇刂浦行幕虻孛姹O(jiān)控站，進行集中監(jiān)控。

2.1.5PIS 視頻業(yè)務

由地面將視頻或圖像信息通過廣播或者組播傳輸?shù)杰噹麅炔シ?。要求能夠傳輸圖像分辨率為標清或高清的視頻。

2.1.6集群調度業(yè)務

集群調度業(yè)務是指線路運營、應急和維護等需要的各種語音、視頻和數(shù)據呼叫通信和管理業(yè)務[1]。

2.2網絡帶寬及頻率需求

綜合考慮上述業(yè)務需求，城市軌道交通生產業(yè)務車地無線通信需求總結見表 1。

表1　城市軌道交通生產業(yè)務車地無線通信需求

考慮到 CBTC 列車運行控制業(yè)務高可靠傳輸?shù)囊?，承載列車運行控制業(yè)務的 LTE-M系統(tǒng)地面設備應采用具有冗余備份功能的雙網（A 網、B 網）結構，2 個網絡的所有網元設備（包括核心網、基站、車載終端等）都是獨立的，其他業(yè)務由單網（B 網）承載。

2014年，中國城市軌道交通協(xié)會組織北京地鐵、北京交通大學、通號設計院、華為公司、中興公司、54所、鼎橋公司等單位在北京鐵科環(huán)線上完成了 TD-LTE系統(tǒng)通信性能測試[2]。

因此，結合生產業(yè)務車地無線通信需求分析和測試結果，并考慮今后的技術發(fā)展，總體需求如下。

（1）若按最低配置，僅滿足 CBTC 業(yè)務雙網，需要5 MHz×2的頻率資源。

（2）若采用優(yōu)化配置，同時滿足 CBTC、IMS、PIS 等業(yè)務綜合承載，需要 5MHz + 15MHz 的頻率資源。

3　城市軌道交通行業(yè)的應用進展及模式

3.1城市軌道交通業(yè)主單位應用進展及模式

2015年3月發(fā)布的工信部無[2015] 65號文件寫明了1785～1805MHz 頻段為多行業(yè)共用的，其他行業(yè)（尤其是其他交通行業(yè)單位）對無線寬帶數(shù)據傳輸?shù)男枨笠脖容^剛性，各地無線電管理部門為平衡來自各行業(yè)的頻率需求，基本不會在地上空間為城市軌道交通線網分配1785～1805MHz 的所有 20M 頻率，大多數(shù)城市的軌道交通行業(yè)可獲取的獨占頻率在 10M 左右，少部分為 15M，一線城市的頻率資源緊張程度更甚。

受制于頻率資源有限，在滿足信號系統(tǒng)頻率資源的前提下，相當多的城市不具備條件開展 LTE 的綜合承載，少數(shù)可在一定范圍內（部分地下線路）實施綜合承載。再加上各城市在建軌道交通線路條件不同，各城市軌道交通業(yè)主單位對分步推進 LTE 的思路也有差異。因此，存在多種切入 LTE 應用的模式，主要包括：直接用于解決 CBTC 列車運行控制業(yè)務需求；通過在 IMS、PIS視頻或集群調度業(yè)務中探索積累經驗，后續(xù)再應用于信號系統(tǒng)；直接開展包括 CBTC 列車運行控制業(yè)務的綜合承載。

3.2LTE系統(tǒng)設備供應情況

在全行業(yè)，愛立信、華為、諾西、阿朗占據主要LTE系統(tǒng)設備市場份額；在國內城市軌道交通行業(yè)，根據不完全統(tǒng)計，各 LTE 設備供應商的市場規(guī)模見表 2。

表2　LTE 設備供應商的市場規(guī)模

3.3應用產品研制及試用進展

LTE 網絡在城市軌道交通行業(yè)承載的業(yè)務中，CBTC 列車運行控制業(yè)務、集群調度業(yè)務實現(xiàn)需較為復雜的相應配套產品開發(fā)，LTE 承載 CBTC 列車運行控制業(yè)務的趨勢已很明確。因此，大多數(shù)信號設備供應商與LTE系統(tǒng)設備供應商已合作開展了產品研制工作，部分產品已進入試用階段，部分 LTE系統(tǒng)設備供應商也與其他公司合作進行了集群調度業(yè)務二次開發(fā)設備（調度臺、車載臺、固定臺）的研制。

3.3.1信號產品

LTE-M系統(tǒng)與 CBTC系統(tǒng)的地面物理接口位于核心網的網絡設備和/或 CBTC 傳輸網的網絡設備上，通過接口實現(xiàn)信息交互、LTE-M 設備工作狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據記錄等功能；LTE 終端向 CBTC系統(tǒng)車載設備提供100BASE-T 的以太網絡接口，接口形式為 M12D Code，該接口實現(xiàn)信息交互、LTE-M 車載設備工作狀態(tài)監(jiān)測、LTE-M 無線信號強度傳送、數(shù)據記錄的功能[1]。

根據不完全統(tǒng)計，大多數(shù)信號設備供應商與 LTE 設備供應商（主要為華為、中興、鼎橋）開展了實驗室或試驗線測試。

目前 LTE 承載 CBTC 暫無開通項目，LTE 承載CBTC 在建線路包括：北京燕房線（交控與鼎橋）、重慶 5號線（通號與華為）和 10號線（交控與華為）及環(huán)線（鐵科與中興）、上海 5號線（TST 與華為）、烏魯木齊 1號線（交控與中興）、武漢 7號線和 8號線（烽火與卡斯柯)、西安 3號線（西門子與鼎橋）等。

3.3.2集群二次開發(fā)產品

現(xiàn)階段廣州地鐵計劃在 14號線和 21號線采用 LTE承載集群調度業(yè)務，西安地鐵從 2014 年開始先做 LTE 承載集群調度業(yè)務研究及試驗（二次開發(fā)單位為西安雷迪公司），寧波地鐵也已進行了 LTE 承載集群調度業(yè)務測試驗證工作。

LTE 網絡承載城市軌道交通無線列調業(yè)務時，主要需考慮 2 個問題：與 TETRA系統(tǒng)的功能和性能對齊，包括呼叫功能、呼叫時延等；二次開發(fā)，包括調度臺、車載臺和固定臺、專用手持臺。

與 TETRA 技術相比，LTE 網絡承載城市軌道交通無線列調業(yè)務可以大大提高城市軌道交通維保工作在終端設置等方面的效率。目前，相關二次開發(fā)產品需要改進的方面主要有：適應無線調度臺、車載臺的使用者對終端設備操作簡潔性，確保關鍵功能可靠操作的需求；二次開發(fā)產品的網管能力。

4　后續(xù)應用的相關思考

4.1頻率規(guī)劃

頻率規(guī)劃應兼顧保障重點業(yè)務與提高頻率利用率。

承載 CBTC 業(yè)務時，LTE-M系統(tǒng)需采用異頻雙網冗余結構。

從某線路的角度考慮，若考慮采用 GOA3、GOA4的運行等級，A 網頻率需求為 5MHz、B 網根據是否綜合承載確定頻寬（不少于 5MHz）。在頻率總資源少于10MHz 的城市，A 網、B 網僅能均采用 3MHz、甚至1.4MHz 的頻寬。

從線網的角度考慮，涉及換乘站頻率規(guī)劃、地面站及場段頻率規(guī)劃等問題。地下非同站臺換乘多為異層換乘，因為上下 2 層的建筑結構提供了至少 20dB 的穿透損耗，加上空間傳播損耗，綜合看可以采用同頻組網空間隔離的方法解決。同臺換乘情況下實施方案，核心的思想是工程與系統(tǒng)相結合，主要有以下 2 種方式來實現(xiàn)同臺換乘下的無線部署。

（1）交匯區(qū)域 2 條線路采用不同的頻率，此方案需要另分配 2 組 A 網、B 網頻率給 CBTC，2 條線路頻率完全分開，互不干擾，見圖 1，但是 PIS 及視頻監(jiān)控監(jiān)視子系統(tǒng)（CCTV）業(yè)務帶寬受限。交匯區(qū)基站覆蓋范圍內的列車較其他基站的少。因此，交匯區(qū)基站頻寬可采用 1.4MHz。

（2）交匯區(qū)域由其中 1 條線路無線覆蓋。此方案規(guī)劃時，若 2 條線路未共用核心網，則另 1 條線路的列車進出此區(qū)域需要進行 2 次跨網漫游切換，而 LTE-M 互聯(lián)互通測試結果已經表明跨網切換依然能滿足 CBTC 要求；若 2 條線路共用核心網，則另 1 條線路的列車進出此區(qū)域進行 2 次跨基站的切換，見圖 2。

圖1　同站臺換乘異頻組網方案

圖2　同站臺換乘同頻組網方案

地面各場段原則上采用同頻組網方式，為合理控制場段基站的覆蓋范圍，出入段線范圍應采用漏纜等室外分布系統(tǒng)覆蓋，檢修庫等應通過室內分布系統(tǒng)覆蓋，不宜在檢修庫安裝大型室外天線。

4.2核心網組網方式

所有移動通信系統(tǒng)的基站選型須與核心網選型匹配，基本為同一供應商的設備，另一方面，從設備故障影響面角度來說，多線共用核心網設備故障影響面比較大，且對核心網的維護檢修等工作難以安排。因此，應控制多線共用主要核心網（MME/SGW/PGW 等）設備的線路規(guī)模。同一個城市內可只建設 1 對熱備的核心網內的用戶數(shù)據服務器（HSS），統(tǒng)一的 HSS 可以保證全市的列車統(tǒng)一管理。所有的核心網都通過 S6a 接口與HSS 連接[3]。在前期規(guī)劃線路時，需提前考慮好哪些線路間需要實現(xiàn)互聯(lián)互通，并且做好相應 IP 地址規(guī)劃。

4.3多輸入多輸出（MIMO）技術

MIMO 技術在發(fā)射端和接收端均采用多天線和多通道。關于在城市軌道交通中的應用，對于集群或者CBTC 等帶寬需求不高的業(yè)務，MIMO 基本可不用考慮，若采用業(yè)務綜合承載方式的可考慮使用 MIMO 技術。從實際應用角度看，MIMO 除了信號與干擾加噪聲比（SINR）的要求外，對于雙路的相關性也有要求，為滿足 MIMO 使用條件，要求 2 根漏纜之間的間距最少相差 70cm。具備雙漏纜敷設條件時，MIMO 功能可讓小區(qū)下行平均帶寬增加 70% 左右，對于城市軌道交通的 PIS 業(yè)務，在靠近 RRU 的近點才能滿足 MIMO 的要求。因此，MIMO 不能改善邊緣帶寬，但有助于拉高速率平均值。

4.4與其他系統(tǒng)的干擾控制

城市軌道交通 LTE 專網頻段在 1785～1805MHz 范圍內，根據目前的公網頻譜分配，與專網頻段干擾最大的是移動 DCS1800 : 1805～1830MHz（下行）和電信FDD : 1755～1785MHz（上行）。

與 1.8G TDD 頻段高頻部分相鄰的是全球移動通信系統(tǒng)（GSM）下行頻段。因此，主要干擾是 GSM系統(tǒng)基站發(fā)射對LTE系統(tǒng)基站接收造成的干擾。這類干擾分為雜散、阻塞、互調 3 種類型。TDD系統(tǒng)與 GSM系統(tǒng)之間的頻段間隔要求為 600k，可以保證雜散干擾的隔離度要求?；フ{干擾雖然對隔離度要求最高，但 GSM系統(tǒng)頻率資源較為豐富，可以通過頻率調整來減小互調干擾對 TDD 的影響。若相鄰的 LTE系統(tǒng)帶寬為 1.4M、發(fā)射功率為 40W，GSM 總發(fā)射功率為 80W。當?shù)厣隙蔚罔F采用漏纜、移動采用定向天線，且兩系統(tǒng)無頻段隔離時，阻塞干擾對空間隔離的距離要求為 0.01km，比較容易滿足。

與 1.8G TDD 頻段低頻部分相鄰的是 LTE FDD 上行頻段，主要干擾是 LTE TDD系統(tǒng)基站發(fā)射對 LTE FDD系統(tǒng)基站接收造成的干擾。2 個 LTE系統(tǒng)之間基站對基站的干擾，相對來講，雜散干擾對隔離度的要求最高。極端情況下，若相鄰的 LTE系統(tǒng)的發(fā)射帶寬分別為 1.4M 和 10M，發(fā)射功率都為 40W。2 個 LTE系統(tǒng)頻率相鄰，互相之間隔離度與間隔距離要求與兩網所用天饋系統(tǒng)有關。當?shù)厣隙蔚罔F采用漏纜、電信采用定向天線時，兩系統(tǒng)無頻段隔離、有 1.6M 頻段隔離、有 5M 頻段隔離時，空間隔離距離要求分別為 0.63km、0.5km、0.06km；地下段地鐵與電信均采用漏纜時，由于兩邊的漏纜各自的耦合損耗相加約 134dB 左右，已經超過最惡劣場景下的隔離度要求，因此，對空間距離不再有額外的隔離要求。

5　結束語

綜上所述，LTE 技術在城市軌道交通行業(yè)規(guī)模化應用的政策條件、相關技術標準條件、產品條件已基本具備，各城市軌道交通業(yè)主單位可綜合考慮自身業(yè)務需求結構、頻率資源等情況選擇應用模式，并在應用中開展頻率規(guī)劃、選擇合適的核心網組網方式及干擾控制方式等。

參考文獻

[1] 中城裝備[2016]009號 關于發(fā)布《城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)（LTE-M)規(guī)范》中7個子規(guī)范的通知[S]. 2016.

[2] 中城軌[2015]008號 關于轉發(fā)工信部1785-1805 MHz頻段使用通知事宜通知及有關落實工作的意見[S]. 2015.

[3] 孫震強，朱彩勤，毛聰杰，等. 構建運營級LTE網絡[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2013.

責任編輯 冒一平

技術裝備

Application Progress and Thoughts on LTE Technology in Transit

Ling Xihua

Abstract:From the aspect of practical application of the LTE technology in urban rail transit, the paper follows and summarizes the application of the policy and standardization development and business needs, composition of transmission bandwidth demand, application progress and mode, products etc., and it analyzes subsequent application issues including the frequency planning, core networking, interference control and other main technical difficulties , and it provides the reference for the overall control of the application progress and carries out the follow-up work of planning and construction.

Keywords:urban rail transit, communication network, LTE, standardization, business requirements, frequency, application

中圖分類號：U231.7

作者簡介：凌喜華（1964—），男，高級工程師

收稿日期2016-04-07