■ 戴克平 吉樹新

TD-LTE在城軌全自動運行系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

■ 戴克平 吉樹新

針對城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)的應(yīng)用需求，介紹TD-LTE技術(shù)的特點，提出該技術(shù)應(yīng)用在城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)中需要重點解決的幾個關(guān)鍵問題，并給出相應(yīng)的解決方案。通過試驗線的測試和驗證，證明了TD-LTE技術(shù)應(yīng)用在城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)中的可行性。

TD-LTE；城市軌道交通；全自動運行系統(tǒng)

0 引言

隨著城市軌道交通系統(tǒng)的不斷發(fā)展，國內(nèi)多個城市的軌道交通網(wǎng)絡(luò)已初具規(guī)模。網(wǎng)絡(luò)化已成為城市公共交通的命脈，在城市運行中發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著技術(shù)的發(fā)展，城市軌道交通采用全自動運行，提高運行效率、保障運行安全已經(jīng)提到議事日程。在全自動運行線路中，車地無線通信系統(tǒng)作為有線傳輸網(wǎng)絡(luò)的延伸，擔負著城市軌道交通運行過程中車輛與外界信息交互的“橋梁”作用，是不可或缺的神經(jīng)中樞。車地無線通信系統(tǒng)提供了行車所需的閉路電視系統(tǒng)（Closed-Circuit TeleVision Systerm，CCTV）、乘客信息系統(tǒng)（Passenger Information System，PIS）、列車控制系統(tǒng)（Communication-Based Train Control，CBTC）等系統(tǒng)中車輛與車站/控制中心之間的無線傳輸通道。

目前業(yè)內(nèi)車地無線傳輸主要以IEEE 802．11系列WLAN技術(shù)為主。作為一種寬帶無線接入技術(shù)，車地無線傳輸在網(wǎng)絡(luò)化、寬帶化、經(jīng)濟性方面具有一定優(yōu)勢，但一些固有局限性限制了城市軌道交通車地無線通信系統(tǒng)的發(fā)展：（1）覆蓋距離短、鏈路復(fù)雜、維護不便。WLAN天線范圍覆蓋較小，每間隔200 m需布設(shè)1個天線，增加了隧道內(nèi)有源設(shè)備數(shù)量，維護困難，同時帶來頻繁的越區(qū)切換。（2）業(yè)務(wù)帶寬嚴重受限。WLAN上下行采用CSMA/ CA機制，上下行競爭占用信道資源，當用戶增多時碰撞幾率增加，吞吐量下滑嚴重。（3）無線干擾嚴重。WLAN工作在民用開放2．4G頻段，尤其近年來Wi-Fi設(shè)備在公眾中的普及，使得基于WLAN的車地無線設(shè)備易受同頻段設(shè)備干擾。（4）QoS無法保證。多業(yè)務(wù)并發(fā)時不能按照優(yōu)先級調(diào)度，高優(yōu)先級業(yè)務(wù)帶寬無法保障，不適用于綜合承載。（5）列車運行速度限制。WLAN沒有充分考慮高速移動性的環(huán)境需求，當列車速度超過80 km/h時，其移動性明顯不足。

1 總體設(shè)計

1.1 TD-LTE技術(shù)介紹

TD-LTE技術(shù)具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)，得到政府的大力支持，采用OFDM技術(shù)、MIMO天線技術(shù)及64QAM調(diào)制技術(shù)等，具有更高的傳輸速率、更高的頻譜利用率、更低的傳輸時延和更高的安全性，支持廣域覆蓋和高速移動。TD-LTE主要技術(shù)優(yōu)勢有：（1）高數(shù)據(jù)吞吐率。在20 MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100 Mb/s、上行50 Mb/s的峰值速率；0～120 km/h移動場景下平均吞吐速率可達70 Mb/s，上行速率26 Mb/s、下行速率44 Mb/s。（2）高頻譜利用率。下行鏈路頻譜利用率可達5（b·s-1）/Hz，上行鏈路頻譜利用率可達2．5（b·s-1）/Hz。（3）帶寬靈活配置，支持非對稱頻譜?？伸`活配置1．4～20 MHz間的多種系統(tǒng)帶寬，可以調(diào)整上下行流量。（4）低系統(tǒng)時延。扁平網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)元節(jié)點少，用戶面?zhèn)鬏敃r延＜10 ms，控制面信令傳輸時延＜100 ms。（5）完善的多級QoS。保證多種不同質(zhì)量要求業(yè)務(wù)的并發(fā)服務(wù)質(zhì)量。（6）高速移動性。采用頻偏補償機制，有效克服多普勒效應(yīng)，支持350 km/h的高速移動。

1.2 系統(tǒng)需求

由于全自動運行系統(tǒng)中對于列車實時數(shù)據(jù)回傳和全自動駕駛控制數(shù)據(jù)實時傳輸要求，車地無線通信不僅需要完成傳統(tǒng)車地無線通信系統(tǒng)承載的CCTV、PIS業(yè)務(wù)傳輸，還需要完成原來單獨部署的CBTC業(yè)務(wù)傳輸，在未來還可以考慮完成語音集群調(diào)度業(yè)務(wù)，實現(xiàn)城市軌道交通業(yè)務(wù)的綜合承載，保證全自動運行系統(tǒng)中各個業(yè)務(wù)子系統(tǒng)的暢通。

在系統(tǒng)帶寬方面，上述業(yè)務(wù)所需的帶寬需求見表1。

在高速移動性方面，系統(tǒng)應(yīng)該充分考慮列車在高速情況下的切換問題，采用有效措施減少切換時間和降低因切換帶來的數(shù)據(jù)損失，以保證承載的業(yè)務(wù)質(zhì)量，尤其是CBTC業(yè)務(wù)質(zhì)量不受損失。

2 需解決的問題

按照上述總體設(shè)計的描述，全自動運行系統(tǒng)中的TD-LTE車地綜合承載通信系統(tǒng)需要解決幾個核心問題：（1）綜合承載業(yè)務(wù)的QoS設(shè)計。承載多種業(yè)務(wù)，各種業(yè)務(wù)之間以及同種業(yè)務(wù)的不同內(nèi)容之間，需要采用優(yōu)先級保證設(shè)計。（2）系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計。城市軌道交通的隧道環(huán)境無線傳輸特性復(fù)雜，不同通信網(wǎng)之間的干擾，以及TD-LTE系統(tǒng)內(nèi)部的同頻干擾都對系統(tǒng)性能有很大影響。尤其是其他制式通信網(wǎng)絡(luò)對于系統(tǒng)的異網(wǎng)同頻干擾。（3）系統(tǒng)的高可靠設(shè)計。系統(tǒng)承載的CBTC業(yè)務(wù)是關(guān)鍵性業(yè)務(wù)，應(yīng)注意系統(tǒng)的高冗余性和高可靠性設(shè)計。

表1 綜合承載需求

3 關(guān)鍵技術(shù)

針對上述需解決的核心問題，系統(tǒng)設(shè)計采用的關(guān)鍵技術(shù)如下。

3.1 綜合承載業(yè)務(wù)QoS設(shè)計

TD-LTE系統(tǒng)可以實現(xiàn)9個調(diào)度優(yōu)先級，用于CBTC、CCTV和PIS等不同的業(yè)務(wù)。系統(tǒng)為不同優(yōu)先級的業(yè)務(wù)設(shè)計不同QoS，并分配ARP和QCI參數(shù)。各業(yè)務(wù)的ARP分配由高到低，同時根據(jù)各業(yè)務(wù)對可靠性、時延的要求，系統(tǒng)為其分配不同的QCI（見表2）。

系統(tǒng)通過IP地址和端口號識別不同的業(yè)務(wù)，針對不同業(yè)務(wù)優(yōu)先級進行資源調(diào)度。通過上述方法可以實現(xiàn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)差異化，同時還可以針對同一業(yè)務(wù)實現(xiàn)不同用戶使用時的業(yè)務(wù)體驗差異。

3.2 抗干擾設(shè)計

TD-LTE車地綜合承載通信系統(tǒng)的干擾問題主要分為其他通信系統(tǒng)的干擾、TD-LTE系統(tǒng)的系統(tǒng)內(nèi)同頻干擾和其他TD-LTE系統(tǒng)的異網(wǎng)同頻干擾。

針對以上干擾，系統(tǒng)采用的抗干擾措施包括：

（1）全線采用漏泄電纜覆蓋。為減小對異網(wǎng)的干擾和提高自身抗干擾能力，全線采用漏泄電纜進行覆蓋，并可以采用空間隔離，或采用POI合路等方法增加與通信系統(tǒng)的隔離度，減少相互干擾。

表2 綜合承載QoS定義

（2）無線參數(shù)優(yōu)化。針對系統(tǒng)內(nèi)同頻干擾，可以對LTE設(shè)備無線參數(shù)進行優(yōu)化來進行小區(qū)間干擾控制和消除?？刹捎玫膬?yōu)化方法包括采用異頻調(diào)度，IRC算法和小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)（ICIC）技術(shù)。小區(qū)下行可采用異頻調(diào)度來滿足小區(qū)邊緣的信噪比，保證小區(qū)邊緣的業(yè)務(wù)速率。通過IRC算法可以將單小區(qū)來自列車運行相反方向的干擾去除，用于進行上行干擾消除。通過ICIC進行小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)優(yōu)化。ICIC以小區(qū)間協(xié)調(diào)的方式對各個小區(qū)中無線資源的使用進行限制，包括限制哪些時頻資源可用，或者在一定的時頻資源上限制其發(fā)射功率，通過考慮多個小區(qū)中資源使用和負載等情況對多小區(qū)無線資源進行管理，使得小區(qū)間干擾得到控制。

（3）利用車輛的屏蔽作用降低干擾。針對最嚴重的異網(wǎng)同頻干擾，還可以利用車輛的屏蔽作用降低干擾，列車車體對干擾信號有一定屏蔽作用，有10～20 dB的車體屏蔽效果。所以將車載天線設(shè)置在車體底部或車體一側(cè)，利用10～20 dB的車體屏蔽效果，降低對車地無線通信系統(tǒng)的干擾。另外，降低天線的安裝位置也有利于抑制相互干擾。

如圖1所示，采用車載定向平板天線安裝在車底側(cè)面，漏纜開槽正對車載平板天線，有利于降低相互干擾。

3.3 高可靠性設(shè)計

由于城市軌道交通車地無線通信系統(tǒng)要承載CBTC，而CBTC是列車運行控制的大腦，所以高可靠性是車地無線通信的重中之重。系統(tǒng)采用雙網(wǎng)設(shè)備冗余和設(shè)備內(nèi)板卡

冗余的多級冗余理念來確保車地無線通信的高可靠性。

圖1 車體屏蔽原理圖

系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備（核心網(wǎng)、基站BBU、基站RRU、車載TAU）每節(jié)點均部署2套獨立的同類型設(shè)備，構(gòu)成2個獨立的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)同時對外提供承載業(yè)務(wù)，一個網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，另一個網(wǎng)絡(luò)仍可保證通信暢通。

核心網(wǎng)設(shè)備內(nèi)每塊板卡均支持冗余熱備；基站BBU設(shè)備主控板支持主備，基帶板間支持冗余備份，可實現(xiàn)故障小區(qū)跨板重建，保證小區(qū)業(yè)務(wù)能夠自動恢復(fù)，降低小區(qū)業(yè)務(wù)中斷時間；單級RRU冷環(huán)備份；車載TAU車頭車尾互備。這樣不會因為網(wǎng)內(nèi)設(shè)備某一板卡故障而引起整個網(wǎng)絡(luò)故障。

4 設(shè)計驗證及結(jié)果分析

4.1 測試場景

為了驗證TD-LTE車地綜合承載通信系統(tǒng)在全自動運行中應(yīng)用的可行性，在實際線路上進行了試驗驗證工作。

試驗段測試在北京東北五環(huán)外側(cè)中國鐵道科學研究院環(huán)形鐵路進行。環(huán)形鐵路線路長度為8．6 km，包括785 m高架橋及925 m隧道（含2個U型槽），其余為露天環(huán)境。環(huán)形鐵路為專用試驗線路，具備安裝TD-LTE測試設(shè)備的條件，能夠進行全天候測試。經(jīng)過現(xiàn)場勘測，全線路處于北京市1．4G政務(wù)網(wǎng)的覆蓋范圍內(nèi)，因此所有的測試內(nèi)容均在異網(wǎng)同頻干擾條件下進行。

系統(tǒng)測試驗證結(jié)構(gòu)見圖2。

測試內(nèi)容主要包括：傳輸性能測試、綜合承載測試、設(shè)備穩(wěn)定性、單網(wǎng)故障測試和極限性能測試5方面。

圖2 系統(tǒng)測試驗證結(jié)構(gòu)

4.2 測試結(jié)果分析

試驗段測試的結(jié)果見表3。

系統(tǒng)可靠性測試表明，系統(tǒng)的單網(wǎng)或單點故障均不影響CBTC信息、列車狀態(tài)信息和緊急文本信息的傳輸。

表3 系統(tǒng)測試結(jié)果

系統(tǒng)的抗干擾測試表明，一般干擾條件下，基于TDLTE技術(shù)可滿足CBTC、CCTV和PIS綜合承載的傳輸需求；最惡劣情況時，雙網(wǎng)均可滿足CBTC和緊急文本信息的傳輸需求，但CCTV和PIS偶爾會出現(xiàn)卡頓。

通過上述測試，驗證了基于TD-LTE技術(shù)的車地綜合承載通信系統(tǒng)進行時能夠保障CBTC業(yè)務(wù)高可靠傳輸，能夠滿足緊急文本下發(fā)和列車實時狀態(tài)監(jiān)控的傳輸需求，同時能為CCTV和PIS等業(yè)務(wù)提供有效的通信保障，完全可以應(yīng)用于城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)中。

5 結(jié)束語

TD-LTE作為目前最先進的4G無線技術(shù)，在國內(nèi)已經(jīng)開始大規(guī)模商用，產(chǎn)業(yè)鏈趨于完善，具有高帶寬、高質(zhì)量、高可靠、高抗干擾能力等優(yōu)良特性，與其他技術(shù)相比，更適合應(yīng)用于城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)中，保證車地通信的高效和暢通。

基于TD-LTE技術(shù)可以完成車地無線通信綜合承載以外，未來還可以實現(xiàn)寬帶多媒體集群調(diào)度業(yè)務(wù)，從而實現(xiàn)全業(yè)務(wù)綜合承載。進一步提高全自動運行系統(tǒng)的運營效率，降低系統(tǒng)的總體建設(shè)投資和運營維護成本。相信隨著北京全自動運行示范線路的建設(shè)和投入運營，TD-LTE技術(shù)一定會在國內(nèi)城市軌道交通行業(yè)專網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)大放異彩。

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戴克平：北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，高級工程師，北京，100068

吉樹新：中國電子科技集團公司第五十四研究所，高級工程師，河北 石家莊，050200

責任編輯 苑曉蒙

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1672-061X（2015）04-0009-04