■ 黃云玲

LTE在城市軌道交通CBTC信號系統(tǒng)車地無線通信的應用

■ 黃云玲

探討目前城市軌道交通CBTC信號系統(tǒng)車地無線通信技術WLAN存在的不足，以及LTE-M技術在安全性、可靠性、穩(wěn)定性、抗干擾能力、移動接入性等方面的優(yōu)勢；對LTE-M的政策支持、技術優(yōu)勢、組網(wǎng)方案、頻率配置、設備配置、抗干擾措施、產(chǎn)品支持等方面進行分析；闡述未來LTE-M技術將成為城市軌道交通CBTC信號系統(tǒng)車地無線通信技術的發(fā)展方向。

軌道交通；WLAN；LTE；CBTC信號系統(tǒng)；車地無線通信

0 引言

現(xiàn)代城市軌道交通的主要運行特點是行車密度高、站間距離短及行車間隔時間短。信號系統(tǒng)是實現(xiàn)行車指揮、列車運行監(jiān)控和管理所需技術措施及配套裝備的集合體，控制中心和車載計算機之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定和高效尤為重要。由于行車間隔非常短，所以必須采用高度自動化的手段來保證列車安全準點運行，一般采用車地通信為基礎的超速防護系統(tǒng)最為妥當，其中包括應用移動閉塞系統(tǒng)[1]。基于通信的列車自動防護系統(tǒng)的車地通信宜采用無線通信方式，其無線場強覆蓋可采用天線、漏纜和裂縫波導管等方式，車地通信系統(tǒng)應保證列車高速移動時的漫游切換，不應影響列車控制的連續(xù)性，且應采用冗余的場強覆蓋[2]。基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）可以實現(xiàn)雙向信息傳輸和更高的傳輸速率及更多的信息量[1]。

隨著我國城市軌道交通客流量的大幅攀升、網(wǎng)絡化運營及裝備自動化程度的不斷提高，對CBTC信號系統(tǒng)的安全可靠性提出了更高的要求。車地無線通信是信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)的重要組成部分，是確保CBTC信號系統(tǒng)識別列車信息，實現(xiàn)軌旁設備和車載設備連續(xù)雙向、安全可靠進行數(shù)據(jù)交換及實現(xiàn)列車速度控制的重要技術手段。目前，國內(nèi)城市軌道交通CBTC信號系統(tǒng)的車地無線通信技術多采用基于IEEE802．11系列標準的無線局域網(wǎng)絡（WLAN）技術，該技術采用的2．4G公共頻段對公眾開放，同時承載如個人熱點、醫(yī)療、藍牙等數(shù)據(jù)，并且隨著無線智能城市的發(fā)展即將有更多的干擾源出現(xiàn)，存在影響行車安全的不可控因素，對城市軌道交通安全運營產(chǎn)生威脅[3]。

時分長期演進系統(tǒng)（TD-LTE）是第三代合作伙伴計劃3GPP組織制定的以正交頻分復用技術（OFDM）和多輸入多輸出技術（MIMO）為核心技術的新一代無線通用技術標準，其顯著提高了頻譜利用率和數(shù)據(jù)傳輸速率（在20M帶寬下，上/下行峰值速率分別為50 Mb/s和100 Mb/s），并支持多種頻帶配置（1．4M、3M、5M、15M、20M等），其目標是為無線通信網(wǎng)絡提供更高的傳輸速率和更穩(wěn)定的傳輸質量[4]。LTE-M是針對城市軌道交通承載業(yè)務需求的TD-LTE系統(tǒng)，支持的頻帶為1 785～1 805 MHz。2015年，工業(yè)和信息化部明確1．8G作為城市軌道交通等行業(yè)專用頻段，該頻段屬于受法律保護的專用頻段，可在頻段使用上避免其他用戶的干擾，保障行車安全。

1 LTE-M的政策支持及技術優(yōu)勢

1.1 相關政策

近2年，國家相關部門及有關行業(yè)協(xié)會對城市軌道交通采用基于1．8G頻段的TD-LTE車地無線通信技術給予相關政策及應用推廣，并出臺了相關指導意見及行業(yè)規(guī)范標準。

（1）2015年2月，工業(yè)和信息化部發(fā)布《關于重新發(fā)布1 785～1 805 MHz頻段無線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》（工信部無［2015］65號）。

（2） 2015年3月，中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布《關于轉發(fā)工信部1 785～1 805 MHz頻段使用事宜通知及有關落實工作意見》（中城協(xié)［2015］008號）。

（3） 2016年2月，中國城市軌道交通協(xié)會技術裝備委員會發(fā)布《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》（中城裝備［2016］009號），規(guī)范于2016年5月4日起試行。

（4） 2016年5月，中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布《關于推薦城軌交通新建項目CBTC系統(tǒng)使用1．8G專用頻段和LTE綜合無線通信系統(tǒng)的通知》（中城軌［2016］003號）。

1.2 調查方法 采用問卷調查法。在取得3所醫(yī)院護理部同意和支持，并符合知情同意原則的情況下，由調查者統(tǒng)一發(fā)放調查表，并進行調查內(nèi)容及填寫方法的指導;由護士長幫助回收。本次調查發(fā)放問卷250份，回收問卷246份，回收率98.4%，有效問卷228份，問卷有效率92.7%。

1.2 技術優(yōu)勢

目前廣泛應用于工程實踐的WLAN技術雖具有產(chǎn)業(yè)鏈完整、技術成熟、造價低等優(yōu)點，但由于其工作于向公眾開放的2．4G公共頻段，其他民用同頻設備易對信號系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，搶占信號系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通道，甚至阻斷信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸，造成信號系統(tǒng)車地無線通信中斷，引起列車緊急停車，威脅行車安全。而且，由于WLAN技術標準的定制初期是定位在室內(nèi)靜態(tài)場景下的無線局域網(wǎng)接入，不支持高速運行設備的數(shù)據(jù)切換，隨著列車運行速度的提高，系統(tǒng)需要更大的控制信息開銷以克服因快速移動帶來的頻移、衰落等，將引起有效帶寬的降低和丟包率的上升；另外，由于WLAN無線技術覆蓋范圍小，軌旁AP接入點較多（間距為200～300 m），系統(tǒng)越區(qū)切換頻繁，潛在故障點多、維保量大。相比WLAN技術的局限性，LTE-M技術具有以下優(yōu)勢：

（1）抗干擾能力強。LTE采用1．8G專用頻段，減少外部設備的干擾；系統(tǒng)內(nèi)部采用小區(qū)間干擾協(xié)調技術（ICIC）和軟頻率復用（SFR）等抗干擾技術措施，有效降低小區(qū)邊緣頻率干擾，提高小區(qū)吞吐率。

（2）優(yōu)先級保障機制完善。LTE支持高達9級的業(yè)務優(yōu)先級控制，通過對系統(tǒng)所承載的業(yè)務分配不同的優(yōu)先級別，保障高優(yōu)先級別業(yè)務（如CBTC）的數(shù)據(jù)傳輸服務質量（QoS）。

（3）移動接入性強。LTE采用自動頻率校正技術（AFC），確保無線系統(tǒng)發(fā)送和接收的正常通信和高速移動（＞350 km/h）場景下的無線鏈路質量，接入能力強、速度快。

（4）可維護性能好。LTE無線覆蓋距離遠，單個射頻拉遠單元（RRU）覆蓋距離可達1．2 km，軌旁無線設備減少，系統(tǒng)越區(qū)切換次數(shù)大幅減少，維護工作簡單。

（5）系統(tǒng)可靠性高。LTE采用基于頻偏的切換技術，可保證高速切換場景下的帶寬穩(wěn)定；LTE采用扁平化組網(wǎng)方案，簡化了網(wǎng)絡架構，減少了網(wǎng)元數(shù)量，系統(tǒng)可靠性高。

2 組網(wǎng)方案

2.1 單獨承載CBTC信號系統(tǒng)

信號CBTC系統(tǒng)業(yè)務采用基于1．8G頻段的LTE-M技術單獨組網(wǎng)承載。LTE-M應采用雙網(wǎng)冗余結構，2個網(wǎng)絡的所有網(wǎng)元設備（包括核心網(wǎng)、基站、車載終端等）都是獨立的。2個獨立的網(wǎng)絡應分別為CBTC信號系統(tǒng)提供獨立的地面物理接口[5]（見圖1）。

2.2 綜合承載

采用基于1．8G頻段的LTE-M技術組建車地無線通信綜合承載網(wǎng)，承載CBTC信號系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、列車管理信息系統(tǒng)等業(yè)務數(shù)據(jù)。為適應CBTC信號系統(tǒng)車地無線業(yè)務需要雙網(wǎng)熱備冗余通道的業(yè)務需求，無線通信綜合承載網(wǎng)采用A/B雙網(wǎng)建設方案，2張網(wǎng)絡完全獨立。其中，A網(wǎng)單獨承載CBTC信號系統(tǒng)，B網(wǎng)綜合承載CBTC、視頻監(jiān)控、乘客信息、列車管理信息等系統(tǒng)。A/B雙網(wǎng)熱備冗余傳輸信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)業(yè)務，滿足其對傳輸網(wǎng)絡可靠性的要求。綜合承載可根據(jù)所獲批復的頻率寬度及城市軌道交通的實際需求，選擇相應的綜合承載業(yè)務類型。

3 LTE設備配置

LTE系統(tǒng)設備由核心網(wǎng)設備、基站設備、網(wǎng)管設備和車載數(shù)據(jù)終端組成。在控制中心或設備集中站分別設置A/B網(wǎng)冗余的EPC核心網(wǎng)設備，與信號系統(tǒng)骨干網(wǎng)相連。在車站布置冗余的BBU和RRU基站設備，地下車站及區(qū)間采用漏纜進行無線覆蓋，車輛段、停車場等地面區(qū)域可采用漏纜、自由天線和定向天線的方式進行覆蓋，基站的天饋線接口通過合路器匯接后與漏泄電纜或自由天線連接，實現(xiàn)行車區(qū)域無線信號的覆蓋。在每列車的車頭和車尾分別設置車載接入設備（TAU），通過車載交換機與信號車載設備相連（見圖2）。

圖1 單獨承載CBTC信號系統(tǒng)組網(wǎng)方案

圖2 LTE設備配置

為了保證基站無線信號的時鐘與空口時分雙工（TDD）同步，基站的BBU需要接入GPS同步時鐘源，要求傳輸網(wǎng)絡支持1588V2協(xié)議，將GPS授時轉換為1588V2 IP時鐘報文，并通過光纖拉遠到車站。

4 LTE頻段劃分原則

（1）1．4 MHz適用非全自動無人駕駛（FAO）級別列車運行等級，應承載有限的列車運行控制業(yè)務信息。

（2）3 MHz適用非FAO級別列車運行等級，應承載列車運行控制業(yè)務信息。

（3）5 MHz適用非FAO及FAO級別列車運行等級，應承載列車運行控制業(yè)務信息，可承載集群調度業(yè)務信息、緊急文本業(yè)務信息及列車運行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務信息。

（4）10 MHz適用非FAO級別列車運行等級，應承載列車運行控制業(yè)務信息，可承載緊急文本業(yè)務信息、列車運行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務信息、集群調度業(yè)務信息、視頻監(jiān)控業(yè)務信息及乘客信息業(yè)務信息。

5 抗干擾措施

處于開放空間的軌道交通線路（車輛段、停車場、高架線、地面線）及線路公用、線路并行、同站臺換乘等復雜場景，將面臨與其他系統(tǒng)同頻干擾的問題，目前可采用頻率錯開、共用車站核心交換設備、物理隔離等措施解決同頻干擾的問題。

6 產(chǎn)品支持

TD-LTE制式在我國已經(jīng)形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈，一系列具有實力的通信企業(yè)能夠提供滿足LTE-M技術規(guī)范的系統(tǒng)和產(chǎn)品。而且從2014年開始，陸續(xù)與國內(nèi)主流信號集成商進行了實驗室專項測試，測試結果符合LTE-M技術規(guī)范要求，滿足CBTC信號系統(tǒng)對車地無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

7 結束語

由于LTE-M技術在QoS保障機制、抗干擾、傳輸速率、延時、通信質量、可維護性等方面具有較大優(yōu)勢，中國城市軌道交通協(xié)會在《關于推薦城軌交通新建項目CBTC系統(tǒng)使用1．8G專用頻段和LTE綜合無線通信系統(tǒng)的通知》（中城軌［2016］003號）中，建議各項目業(yè)主單位在2016年及以后招標的工程項目中采用LTE-M技術。根據(jù)目前初步統(tǒng)計，國內(nèi)城市軌道交通采用LTE-M技術承載信號CBTC系統(tǒng)的已招標項目有15條，其中在建項目12條，率先使用LTE-M的武漢地鐵6號線將在2016年12月28日建成開通。LTE-M技術代表著城市軌道交通車地無線通信技術的發(fā)展方向。

綜上所述，LTE技術在行業(yè)引導、應用經(jīng)驗、產(chǎn)品支持、發(fā)展趨勢等方面均具備在城市軌道交通CBTC信號系統(tǒng)車地無線通信應用的可行性。結合先行采用LTE-M技術的項目在設計和工程建設實施等方面的相關經(jīng)驗，軌道交通應用LTE-M技術將會更加成熟穩(wěn)定。

[1] 劉曉娟，張雁鵬，湯自安． 城市軌道交通智能控制系統(tǒng)[M]． 北京：中國鐵道出版社，2012．

[2] GB 50157—2013 地鐵設計規(guī)范[S]．

[3] 中城軌［2016］003號 關于推薦城軌交通新建項目CBTC系統(tǒng)使用1．8G專用頻段和LTE綜合無線通信系統(tǒng)的通知[S]．

[4] 夏云琦． 鐵路無線通信技術向LTE-R的演進[J]． 中國鐵路，2012(8)：75-76．

[5] CZJS/T 0067—2016 LTE-M系統(tǒng)承載CBTC業(yè)務及接口規(guī)范[S]．

黃云玲：南寧軌道交通集團有限責任公司，工程師，廣西??南寧，530029

責任編輯盧敏

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1672-061X（2016）06-0091-04