戴克平　張艷兵　朱　力　唐　濤　趙紅禮　蔣海林

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司　北京　100068； 2.北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國家重點實驗室　北京　100044； 3.北京交通大學(xué)軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)國家工程研究中心　北京　100044)

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基于LTE的城市軌道交通車地通信綜合承載系統(tǒng)

戴克平1張艷兵1朱力2唐濤2趙紅禮3蔣海林3

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司北京100068； 2.北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國家重點實驗室北京100044； 3.北京交通大學(xué)軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)國家工程研究中心北京100044)

為保證城市軌道交通運(yùn)營安全，迫切需要整合車地?zé)o線通信生產(chǎn)業(yè)務(wù)的承載需求，建立基于城市軌道交通專用無線頻段的車地通信系統(tǒng)。利用我國自主知識產(chǎn)權(quán)的TD-LTE(time division long term evolution，分時長期演進(jìn))技術(shù)，設(shè)計出基于LTE(long term evolution，長期演進(jìn))的城市軌道交通車地通信綜合承載系統(tǒng)(LTE-M)，在北京的國家鐵道實驗中心環(huán)形道進(jìn)行全球第1個LTE-M系統(tǒng)的試驗段測試。整個測試過程完全復(fù)制列車的實際運(yùn)行場景，包括真實的車輛、設(shè)備以及高架、隧道等實際通信場景。大量的測試結(jié)果表明，所設(shè)計的LTE-M系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、綜合承載能力強(qiáng)、頻譜利用率高，能夠滿足軌道交通業(yè)務(wù)需求。LTE-M系統(tǒng)用于承載軌道交通綜合業(yè)務(wù)，在保障CBTC(基于通信的列車控制)業(yè)務(wù)高可靠傳輸?shù)耐瑫r，能夠為CCTV(車輛視頻監(jiān)控)和PIS(乘客信息系統(tǒng))等業(yè)務(wù)提供有效的傳輸通道。

城市軌道交通；車地通信；基于通信的列車控制；綜合承載

1　城市軌道交通車地通信研究現(xiàn)狀

城市軌道交通車地?zé)o線通信作為保障運(yùn)營安全的重要環(huán)節(jié)，承載了基于通信的列車 運(yùn) 行 控制(CBTC)系統(tǒng)、列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(TOSM)系統(tǒng)、車輛視頻監(jiān)控(CCTV)系統(tǒng)、軌道交通乘客信息系統(tǒng)(PIS)等4項基本業(yè)務(wù)[1]。車地?zé)o線通信是城市軌道交通安全運(yùn)營的神經(jīng)中樞。目前，城市軌道交通中CBTC、PIS和CCTV系統(tǒng)的車地?zé)o線通信主要采用工作在公共開放頻段的無線局域網(wǎng)技術(shù)，獨(dú)立設(shè)置網(wǎng)絡(luò)。工程實踐證明，目前基于WLAN(wireless local area networks，無線局域網(wǎng))是實現(xiàn)軌道交通高安全性、高速度和高密度的最佳技術(shù)之一[2]。但這種技術(shù)也存在一些局限性，首先，WLAN不是為高速移動設(shè)計的；其次，無線局域網(wǎng)工作在開放頻段，開放頻段的使用不需要無線電管理部門的批準(zhǔn)，也無需付費(fèi)。但是很多民用設(shè)備也工作在這一開放頻段，如：便攜式WiFi(wireless fidelity，無線寬帶)設(shè)備、藍(lán)牙、微波爐等，它們可能會對城市軌道交通的車地?zé)o線傳輸產(chǎn)生干擾。2012年8—11月，深圳地鐵2號線和5號線就多次發(fā)生由于無線干擾影響列車運(yùn)營的事故[3]。另外，WLAN在多業(yè)務(wù)并發(fā)時無法按照優(yōu)先級調(diào)度，無法保證按高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的實際使用帶寬，不適用于綜合承載。

目前，在軌道交通車地通信領(lǐng)域，學(xué)術(shù)界已經(jīng)有了不少研究。如：北京交通大學(xué)研究了乘客信息系統(tǒng)的車地通信技術(shù)，將噴泉編碼引入系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的傳輸能力[4]；在文獻(xiàn)[5]里，作者通過設(shè)置鄰小區(qū)列表，提出了適用于客運(yùn)專線的切換技術(shù)；一種基于車載天線的新型切換機(jī)制在文獻(xiàn)[6]中被提出；一種基于具有MIMO特性WLAN的車地通信系統(tǒng)的跨層設(shè)計方法在文獻(xiàn)[2]中被提出，提高了CBTC車地通信系統(tǒng)的性能；在文獻(xiàn)[7]中，一種運(yùn)用于專用無線調(diào)度的，基于軟件架構(gòu)的車地通信系統(tǒng)被提出，以解決現(xiàn)有無線調(diào)度中出現(xiàn)的問題。雖然這些研究都很好地考慮了軌道交通特殊環(huán)境對車地通信的影響，但所有的研究都只是針對獨(dú)立的車地生產(chǎn)業(yè)務(wù)。由于各項生產(chǎn)業(yè)務(wù)獨(dú)立設(shè)置網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)間存在爭搶頻率資源的問題，所以迫切需要整合車地?zé)o線通信生產(chǎn)業(yè)務(wù)，建立基于城市軌道交通專用無線頻段的車地通信系統(tǒng)，保證城市軌道交通運(yùn)營安全的CBTC、TOSM、CCTV、PIS(含緊急文本)等信息能及時、準(zhǔn)確地傳輸，為城市軌道交通系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)營提供有力支撐。

圖1　LTE-M網(wǎng)絡(luò)物理架構(gòu)

TD-LTE(time division long term evolution,分時長期演進(jìn))是TDD(時分復(fù)用)版本的LTE(long term evolution,長期演進(jìn))技術(shù)，也是中國擁有核心自主知識產(chǎn)權(quán)的4G國際通信標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，是一種專門為移動高寬帶應(yīng)用而設(shè)計的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。利用TD-LTE技術(shù)，提出基于LTE的城市軌道交通車地通信綜合承載系統(tǒng)(LTE for metro，LTE-M)，并組織業(yè)界主流通信、信號廠商，在北京的國家鐵道實驗中心對全球第1個LTE-M系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場測試。大量的測試結(jié)果表明，所設(shè)計的LTE-M系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、綜合承載能力強(qiáng)、頻譜利用率高的特點，能夠滿足軌道交通業(yè)務(wù)需求。LTE-M系統(tǒng)用于承載軌道交通綜合業(yè)務(wù)，在保障CBTC業(yè)務(wù)高可靠傳輸?shù)耐瑫r，能夠為CCTV和PIS等業(yè)務(wù)提供有效的傳輸通道。

2　綜合承載系統(tǒng)(LTE-M)

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前，LTE- M主要存在2種組網(wǎng)方案。

第一種組網(wǎng)方案是同頻交織組網(wǎng)方式。在這種方式下，軌旁設(shè)備連接在同一個無線接入網(wǎng)下，組成2層網(wǎng)絡(luò)，2層網(wǎng)絡(luò)的基站按照站址交織放置，并采用相同的載波頻率配置。

相鄰無線射頻單元(RRU)連接不同的無線基站(BBU)，單點BBU出現(xiàn)故障后，相鄰的RRU也通過加大發(fā)射功率來覆蓋故障BBU下的RRU覆蓋區(qū)域。在沒有設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下，通過降低發(fā)射功率避免相鄰基站干擾，在發(fā)現(xiàn)有基站故障后，相鄰基站加大發(fā)射功率來覆蓋故障基站的覆蓋范圍。這種組網(wǎng)方式的最大優(yōu)點是全網(wǎng)只用一個頻段，非常節(jié)省頻率資源，缺點是由于軌旁設(shè)備沒有設(shè)備備份，導(dǎo)致其可靠性有所降低，如果相鄰兩個基站失效，那系統(tǒng)將不能正常工作。本文的實驗并沒有采用這種方案。

另一種組網(wǎng)方案是同站址雙網(wǎng)覆蓋方案。在該方案中，系統(tǒng)提供A、B雙網(wǎng)設(shè)計，2張網(wǎng)絡(luò)完全獨(dú)立，并行工作，互不影響。每個網(wǎng)絡(luò)包括了核心網(wǎng)(EPC)、軌旁無線接入網(wǎng)(eNodeB)、車載無線終端(TAU)。A網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)用于CBTC業(yè)務(wù)的承載，B網(wǎng)用于CBTC業(yè)務(wù)備份和PIS業(yè)務(wù)的承載。

圖1為某條城市軌道交通線路的LTE-M網(wǎng)絡(luò)物理架構(gòu)?？刂浦行臋C(jī)房部署無線核心網(wǎng)和網(wǎng)管等，通過軌道交通專用傳輸網(wǎng)與車站連接。設(shè)備集中站配備專用機(jī)房，部署B(yǎng)BU，提供無線接入服務(wù)。非設(shè)備集中站無配備專用機(jī)房，無線信號覆蓋通過相鄰的設(shè)備集中站BBU接入完成。軌旁是車輛通行通道，在隧道內(nèi)主要部署RRU和漏纜。對于特殊地段(如高架段、車輛段)主要用全向天線和定向天線覆蓋。車輛基地主要是列車維修以及編組的地方，道岔較多，部署B(yǎng)BU、RRU、天線等設(shè)備，提供無線接入服務(wù)。在車輛的車頭、尾兩端分別部署車載無線終端，接入軌旁無線網(wǎng)絡(luò)。

2.2專用頻段選擇

目前，900 MHz頻段為GSM-R鐵路專用，難以開展TD-LTE寬帶數(shù)據(jù)移動業(yè)務(wù)，可以申請使用的城市軌道交通專網(wǎng)TD-LTE頻段有：1 447～1 467 MHz(固定移動用戶頻段)，1 785～1 805 MHz(行業(yè)專網(wǎng)頻段)，5 850～5 920 MHz(TD-LTE可用頻段)。

由于5.9 G頻段的空間傳輸損耗太大，并且硬件設(shè)備尚未完全成熟，因此比較適合應(yīng)用于城市軌道交通的頻段有1.8 G和1.4 G。目前，1.8 G頻段已經(jīng)被鄭州、烏魯木齊、蘭州等城市申請到并應(yīng)用于城市軌道交通。但近期被一行業(yè)用戶所占用，因此我們選取了有代表性的1.4 G頻段作為LTE-M系統(tǒng)的工作頻段。本文的測試工作均是圍繞1 447～1 467MHz頻段展開的，其中1 447～1 452 MHz頻段用于傳輸CBTC業(yè)務(wù)，1 453～1 467 MHz頻段用于承載綜合業(yè)務(wù)。需要指出的是，1.4 G目前已經(jīng)在北京政務(wù)網(wǎng)中使用，因此當(dāng)在LTE-M中采用這一頻段時，需要在系統(tǒng)設(shè)計時考慮這一干擾。

2.3抗干擾能力設(shè)計

城市軌道交通1.4 GHz頻段LTE網(wǎng)絡(luò)的主要干擾是政務(wù)網(wǎng)干擾，由于軌道交通只是在軌道交通沿線需要LTE無線信號覆蓋，可以結(jié)合軌道交通特點以及從工程應(yīng)用角度考慮干擾規(guī)避措施，主要采用如下2條抗干擾措施以抑制政務(wù)網(wǎng)的干擾。

1) 全線采用漏纜進(jìn)行覆蓋。漏泄同軸電纜具有信號傳輸作用，又具有天線功能，通過對外導(dǎo)體開口的控制，可將受控的電磁波能量沿線路均勻地輻射出去或接收進(jìn)來，實現(xiàn)對電磁場盲區(qū)的覆蓋。2條漏纜沿軌旁布置，離開車載天線的距離大約1.7 m。雙漏纜的覆蓋不僅很好地抵御了外界的干擾，同時可以利用MIMO(多路進(jìn)，多路出)特性，提高車地通信鏈路的傳輸性能。

2) 車載天線放置于車底，利用車輛的屏蔽作用降低干擾。

3　LTE-M系統(tǒng)性能測試場景設(shè)計

為了進(jìn)一步驗證LTE技術(shù)運(yùn)用于城市軌道交通車地綜合承載業(yè)務(wù)的可行性，在中國鐵道科學(xué)研究院東郊分院開展了現(xiàn)場實地測試。測試是在真實的電磁環(huán)境，1.4 G政務(wù)網(wǎng)干擾條件中進(jìn)行的。采用工程實施的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，測試LTE-M系統(tǒng)在實際環(huán)境中的性能，判斷其是否能夠滿足當(dāng)前城市軌道交通車地綜合承載生產(chǎn)業(yè)務(wù)的需求。

3.1測試場地

現(xiàn)場測試地點為中國鐵道科學(xué)研究院東郊分院的環(huán)形鐵道試驗中心，位于朝陽區(qū)東北五環(huán)，其中的城市軌道交通試驗線是我國唯一的一條用于試驗和檢驗城市軌道交通裝備的綜合試驗線(見圖2)。

圖2　測試試驗線

試驗線位于大環(huán)試驗線內(nèi)側(cè)，為一條閉合的曲線，北半環(huán)與大環(huán)試驗線并行，南半環(huán)位于小環(huán)試驗線南側(cè)并與小環(huán)試驗線等高并行，與北半環(huán)封閉成環(huán)狀。試驗線正線長8 631.419 m，最高運(yùn)行速度140 km/h。高架橋長785 m，隧道長925 m。試驗線建設(shè)了城市軌道交通試驗所必需的通信信號系統(tǒng)、電力及牽引供電系統(tǒng)和管理指揮系統(tǒng)等，能夠全面地模擬城市軌道交通運(yùn)行的各種真實環(huán)境。

3.2測試網(wǎng)絡(luò)實施方案

試驗段測試所構(gòu)建的LTE-M系統(tǒng)采用A、B網(wǎng)冗余組網(wǎng)方式，共同承載測試相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，其中A網(wǎng)采用15 MHz帶寬，承載CBTC業(yè)務(wù)信息、列車實時狀態(tài)信息、車載CCTV監(jiān)控圖像信息和PIS圖像信息(含緊急文本)等業(yè)務(wù)；B網(wǎng)采用5 MHz帶寬，承載CBTC業(yè)務(wù)信息和緊急文本信息。每個網(wǎng)絡(luò)均包括了核心網(wǎng)EPC、基帶處理單元BBU、射頻拉遠(yuǎn)單元RRU和車載無線終端TAU。BBU通過以太網(wǎng)交換機(jī)直接接入兩套LTE核心網(wǎng)設(shè)備，通過光纜連接到軌旁RRU設(shè)備。區(qū)間主要采用RRU+漏泄同軸電纜方式覆蓋，以減少來自無線環(huán)境的同頻干擾。

在列車車頭和車尾分別設(shè)置車載接入單元TAU，通

過車載交換機(jī)與應(yīng)用系統(tǒng)車載設(shè)備相連，完成CBTC、PIS、CCTV和TOSM業(yè)務(wù)的接入，并實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)之間的隔離與網(wǎng)絡(luò)安全需求。其中，位于車頭的TAU配置5 MHz帶寬，只用來傳輸CBTC業(yè)務(wù)，而位于車尾的TAU則傳輸CBTC、PIS/CCTV和余下全部業(yè)務(wù)，CBTC業(yè)務(wù)信息在2套網(wǎng)絡(luò)上同時傳輸。這是由于CBTC屬于安全苛求系統(tǒng)，為了保證其對網(wǎng)絡(luò)可靠性的要求，必須為CBTC業(yè)務(wù)部署冗余傳輸網(wǎng)絡(luò)，而針對其他業(yè)務(wù)僅配置單一網(wǎng)絡(luò)即可。

在測試中，試驗線軌旁共布設(shè)9個RRU，相鄰RRU之間的間距為1 km。由于上下行的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)速率非常接近，因此上下行子幀配置為模式1，即上行子幀與下行子幀的配比為2 ∶2。特殊子幀配置為模式7，即DwPTS、GP和UpPTS的配比為10 ∶2 ∶2。

為驗證LTE系統(tǒng)滿足信號系統(tǒng)的功能需求，需要測試BBU間切換時的LTE傳輸性能。在A、B網(wǎng)分別設(shè)置2臺BBU，為增加切換次數(shù)，RRU交叉接入到相應(yīng)的BBU上，使得車載無線終端每經(jīng)過1個RRU就產(chǎn)生1次BBU間的切換，增加測試樣本數(shù)。

3.3測試內(nèi)容

本次實地測試是在城市軌道交通真實電磁環(huán)境下進(jìn)行的，測試LTE-M系統(tǒng)的車地通信傳輸性能，驗證LTE-M系統(tǒng)傳輸CBTC、TOSM、CCTV和PIS(含緊急文本信息)業(yè)務(wù)的綜合承載能力。測試的內(nèi)容包括LTE-M傳輸性能測試和綜合承載傳輸性能測試。

4　測試結(jié)果與分析

4.1傳輸性能測試

傳輸性能測試包括傳輸時延、切換時延、丟包率和吞吐量等測試。由于在LTE-M系統(tǒng)中，地面設(shè)備與車載TAU的時鐘不完全同步，因此在進(jìn)行傳輸時延和切換時延測試時，主要關(guān)注環(huán)回時延而非單向時延。

圖3　傳輸時延的概率分布函數(shù)

傳輸時延的概率分布函數(shù)如圖3所示。由圖3可知，傳輸時延大部分集中在10 ms左右，平均傳輸時延為11.6 ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于CBTC業(yè)務(wù)QoS需求中規(guī)定的150 ms，其中傳輸時延低于20 ms的概率接近100%。

圖4為切換時延的概率分布函數(shù)，與傳輸時延不同，切換時延并不集中在某一固定的值周圍，而是分布變化的。其中，平均切換時延在31 ms左右，小于CBTC業(yè)務(wù)QoS需求中規(guī)定的150 ms，切換時延低于45 ms的概率接近100%。

圖4　切換時延的概率分布函數(shù)

列車駐留在一個小區(qū)內(nèi)的信干噪比SINR和下行吞吐量的變化如圖5和圖6所示，顯然在大部分時間內(nèi)，SINR的值大于10 dB。對于下行吞吐量，除列車處于小區(qū)邊緣的特殊情況外，吞吐量的值均在20 Mb/s左右波動。

圖5　單小區(qū)下行信干噪比SINR

圖6　單小區(qū)下行吞吐量

圖7　上行吞吐量的概率分布函數(shù)

圖8　下行吞吐量的概率分布函數(shù)

帶寬為15 MHz時，上下行吞吐量的概率分布函數(shù)分別如圖7和圖8所示，分析可得上行平均吞吐量為17.1 Mb/s，下行吞吐量為19.3 Mb/s。

此外，在丟包測試中，整個測試過程沒有發(fā)生丟包現(xiàn)象。

4.2綜合承載性能測試

在綜合承載性能測試中，為了研究PIS/CCTV業(yè)務(wù)對CBTC業(yè)務(wù)傳輸性能的影響，需要對LTE-M系統(tǒng)綜合承載CBTC、CCTV、PIS和TOSM情況下CBTC業(yè)務(wù)的傳輸時延與切換時延進(jìn)行測試。

由于PIS和CCTV業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)速率分別為4 Mb/s和2 Mb/s，因此將1套PIS設(shè)備和2套CCTV設(shè)備連接到LTE網(wǎng)絡(luò)，同時使用IxChariot模擬雙路CBTC業(yè)務(wù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行104次循環(huán)測試。圖9和圖10分別為LTE-M系統(tǒng)綜合承載業(yè)務(wù)的傳輸時延與切換時延，其中傳輸時延約為100 ms，切換時延小于50 ms。由此可以得出結(jié)論，TD-LTE系統(tǒng)的調(diào)度算法能夠很好地工作，使得PIS/CCTV業(yè)務(wù)不會影響CBTC業(yè)務(wù)的傳輸性能。

圖9　綜合承載業(yè)務(wù)傳輸時延的概率分布函數(shù)

圖10　綜合承載業(yè)務(wù)切換時延的概率分布函數(shù)

5　結(jié)論與展望

筆者設(shè)計了基于LTE的城市軌道交通車地通信綜合承載系統(tǒng)(LTE-M)。在北京的國家鐵道實驗中心進(jìn)行了全球第1個LTE-M系統(tǒng)的實地測試。試驗結(jié)果滿足預(yù)期，驗證了LTE系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、綜合承載能力強(qiáng)、頻譜利用率高的特點，能夠滿足軌道交通業(yè)務(wù)需求。

LTE-M系統(tǒng)用于承載軌道交通綜合業(yè)務(wù)，在保障CBTC業(yè)務(wù)高可靠傳輸?shù)耐瑫r，能夠滿足緊急文本下發(fā)和列車實時狀態(tài)的傳輸需求，且能為CCTV和PIS等業(yè)務(wù)提供有效的傳輸通道。

下一步，將加快LTE-M系統(tǒng)在城市軌道交通的示范線建設(shè)，并同步推進(jìn)LTE-M的技術(shù)規(guī)范工作，以規(guī)范和指導(dǎo)LTE-M系統(tǒng)的設(shè)計和研究工作。

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(編輯：曹雪明)

An Integrated LTE-based Urban Rail Train Ground Communication System

Dai Keping1Zhang Yanbing1Zhu Li2Tang Tao2Zhao Hongli3Jiang Hailin3

(1. Beijing Rail Transit Construction and Management Co., Ltd., Beijing 100068; 2. State Key Lab. of Rail Traffic Control and Safety, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044; 3. National Eng. Research Center of Rail Transportation Operation and Control System, Beijing 100044)

To ensure the safe operation of urban rail, it is urgently needed to construct an integrated train ground communication with dedication frequency band. In this paper, we designed an integrated LTE- based train ground communication system for urban rail transit system (LTE- M) with TD- LTE technology. In order to test the integrated LTE- based train ground communication system performance, a real testing environment is set up. The testing environment includes the real train and real equipment. Real tunnels and elevated lines are used as well to represent the real urban rail transit environment. Extensive test results show that the designed LTE- M system has strong anti-interference capability. The system performance satisfies urban rail transit communication requirement. It can not only guarantee reliable transmission of CBTC traffic, but also provide efficient transmission path for CCTV and PIS traffic.

urban rail transit; train ground communication; CBTC; integrated service

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.01.017

2015-02-03

2015-04-01

戴克平，男，大學(xué)本科，部長，高級工程師，從事北京地鐵新線通信信息系統(tǒng)建設(shè)管理工作，daikeping@263.net

軌道交通控制與安全國家重點實驗室自主研究課題(RCS2015ZT00)；北京市科委項目(D141100000714002)

U231.7

A

1672-6073(2016)01-0069-06