劉輝 北京中興高達(dá)通信技術(shù)有限公司交通方案總監(jiān)

ZiLTE在軌道交通中的示范應(yīng)用

劉輝 北京中興高達(dá)通信技術(shù)有限公司交通方案總監(jiān)

通過(guò)研究軌道交通的業(yè)務(wù)需求，結(jié)合LTE和B-TrunC的技術(shù)特點(diǎn)，為L(zhǎng)TE技術(shù)應(yīng)用到軌道交通專用通信上提供了業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)分析和ZiLTE解決方案。

軌道交通 ZiLTE LTE B-TrunC TETRA WLAN

1 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和城市化的快速發(fā)展，城市的公共交通建設(shè)變得尤為重要。城市軌道交通以其快速、安全、準(zhǔn)時(shí)、運(yùn)量大的鮮明特點(diǎn)，愈發(fā)顯示出它的優(yōu)勢(shì)，也必將成為城市公共交通系統(tǒng)的骨干網(wǎng)絡(luò)。2014年末，全國(guó)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)里程將超過(guò)3100km，提前一年實(shí)現(xiàn)“十二五”規(guī)劃的3000km運(yùn)營(yíng)里程目標(biāo)。預(yù)計(jì)2015年全國(guó)將有40個(gè)城市建設(shè)軌道交通，總在建里程近4000km。在新一輪城市軌道交通建設(shè)熱潮中，緊隨而來(lái)的就是對(duì)運(yùn)營(yíng)維護(hù)的需求。要做到軌道交通建設(shè)和管理的同步加強(qiáng)，如何結(jié)合最新的通信技術(shù)來(lái)提高運(yùn)營(yíng)維護(hù)的管理水平必將成為一項(xiàng)重要而緊迫的工作。

2 軌道交通專用無(wú)線通信現(xiàn)狀

城市軌道交通是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，通常由軌道線路、車站、車輛、維護(hù)檢修基地、停車場(chǎng)、供變電、通信與信號(hào)、指揮控制中心等組成。目前，在軌道交通的通信與信號(hào)系統(tǒng)中有多套專用的無(wú)線系統(tǒng)同時(shí)為運(yùn)營(yíng)、維護(hù)提供生產(chǎn)支撐，這其中包括：

（1）一套基于TETRA的窄帶無(wú)線集群調(diào)度系統(tǒng)，為運(yùn)營(yíng)單位提供行車、維修和防災(zāi)無(wú)線調(diào)度通信。

（2）一套基于WLAN的CBTC控制信號(hào)的車地?zé)o線通信，支撐著列車自動(dòng)駕駛和自動(dòng)監(jiān)控的任務(wù)。

（3）一套基于WLAN的車載乘客信息系統(tǒng)，為乘客提供列車運(yùn)行信息和出行服務(wù)指南等。

這3套無(wú)線系統(tǒng)為軌道交通的快速發(fā)展起到了重大歷史作用，已成功地使用了很多年，但是也逐漸暴露了一些問(wèn)題和不足：

（1）建設(shè)3套獨(dú)立的無(wú)線通信系統(tǒng)，增加了投資造價(jià)，同時(shí)也增加了后續(xù)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的工作量以及在軌道區(qū)域內(nèi)的設(shè)備復(fù)雜度。

（2）TETRA無(wú)線集群系統(tǒng)，只能提供語(yǔ)音和短數(shù)據(jù)等窄帶業(yè)務(wù)，不能提供多媒體和寬帶業(yè)務(wù)。

（3）隨著智能手機(jī)的高度普及，Wi-Fi熱點(diǎn)、藍(lán)牙都成為智能手機(jī)的必帶功能，這些紛紛擾擾的信號(hào)也給無(wú)線環(huán)境帶來(lái)更多的干擾噪聲，尤其在2.4G的ISM頻段更為突出。

（4）衛(wèi)星城鎮(zhèn)和城市副中心的發(fā)展，也會(huì)逐步提高對(duì)城市軌道交通的通行距離和行車速度的要求，目前在市域鐵路中已經(jīng)提出了120km/h以上的速度要求。最初設(shè)計(jì)用來(lái)作為局域網(wǎng)使用的WLAN，必然面臨高速移動(dòng)下的通信質(zhì)量下降甚至中斷的挑戰(zhàn)。

如今的無(wú)線移動(dòng)通信飛速發(fā)展，基于LTE的4G技術(shù)正在快速普及，各大運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)分別推出各自的4G業(yè)務(wù)，LTE的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)已經(jīng)變得十分壯大。民用無(wú)線通信的技術(shù)進(jìn)步必將服務(wù)于各個(gè)行業(yè)的建設(shè)，在最近兩年，行業(yè)內(nèi)已經(jīng)開始研究和部署將LTE技術(shù)，特別是將我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TD-LTE技術(shù)應(yīng)用到軌道交通中。中興通訊旗下的中興高達(dá)推出的ZiLTE就是基于TD-LTE技術(shù)，并服務(wù)于行業(yè)應(yīng)用的無(wú)線產(chǎn)品，中興高達(dá)也已經(jīng)推出并部署了ZiLTE的軌道交通方案。

3 LTE技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用

3.1 LTE適合軌道應(yīng)用

LTE是由3GPP組織制定的第四代無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。LTE的物理層引入了OFDM正交調(diào)制技術(shù)和MIMO多天線技術(shù)，顯著增加了頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率。LTE支持多種帶寬分配，比如1.4、3、5、10、15和20MHz，還支持載波聚合技術(shù)，并且支持全球主流2G/3G頻段和一些新增頻段，因而頻譜分配更加靈活，系統(tǒng)容量和覆蓋也顯著提升。

LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加扁平化簡(jiǎn)單化，減少了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和系統(tǒng)復(fù)雜度，從而減小了系統(tǒng)時(shí)延，也降低了網(wǎng)絡(luò)部署和維護(hù)成本（見圖1）。LTE的基站（eNodeB）之間具備X2接口，可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端在X2口的無(wú)損切換，從而使得LTE也具備了一些分布式系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。在安全機(jī)制上，LTE采用AS和NAS兩層認(rèn)證和鑒權(quán)體制，使系統(tǒng)具備更高的安全性。

圖1 LTE的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

正因?yàn)長(zhǎng)TE支持多樣化的帶寬和頻譜選擇，為各地軌道交通部門根據(jù)當(dāng)?shù)卣攉@取無(wú)線頻譜資源提供了很好的有力條件。而且軌道沿線的覆蓋是典型的線型覆蓋，LTE扁平化的架構(gòu)，X2接口切換優(yōu)化，安全性都十分切合軌道交通的需求。一般情況下，軌道沿線采用漏泄電纜進(jìn)行覆蓋，如果可以同時(shí)敷設(shè)兩條漏泄電纜則可以實(shí)現(xiàn)2×2MIMO的傳輸，實(shí)現(xiàn)傳輸速率的倍增。

3.2 基于B-TrunC的軌道應(yīng)用

B-TrunC是由工業(yè)和信息化部電信研究院牽頭制定的基于TD-LTE的寬帶集群專業(yè)行標(biāo)，是繼TD-LTE之后我國(guó)的又一重大創(chuàng)新技術(shù)。B-TrunC基于LTE標(biāo)準(zhǔn)，引入了集群組呼、群組管理、話權(quán)管理等功能，開放Uu-T/NAS接口和D接口。B-TrunC的物理層基于LTE的物理層標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有變化，從而避免了任何基站硬件和終端芯片的改動(dòng)；在MAC層則引入了新的集群邏輯信道及映射，定義了新增的集群相關(guān)參數(shù)的取值（LCID，RNTI），以適應(yīng)專業(yè)集群的需求，這也是和其他基于PoC的集群技術(shù)的重大區(qū)別；B-TrunC的RLC/PDCP層無(wú)改動(dòng)，而RRC層引入了新的集群流程和信令，以實(shí)現(xiàn)集群業(yè)務(wù)的管理。B-TrunC系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 B-TrunC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

B-TrunC是在LTE標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上的增量開發(fā)，增量出來(lái)的寬帶集群業(yè)務(wù)與原有的LTE數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)并發(fā)管理，集群用戶和普通數(shù)據(jù)用戶納入相同的移動(dòng)性管理和用戶管理之中。在空中接口無(wú)線資源的管理上完全基于LTE的QoS策略，由eNodeB統(tǒng)一進(jìn)行資源調(diào)度和分配。

中興高達(dá)ZiLTE系統(tǒng)集群核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，該系統(tǒng)基于B-TrunC標(biāo)準(zhǔn)提供基本的集群呼叫業(yè)務(wù)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)出豐富的補(bǔ)充業(yè)務(wù)和軌道交通特色功能，從業(yè)務(wù)劃分上大致可以分成如下幾類：

（1）基本呼叫業(yè)務(wù)，包括單呼、組呼、緊急呼叫和廣播呼叫等基本業(yè)務(wù)，同時(shí)支持全雙工組呼，在這種場(chǎng)景下，組呼內(nèi)用戶可以同時(shí)發(fā)言，從而實(shí)現(xiàn)多方通話的功能。

（2）優(yōu)先級(jí)，ZiLTE支持多種優(yōu)先級(jí)管理——首先是業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)，在資源并發(fā)受限情況下，系統(tǒng)將中斷低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，為集群業(yè)務(wù)提供帶寬；集群呼叫也有多個(gè)優(yōu)先級(jí)，緊急呼叫的優(yōu)先級(jí)最高；同樣，呼叫組和組內(nèi)用戶之間也有優(yōu)先級(jí)定義，從而可以根據(jù)工作單位的組織、崗位定義出相應(yīng)的呼叫權(quán)限。

圖3 中興高達(dá)ZiLTE系統(tǒng)集群核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)

（3）補(bǔ)充業(yè)務(wù)，主要是呼叫相關(guān)類業(yè)務(wù)，包括呼叫的強(qiáng)插強(qiáng)拆、呼叫前轉(zhuǎn)、主叫號(hào)碼顯示、主叫號(hào)碼禁止顯示、遇忙提示、群組用戶號(hào)碼狀態(tài)列表、單呼前轉(zhuǎn)、遲后接入、群組監(jiān)控以及錄音回放等業(yè)務(wù)功能。補(bǔ)充業(yè)務(wù)的組合配合基本業(yè)務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)軌道交通更加豐富的業(yè)務(wù)流程定義。

（4）軌道交通特色功能，包括功能尋址、基于位置的尋址、功能號(hào)以及呼叫矩陣等。ZiLTE系統(tǒng)可以基于小區(qū)定位，因此實(shí)現(xiàn)這些業(yè)務(wù)明顯要優(yōu)于TETRA系統(tǒng)，可以達(dá)到GSMR相同的水平。

ZiLTE是寬帶集群系統(tǒng)，除了基本的語(yǔ)音業(yè)務(wù)，還可以充分利用寬帶的特點(diǎn)，提供多媒體呼叫功能，包括視頻單呼、組呼功能；同時(shí)，結(jié)合LTE數(shù)據(jù)域的多媒體視頻、圖片的綜合調(diào)度、用戶定位等功能，實(shí)現(xiàn)呼叫、定位、多媒體呈現(xiàn)的寬帶多媒體集群調(diào)度系統(tǒng)。在軌道交通的維修調(diào)度、防災(zāi)調(diào)度上，能夠直觀地采集現(xiàn)場(chǎng)信息，有利于指揮中心的診斷和決策，這是窄帶集群系統(tǒng)無(wú)法滿足的。

ZiLTE同時(shí)考慮了集群系統(tǒng)對(duì)可靠性的要求，因此支持了分級(jí)故障弱化功能，包括單站運(yùn)行和終端的直通模式（DMO）。這一點(diǎn)和TETRA系統(tǒng)是相同的，可以滿足任務(wù)關(guān)鍵型的要求。

3.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用

B-TrunC的增量業(yè)務(wù)并不影響LTE的基本數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，所以ZiLTE系統(tǒng)不僅可以提供多媒體的集群寬帶業(yè)務(wù)。軌道交通的綜合業(yè)務(wù)除了集群調(diào)度業(yè)務(wù)外，還包括了軌道交通信號(hào)系統(tǒng)CBTC數(shù)據(jù)的承載、車載視頻監(jiān)控（CCTV）、車載乘客信息系統(tǒng)（PIS）等多媒體業(yè)務(wù)的承載。這些業(yè)務(wù)由LTE的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)提供支撐。

（1）CBTC數(shù)據(jù)承載

CBTC是基于通信的列車控制系統(tǒng)，在傳統(tǒng)上由WLAN無(wú)線承載。WALN是無(wú)線局域網(wǎng)，覆蓋距離短，需要每200m就布設(shè)一個(gè)AP，切換性能差，特別是在列車高速運(yùn)行的情況下，切換性能將無(wú)法得到保證。而且，隨著個(gè)人消費(fèi)終端大量普及，干擾不可避免，這為行車安全帶來(lái)了隱患。CBTC組網(wǎng)圖如圖4所示。

ZiLTE系統(tǒng)在支持CBTC信號(hào)應(yīng)用時(shí)，采用A+B雙網(wǎng)架構(gòu)，形成兩套無(wú)線冗余系統(tǒng)，兩套冗余系統(tǒng)在同一區(qū)域進(jìn)行覆蓋，這在軌道交通上是常用的組網(wǎng)形態(tài)，ZiLTE繼承了這種方案，以確保系統(tǒng)具備高度的可靠性。通過(guò)軌道沿線小區(qū)間的X2接口切換優(yōu)化，系統(tǒng)可以達(dá)到優(yōu)秀的傳輸時(shí)延和切換時(shí)延要求，完全滿足CBTC的應(yīng)用需求。

（2）車載CCTV

城市軌道交通客流量巨大，防恐和治安壓力也很大，在發(fā)生緊急事件的情況下，需要對(duì)車廂內(nèi)進(jìn)行視頻監(jiān)控的實(shí)時(shí)調(diào)閱，以方便交通指揮和公安部門進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)控并作出決策，或配合啟動(dòng)相關(guān)預(yù)案進(jìn)行緊急處置。車載CCTV業(yè)務(wù)主要為上行的視頻回傳，以及包括上下行低數(shù)據(jù)量的系統(tǒng)控制交互信息。

（3）車載PIS

車載乘客信息系統(tǒng)主要包括下行的視頻媒體流和文本信息，顯示在車廂內(nèi)的液晶終端或LED顯示器上，提供乘客的信息服務(wù)。

（4）增值業(yè)務(wù)

軌道交通的LTE系統(tǒng)在充分保證上述生產(chǎn)性業(yè)務(wù)的同時(shí)，可以利用剩余帶寬來(lái)提供一些面向乘客的增值服務(wù)，比如在車內(nèi)提供公共的Wi-Fi接入，此時(shí)的LTE系統(tǒng)就是WLAN的AC控制器和AP接入點(diǎn)之間的中繼傳輸通道。

3.4 QoS策略

ZiLTE軌道交通方案可以替代傳統(tǒng)上的兩套WLAN和一套TETRA系統(tǒng)，承載綜合業(yè)務(wù)。那么在空中接口的無(wú)線資源調(diào)度上就必須考慮各種業(yè)務(wù)之間的相互協(xié)調(diào)，在盡量滿足各自業(yè)務(wù)的質(zhì)量需求的同時(shí)，又能區(qū)分優(yōu)先級(jí)，并首先保證安全性要求最高的業(yè)務(wù)。

圖4 CBTC組網(wǎng)圖

按照各個(gè)業(yè)務(wù)在軌道交通系統(tǒng)中的重要性不同，優(yōu)先級(jí)排序依次為CBTC、集群調(diào)度、CCTV和PIS，增值業(yè)務(wù)公共Wi-Fi接入則完全是一個(gè)最大努力型的業(yè)務(wù)，優(yōu)先級(jí)最低。另一方面，通過(guò)研究各業(yè)務(wù)特征，CBTC是低數(shù)據(jù)量的突發(fā)數(shù)據(jù)包，結(jié)合它的最高優(yōu)先級(jí)，可以將QCI定義為5，優(yōu)先級(jí)為1。集群業(yè)務(wù)、CCTV和PIS一旦建立業(yè)務(wù)連接，數(shù)據(jù)率基本上是恒定的，因此都分配成GBR業(yè)務(wù)。通過(guò)上述分析，最終得到的業(yè)務(wù)QoS定義如表1所示。

表1 軌道交通綜合業(yè)務(wù)的QcS策略

4 ZiLTE示范應(yīng)用

溫州市域鐵路S1線是溫州市域鐵路網(wǎng)中重要的一條主干線，未來(lái)將和S2、S3、S4一起打造一個(gè)“兩橫（S1、S3）、兩縱（S2、S4）”的南北東西分別輻射的市域鐵路線網(wǎng)。溫州市域鐵路S1線為東西走向的都市快線，是構(gòu)建未來(lái)溫州大都市核心區(qū)兩大中心（中心城和甌江口新城）的快速聯(lián)系通道，S1線路全長(zhǎng)77km，平均站間距2.8km，其一期工程為溫州南至半島二段，線路全長(zhǎng)52.22km。根據(jù)設(shè)計(jì)，S1線為雙線電氣化鐵路，設(shè)計(jì)時(shí)速120km，平均旅行時(shí)速50～60km。

2014年9月，溫州市域鐵路S1線被國(guó)家發(fā)改委列為國(guó)家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)示范工程，主要的自主化示范設(shè)備包括自主化城際動(dòng)車組、點(diǎn)式ATC信號(hào)、同相供電和基于TD-LTE通信技術(shù)的運(yùn)用維護(hù)。這是首次將基于TD-LTE的寬帶集群技術(shù)應(yīng)用于軌道交通的嘗試，而且溫州S1線設(shè)計(jì)時(shí)速高，通行距離長(zhǎng)，兼具了城市軌道交通和市域鐵路的特點(diǎn)，示范意義十分重大。

中興高達(dá)將采用ZiLTE軌道交通方案來(lái)承建溫州S1線的TD-LTE綜合業(yè)務(wù)專用無(wú)線通信系統(tǒng)，提供基于B-TrunC的寬帶多媒體集群調(diào)度用于行車、維修和防災(zāi)調(diào)度。同時(shí)，系統(tǒng)也將提供車載CCTV和PIS的LTE寬帶多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載。ZiLTE系統(tǒng)的調(diào)度接口（D接口）直接對(duì)二次開發(fā)開放，由二次開發(fā)廠家完成最終的調(diào)度交付。

如圖5所示，在該車載系統(tǒng)中，將采用經(jīng)過(guò)二次開發(fā)的ZiLTE集群車臺(tái)提供集群調(diào)度業(yè)務(wù)，采用車載數(shù)據(jù)終端TAU提供數(shù)據(jù)接入，TAU連接到由車載交換機(jī)組成的車內(nèi)局域網(wǎng)上，向PIS/CCTV車載設(shè)備提供業(yè)務(wù)連接。

溫州市域鐵路S1線的無(wú)線覆蓋重點(diǎn)主要包括軌道沿線的覆蓋，車站、停車場(chǎng)和控制中心的室內(nèi)覆蓋，以及室外停車區(qū)域的覆蓋。對(duì)高架和地面線路，在不具備漏泄電纜敷設(shè)條件的路段，將采用背靠背安裝的扇區(qū)天線進(jìn)行沿線的線型覆蓋，在室外停車區(qū)域同樣也采用全向或扇區(qū)天線進(jìn)行局域覆蓋，而在車站、車庫(kù)、控制中心等室內(nèi)區(qū)域則采用室內(nèi)分布系統(tǒng)覆蓋。

軌道沿線的LTE小區(qū)切換基本上以基于X2接口的切換為主，相互的鄰區(qū)關(guān)系配置簡(jiǎn)單，有利于列車高速行駛條件下的切換性能優(yōu)化。

圖5 車載系統(tǒng)示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著LTE在運(yùn)營(yíng)商的成熟商用，服務(wù)于行業(yè)的LTE解決方案必將走向成熟和規(guī)?；瘧?yīng)用。本文從軌道交通的業(yè)務(wù)需求出發(fā)，結(jié)合LTE以及B-TrunC標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)特點(diǎn)，詳細(xì)分析和闡述了中興高達(dá)ZiLTE系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軌道交通綜合業(yè)務(wù)的方案和技術(shù)要點(diǎn)，充分說(shuō)明LTE足以滿足軌道交通的需求并具備足夠的技術(shù)先進(jìn)性，是軌道交通無(wú)線專用系統(tǒng)的應(yīng)用方向。

1 3GPPTS 36.401.Architecture Description

2 3GPPTS 36.201.LTE Physical Layer-General Description

3 3GPPTS 36.300.Overall Description

4 2013-0931T-YD.基于TD-LTE技術(shù)的專網(wǎng)寬帶集群系統(tǒng)總體技術(shù)要求（第一階段）

Demonstration of theApplication of ZiLTE in Rail Transit

Based on the study of the requirements of rail transit services,combined with the characteristics of LTE technology and B-TrunC,this paper analyses the application of LTE technology in rail transit and give out the ZiLTE solution of dedicated wireless communication for rail transit.

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2014-12-25）