李 晶

TD-LTE技術(shù)在城軌信號(hào)系統(tǒng)車-地通信中的應(yīng)用分析

李 晶

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的車-地?zé)o線通信是基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，傳輸涉及行車安全的重要數(shù)據(jù)信息。而針對(duì)目前被CBTC信號(hào)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的WLAN技術(shù)存在的干擾風(fēng)險(xiǎn)、不適應(yīng)高速移動(dòng)環(huán)境等實(shí)際情況，TD-LTE（分時(shí)長(zhǎng)期演進(jìn)）技術(shù)的崛起及發(fā)展為車-地?zé)o線通信提供了新的思路。分析WLAN技術(shù)和TDLTE技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，著重闡述TD-LTE技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的可行性，并對(duì)基于TD-LTE技術(shù)承載多業(yè)務(wù)傳輸平臺(tái)的車-地通信方案進(jìn)行了詳細(xì)分析。

TD-LTE；WLAN；車-地?zé)o線通信；綜合承載網(wǎng)絡(luò)

0 引言

車-地?zé)o線通信是城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)（DCS）的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)軌旁信號(hào)設(shè)備與車載信號(hào)設(shè)備之間雙向、可靠、安全的數(shù)據(jù)信息交換的傳輸通道。當(dāng)前，市場(chǎng)上能提供的和使用中的基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)均采用IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)（WLAN）技術(shù)。

而現(xiàn)在，隨著TD-LTE（分時(shí)長(zhǎng)期演進(jìn)）技術(shù)的快速發(fā)展和在乘客信息系統(tǒng)（PIS）中的成功應(yīng)用，TD-LTE技術(shù)是否也能為城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的車-地通信提供另一種選擇方案，若將TD-LTE技術(shù)應(yīng)用在信號(hào)系統(tǒng)中，還需做哪些工作，這一系列問(wèn)題已經(jīng)成為被廣泛關(guān)注的問(wèn)題。本文從梳理信號(hào)系統(tǒng)的車-地通信需求出發(fā)，同時(shí)對(duì)WLAN技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行剖析，著重闡述TD-LTE技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的可行性，并給出具體的實(shí)施方案。

1 信號(hào)系統(tǒng)車-地?zé)o線通信的需求分析

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的車-地?zé)o線通信可實(shí)現(xiàn)列車與地面的雙向、實(shí)時(shí)通信。列車將自身的車次號(hào)、運(yùn)行方向、列車位置和實(shí)際速度實(shí)時(shí)傳遞給地面軌旁設(shè)備；地面軌旁設(shè)備根據(jù)正線所有列車的位置信息，經(jīng)過(guò)計(jì)算生成列車的運(yùn)行權(quán)限，并傳遞給列車，內(nèi)容包括停車點(diǎn)位置、最大允許速度、運(yùn)行方向和車門控制信息等。

由于車-地?zé)o線通信系統(tǒng)的傳輸信息量較大，且CBTC對(duì)傳輸通道的可靠性、安全性要求較高，所以，行業(yè)內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范對(duì)信號(hào)系統(tǒng)車-地通信的性能指標(biāo)有著較為嚴(yán)格的規(guī)定，具體指標(biāo)如下[1～2]。

（1）車-地通信每列車信息的傳輸速率不應(yīng)低于1 Mbit/s。

（2）車-地通信單網(wǎng)絡(luò)信息的丟包率應(yīng)小于1%。

（3）車-地通信單網(wǎng)絡(luò)信息的誤碼率小于或等于10-6。

（4）車-地通信單網(wǎng)絡(luò)的越區(qū)切換時(shí)間應(yīng)在100 ms以內(nèi)。

（5）車-地通信信息經(jīng)有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲時(shí)間應(yīng)小于150 ms之內(nèi)。

（6）應(yīng)實(shí)現(xiàn)線路最高運(yùn)行速度下車-地實(shí)時(shí)雙向通信的要求。

（7）車-地通信設(shè)備的平均故障間隔時(shí)間（MTBF）＞2×104h。

（8）車-地通信設(shè)備的平均故障修復(fù)時(shí)間（MTTR）＜30 min。

（9）信號(hào)系統(tǒng)的可用性指標(biāo)不小于99.98%。

（10）應(yīng)保證車-地通信可靠連接，雙網(wǎng)中同一時(shí)刻至少有1個(gè)網(wǎng)絡(luò)無(wú)中斷。

2 WLAN技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀分析

工程實(shí)踐證明，目前被廣泛應(yīng)用的基于WLAN的車-地?zé)o線通信的可靠性、可用性、安全性等均能滿足當(dāng)前城市軌道交通運(yùn)營(yíng)的需要，是實(shí)現(xiàn)城市軌道交通高安全和高密度的關(guān)鍵技術(shù)之一。

但是，目前的CBTC信號(hào)系統(tǒng)大部分采用IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)（龐巴迪和日本信號(hào)除外）進(jìn)行無(wú)線傳輸，并均工作于2.4 GHz ISM頻段。由于2.4 GHz ISM頻段為開(kāi)放頻段，隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展推廣，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，CBTC系統(tǒng)車-地通信受到民用WIFI設(shè)備等同頻干擾的風(fēng)險(xiǎn)日益增加，在部分城市軌道交通線路中已經(jīng)發(fā)生過(guò)車-地通信受干擾，導(dǎo)致車-地通信中斷，影響列車正常運(yùn)營(yíng)的事件。

另外，隨著我國(guó)城市軌道交通的發(fā)展，多個(gè)城市對(duì)于市域快速軌道交通進(jìn)行了規(guī)劃，這類線路的顯著特點(diǎn)是速度快（最高速度均在120 km/h以上）、線路長(zhǎng)、站間距大等。WLAN在開(kāi)發(fā)之初是基于靜態(tài)無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)計(jì)的，在列車低速運(yùn)行的情況下可滿足信號(hào)系統(tǒng)車-地通信的需要，但是隨著車速的提高，無(wú)線通信會(huì)因衰落、干擾和列車的高速移動(dòng)在性能上受到影響，造成丟包率上升和傳輸帶寬下降，而現(xiàn)階段尚沒(méi)有實(shí)際的工程案例來(lái)檢驗(yàn)WLAN在高速環(huán)境下是否能達(dá)到車-地通信的傳輸性能要求。因此，WLAN在快速市域等有著較高速運(yùn)營(yíng)需求的線路中可能將無(wú)法滿足。

3 TD-LTE技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀分析

T D-L T E技術(shù)是3G P P（第三代合作伙伴計(jì)劃）組織制定的通用移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)期演進(jìn)，它改進(jìn)并增強(qiáng)了3 G的空中接入技術(shù)，引入了正交頻分復(fù)用（O F D M）和多輸入多輸出（MIMO）等關(guān)鍵技術(shù)，顯著增加了頻譜效率和傳輸速率[3～4]。在20M帶寬組網(wǎng)的情況下，下行峰值速率為100 Mbit/s，上行為50 Mbit/s。而且，TD-LTE技術(shù)支持多種帶寬分配，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。同時(shí)，TD-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，這種結(jié)構(gòu)有利于簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)和減小延遲，實(shí)現(xiàn)了低時(shí)延、低復(fù)雜度和低成本的要求[5～6]。TD-LTE技術(shù)與WLAN技術(shù)關(guān)鍵性能分析見(jiàn)表1。

表1 TD-LTE技術(shù)與WLAN技術(shù)關(guān)鍵性能分析

由表1可見(jiàn)，TD-LTE技術(shù)在抗干擾能力、可維護(hù)性、支持高速移動(dòng)及服務(wù)質(zhì)量上均有一定的優(yōu)勢(shì)，而且TD-LTE已經(jīng)有成熟的產(chǎn)品在民用通信運(yùn)營(yíng)商中使用，國(guó)內(nèi)有數(shù)十家廠商能夠提供整套的TD-LTE解決方案，產(chǎn)品成熟度較高，可選擇范圍大，但TD-LTE技術(shù)在城市軌道交通項(xiàng)目中的應(yīng)用尚處在起步階段，截至目前，TD-LTE還沒(méi)有城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

目前，朔黃重載鐵路已開(kāi)始將TD-LTE用于列車控制的信息傳輸。2013年，鄭州地鐵1號(hào)線利用基于TD-LTE的無(wú)線通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了乘客信息系統(tǒng)（PIS）和車載視頻監(jiān)控（CCTV）的綜合傳輸。

北京、鄭州等城市軌道交通建設(shè)單位正組織國(guó)內(nèi)主要的信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)單位和通信、信號(hào)及PIS系統(tǒng)供貨商研究基于TD-LTE技術(shù)承載多業(yè)務(wù)傳輸平臺(tái)的車-地通信方案，完成了車-地通信系統(tǒng)需求分析、方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作。測(cè)試結(jié)果證明，基于TD-LTE的城市軌道交通車-地通信綜合承載方案可完全滿足信號(hào)、PIS、CCTV的業(yè)務(wù)傳輸需要。北京地鐵燕房線工程將開(kāi)展TD-LTE技術(shù)的示范應(yīng)用。2015年烏魯木齊地鐵1號(hào)線工程已經(jīng)完成信號(hào)系統(tǒng)招標(biāo)工作，也將把TD-LTE技術(shù)應(yīng)用于信號(hào)系統(tǒng)的車-地?zé)o線傳輸中。上述應(yīng)用及研究、試驗(yàn)已初步證明TD-LTE技術(shù)能夠滿足城市軌道交通車-地通信技術(shù)要求。

4 TD-LTE實(shí)施方案

在城市軌道交通各系統(tǒng)中，信號(hào)系統(tǒng)、PIS、CCTV系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)車-地雙向?qū)崟r(shí)連續(xù)通信。構(gòu)建統(tǒng)一的車-地?zé)o線通信平臺(tái)，綜合承載多個(gè)專業(yè)的車-地信息是城市軌道交通的發(fā)展趨勢(shì)。由通信系統(tǒng)統(tǒng)一建設(shè)基于TD-LTE技術(shù)承載多業(yè)務(wù)傳輸平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)在高速移動(dòng)狀態(tài)下，提供滿足帶寬、穩(wěn)定、具有QoS保障和實(shí)時(shí)性要求的信號(hào)列控信息（雙向）、車載PIS實(shí)時(shí)播放（下行）、車載視頻監(jiān)控圖像回傳（上行）等車-地?zé)o線數(shù)據(jù)多業(yè)務(wù)承載。

采用基于TD-LTE技術(shù)承載多業(yè)務(wù)傳輸平臺(tái)的車-地通信方案，信號(hào)、P I S、CCTV系統(tǒng)共用車-地通信設(shè)備完成車-地雙向信息傳輸，具有如下優(yōu)勢(shì)。

（1）信號(hào)系統(tǒng)不需要單獨(dú)組建車-地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)，減少了1套車-地通信設(shè)備，可以節(jié)省工程建設(shè)的投資，減少運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量及運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用，從而降低系統(tǒng)全壽命周期成本。

（2）共用1套車-地通信傳輸平臺(tái)，可以有效避免城市軌道交通內(nèi)部系統(tǒng)相互間的干擾。

（3）實(shí)現(xiàn)資源整合，節(jié)省安裝空間，同時(shí)減少施工、配合、協(xié)調(diào)工作量，有利于工程實(shí)施。

4.1 組網(wǎng)方案

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)采用A、B網(wǎng)冗余組網(wǎng)方式承載信號(hào)、PIS、CCTV等綜合業(yè)務(wù)，信號(hào)系統(tǒng)業(yè)務(wù)在2套網(wǎng)絡(luò)上同時(shí)傳輸，保證其對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性的要求。

采用TD-LTE技術(shù)的車-地通信綜合業(yè)務(wù)傳輸方案的構(gòu)成見(jiàn)圖1。其中：

圖1 采用TD-LTE技術(shù)的車-地通信綜合業(yè)務(wù)傳輸方案的構(gòu)成示意圖

A網(wǎng)承載信號(hào)系統(tǒng)業(yè)務(wù)（CBTC業(yè)務(wù)信息、列車狀態(tài)信息）；

B網(wǎng)承載信號(hào)系統(tǒng)業(yè)務(wù)（CBTC業(yè)務(wù)信息、列車狀態(tài)信息）、車載CCTV監(jiān)控圖像信息和PIS圖像信息（含PIS緊急文本信息）等業(yè)務(wù)；

T D-L T E每個(gè)網(wǎng)絡(luò)均由核心網(wǎng)（E P C）及網(wǎng)管、基帶處理單元（B B U）、遠(yuǎn)端射頻模塊（RRU）、車載無(wú)線終端（TAU）組成。

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)在車輛段通信設(shè)備室集中設(shè)置核心網(wǎng)設(shè)備、路由器和BBU設(shè)備。通過(guò)路由器實(shí)現(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)、PIS、CCTV系統(tǒng)業(yè)務(wù)的接入，同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)之間的隔離和網(wǎng)絡(luò)安全需求。BBU設(shè)備通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)連接到EPC；通過(guò)通用公共無(wú)線接口（CPRI）協(xié)議連接到設(shè)置在軌旁和車輛段/停車場(chǎng)覆蓋區(qū)的RRU設(shè)備。BBU與RRU采用光纜連接方式，行車線路采用漏纜覆蓋，車輛段/停車場(chǎng)相關(guān)單體采用室分小天線覆蓋。

在列車的車頭和車尾，分別設(shè)置TAU，通過(guò)車載交換機(jī)與應(yīng)用系統(tǒng)車載設(shè)備相連，傳輸接收PIS圖像、上傳列車內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控信息、信號(hào)系統(tǒng)的控制信息和列車的狀態(tài)信息。

信號(hào)系統(tǒng)與TD-LTE系統(tǒng)在地面通過(guò)路由設(shè)備進(jìn)行連接，承載信號(hào)的車-地傳輸業(yè)務(wù)。在列車車頭和車尾的承載業(yè)務(wù)通過(guò)承載設(shè)備以太網(wǎng)交換機(jī)與TD-LTE網(wǎng)絡(luò)車載接入單元TAU連接。車頭承載B網(wǎng)的信號(hào)系統(tǒng)業(yè)務(wù)、PIS和CCTV業(yè)務(wù)；車尾A網(wǎng)承載信號(hào)系統(tǒng)業(yè)務(wù)，B網(wǎng)承載PIS和CCTV業(yè)務(wù)。

4.2 抗干擾措施

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)干擾包括外部干擾和內(nèi)部干擾。TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部干擾主要體現(xiàn)在A、B雙網(wǎng)間的干擾和同頻組網(wǎng)情況下小區(qū)間的同頻干擾2個(gè)方面。外部干擾主要來(lái)自于其他網(wǎng)絡(luò)的同頻干擾。

4.2.1 A、B雙網(wǎng)間干擾分析

A、B雙網(wǎng)異頻組網(wǎng)，當(dāng)2個(gè)網(wǎng)絡(luò)頻段相鄰，如果2個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)射和接收不同步，則會(huì)由于雜散和帶外輻射的原因互相干擾，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降甚至阻塞。為了避免該類干擾的發(fā)生，需保證：A、B雙網(wǎng)必須嚴(yán)格保證時(shí)隙配比和特殊時(shí)隙配比一致；雙網(wǎng)必須嚴(yán)格保證時(shí)鐘同步。

4.2.2 小區(qū)間同頻干擾

由于采用同頻組網(wǎng)，處于小區(qū)邊緣的用戶下行業(yè)務(wù)由于受到鄰區(qū)導(dǎo)頻和業(yè)務(wù)的干擾導(dǎo)致信噪比較低，從而影響下行吞吐量。為了緩解同頻干擾的影響，可以通過(guò)下列手段進(jìn)行優(yōu)化：通過(guò)參數(shù)優(yōu)化，提升業(yè)務(wù)信道的功率，使處于邊緣用戶的信噪比得到改善，從而提升吞吐量；通過(guò)修改切換參數(shù)，使用戶及早切換到目標(biāo)小區(qū)，優(yōu)化邊緣用戶切換時(shí)的吞吐量；引入新的無(wú)線管理算法，使互為鄰區(qū)的2個(gè)小區(qū)下行頻帶錯(cuò)開(kāi)，減小處于邊緣用戶業(yè)務(wù)信道的干擾，提升邊緣用戶的吞吐量。

4.2.3 外部網(wǎng)絡(luò)的同頻干擾

若存在外部同頻干擾（如北京的政務(wù)網(wǎng)等），為了滿足TD-LTE接收信號(hào)SINR（信號(hào)與干擾加噪聲比）的要求，可采取如下措施：全線采用漏纜進(jìn)行覆蓋；增強(qiáng)無(wú)線信號(hào)接收強(qiáng)度，包括增大天線增益，提高功率，減少覆蓋半徑；車載天線放置車底；無(wú)線參數(shù)調(diào)優(yōu)；降低外部網(wǎng)的覆蓋。

4.3 專用頻段申請(qǐng)

根據(jù)中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)與國(guó)家無(wú)線委員會(huì)的協(xié)商結(jié)果，確定用于城市軌道交通的測(cè)試專用頻段有4個(gè)：406 MHz、1.4 GHz、1.8 GHz和5.9 GHz（表2）。

表2 城市軌道交通可用的專用頻段比較

綜上所述，在這4個(gè)可能的頻段中，406 MHz頻段只有3 MHz帶寬，不能做綜合承載；5.9 GHz頻段頻率高、損耗大；剩下的1.8 GHz、1.4 GHz都可以在城市軌道交通工程中應(yīng)用，具體頻段需根據(jù)各城市的實(shí)際使用及分配情況，向國(guó)家無(wú)線委員會(huì)申請(qǐng)確定。

5 結(jié)論

綜合上述對(duì)T D-L T E技術(shù)和WLAN技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)的分析可知，TD-LTE在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)車-地通信應(yīng)用方面具有抗干擾能力強(qiáng)、可維護(hù)性能好、支持列車高速運(yùn)行下雙向通信等多方面優(yōu)勢(shì)，而且通過(guò)采用綜合承載網(wǎng)絡(luò)的方式可以減少設(shè)備，節(jié)省安裝空間，更有效地實(shí)現(xiàn)資源整合，降低成本。

同時(shí)，應(yīng)明確T D-L T E技術(shù)在城市軌道交通項(xiàng)目中的應(yīng)用尚處在起步階段，截至目前為止，并沒(méi)有城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。但是，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，尤其是對(duì)于市域快軌等高速運(yùn)營(yíng)項(xiàng)目而言，T D-L T E技術(shù)已經(jīng)顯得十分迫切。相信通過(guò)大量的開(kāi)發(fā)、試驗(yàn)及在示范性工程的應(yīng)用實(shí)踐，將為TD-LTE技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] GB50157-2013 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

[2] 中國(guó)交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)城市軌道交通專業(yè)委員會(huì). 城市軌道交通CBTC信號(hào)系統(tǒng)行業(yè)技術(shù)規(guī)范——需求規(guī)范（暫行版）[S]. 2013.

[3] 賈萍，徐淑鵬，陶宇龍，等. LTE技術(shù)在信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用可行性分析[J]. 都市快軌交通，2014，27(6)：13-15.

[4] 甘玉璽，肖健華，金志虎，等.軌道交通車地?zé)o線通信技術(shù)研討[J]. 城市軌道交通研究，2014，17(1)：103-106.

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責(zé)任編輯 冒一平

Application Analysis of TD-LTE Technology in Train-Ground Wireless Communication for Transit Signaling System

Li Jing

In urban rail transit signaling system, the train-ground wireless communication is one of key technologies of communication based train control (CBTC) system, transmitting the important data information concerning traffic operation safety. In view of the fact that WLAN technology widely used in CBTC signal system has interference risks, it is not suitable for high speed and mobile environment, while the development of TD-LTE technology has provided a new concept for train-ground wireless communication. The paper analyzes the present application of WLAN technology and TD-LTE technology, and mainly describes the feasibility of TD-LTE technology to be used in transit signaling system, and analyzes in details of train-ground wireless communication scheme based on TD-LTE technology for multi service transmission platform.

TD-LTE, WLAN, train-ground wireless communication, integrated services digital network

U231.7

2015-02-27

李 晶：北京城建設(shè)計(jì)研究總院軌道院第十設(shè)計(jì)所信號(hào)設(shè)計(jì)室，工程師，北京 100045