長期演進(jìn)(LTE)技術(shù)在上海城市軌道交通中的應(yīng)用

馬 暐

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司， 200235， 上?！喂こ處?

隨著城市軌道交通移動化應(yīng)用需求和場景的不斷增加，對無線通信技術(shù)提出了更高的要求。目前，無線通信技術(shù)總體向著高速率、低時延和綜合承載等方向演進(jìn)。為此，選擇一個適合城市軌道交通新業(yè)務(wù)特性的無線通信技術(shù)顯得尤為重要。

LTE(長期演進(jìn))是基于4G(第四代的移動通信技術(shù))的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，因其具有高帶寬、低時延、高可靠性、綜合承載等優(yōu)勢，在城市軌道交通中逐漸得以推廣和應(yīng)用。本文對LTE技術(shù)在上海城市軌道交通中的應(yīng)用展開研究，以期為其在業(yè)內(nèi)的應(yīng)用與發(fā)展提供參考。

1 上海城市軌道交通應(yīng)用LTE技術(shù)的必要性

2015年，國家工業(yè)和信息化部頒布了工信部無[2015]65號《工業(yè)和信息化部關(guān)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》。隨后，針對采用CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)的新建城市軌道交通線路，中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布了《關(guān)于推薦城軌交通項目新建CBTC系統(tǒng)使用1.8 GHz專用頻段和LTE綜合無線通信系統(tǒng)的通知》及《城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)(LTE-M)總體規(guī)范》。這些文件的陸續(xù)頒布，表明了城市軌道交通無線通信技術(shù)已從原先單一的窄帶需求演進(jìn)為綜合業(yè)務(wù)承載的寬帶需求，而LTE-M正是針對城市軌道交通綜合業(yè)務(wù)承載需求的LTE系統(tǒng)，由此，LTE-M已逐漸成為城市軌道交通無線通信發(fā)展的主要技術(shù)。

通過對LTE技術(shù)的整體梳理、規(guī)劃及應(yīng)用，上海城市軌道交通逐步形成了每條線路在系統(tǒng)架構(gòu)、功能劃分、頻率分配等方面的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，并實現(xiàn)線網(wǎng)間無線業(yè)務(wù)的互聯(lián)互通。設(shè)備系統(tǒng)擺脫了原有的傳輸模式，實現(xiàn)了一體化的承載。

2 LTE技術(shù)在上海城市軌道交通中的應(yīng)用需求

根據(jù)上海城市軌道交通目前及未來的需求，結(jié)合目前城市軌道交通無線通信技術(shù)的依據(jù)、規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)要求，本文對LTE-M在上海城市軌道交通中所承載的主要業(yè)務(wù)類型及其功能進(jìn)行闡述。

2.1 CBTC業(yè)務(wù)

CBTC業(yè)務(wù)即基于通信的列車自動控制業(yè)務(wù)，其中，車地?zé)o線通信是CBTC實現(xiàn)列車控制的基礎(chǔ)。既有線路的CBTC主要采用WLAN(無線局域網(wǎng))技術(shù)進(jìn)行車地?zé)o線傳輸，其工作頻段為2.4 GHz公用頻段，理論最大傳輸距離約為400 m。無線電波在隧道區(qū)間、地面及高架區(qū)間內(nèi)存在不同的傳播特點：隧道區(qū)間內(nèi)的彎曲段較多，從而縮短了直射波的傳輸距離；地面及高架區(qū)間內(nèi)因存在其他民用的無線通信系統(tǒng)，無線電磁環(huán)境相對較復(fù)雜，同制式干擾源較多，易受到同頻干擾。

LTE技術(shù)因采用了專用的頻率及分層的架構(gòu)，可提高無線傳輸?shù)目垢蓴_性，網(wǎng)絡(luò)受到的安全威脅較低。LTE技術(shù)支持高速移動場景，具有良好的切換性能。另外，與WLAN設(shè)備相比，LTE設(shè)備功率更大、頻段更低、覆蓋范圍更大，可以大量減少區(qū)間設(shè)備數(shù)量，提高系統(tǒng)的可維護(hù)性。因此，采用LTE技術(shù)來承載CBTC業(yè)務(wù)，可有效提高CBTC通信的抗干擾性、可靠性、可維護(hù)性等性能，確保列車運(yùn)行和列車控制的穩(wěn)定、可靠。

2.2 集群調(diào)度業(yè)務(wù)

集群調(diào)度業(yè)務(wù)為固定用戶和移動用戶間提供迅速、有效的通信手段，其中：固定用戶主要包括OCC(運(yùn)營控制中心)、車輛段、車站等調(diào)度人員；移動用戶主要包括列車司機(jī)、防災(zāi)和維修等的運(yùn)維人員。集群調(diào)度業(yè)務(wù)可直接應(yīng)用于行車調(diào)度和運(yùn)維指導(dǎo)，是提高調(diào)度指揮及協(xié)同運(yùn)作效率、確保運(yùn)營安全的必要保障。

目前，上海城市軌道交通既有線的集群調(diào)度業(yè)務(wù)主要采用TETRA(泛歐集群無線電)系統(tǒng)承載。既有TETRA系統(tǒng)以語音通信為主，數(shù)據(jù)帶寬能力較弱，對多媒體業(yè)務(wù)支撐能力不足。

隨著上海城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的不斷擴(kuò)展，線網(wǎng)總客流量持續(xù)增長，運(yùn)維環(huán)境日益復(fù)雜，常規(guī)的集群語音業(yè)務(wù)已不能滿足集群高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(如短信、電子工單、列車狀態(tài)數(shù)據(jù)實時采集等)、多媒體業(yè)務(wù)(如視頻通話、圖視頻分發(fā)等)等新增的多元化需求。尤其在全自動運(yùn)行線路中，由于列車正常運(yùn)行時不再配置專職司機(jī)，發(fā)生對乘客造成影響的事件時，OCC需要通過專用無線調(diào)度系統(tǒng)的多媒體通道實現(xiàn)IPH(乘客緊急對講)功能，與乘客建立雙向溝通渠道，為乘客提供信息和指引，以穩(wěn)定乘客情緒，防止事態(tài)的進(jìn)一步惡化。

LTE技術(shù)在帶寬、時延、容量和可靠性等方面具有的優(yōu)點可完全契合集群調(diào)度業(yè)務(wù)在語音、數(shù)據(jù)、多媒體等多業(yè)務(wù)的綜合承載新需求，已逐步取代TETRA技術(shù)，成為上海城市軌道交通新建線路集群調(diào)度業(yè)務(wù)主流技術(shù)。

2.3 列車緊急文本下發(fā)業(yè)務(wù)

當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件時，列車將以緊急文本方式為客室內(nèi)的乘客提供安全警告、防護(hù)指導(dǎo)、疏散引導(dǎo)等信息，使乘客可以及時了解突發(fā)事件的狀況和危險程度，以及應(yīng)采取的安全防護(hù)措施、疏散方向和步驟、后續(xù)救援計劃等內(nèi)容，起到穩(wěn)定乘客情緒、引導(dǎo)乘客主動采取應(yīng)急措施、減少突發(fā)事件危害損失、降低乘客損失發(fā)生概率等作用。

2.4 車載視頻監(jiān)視業(yè)務(wù)

目前,上海城市軌道交通車載視頻監(jiān)視業(yè)務(wù)主要是通過無線方式將車載視頻傳輸?shù)絆CC并進(jìn)行集中監(jiān)控，以實現(xiàn)對司機(jī)室、客室等核心區(qū)域的監(jiān)控，輔助列車進(jìn)行安全管理。

上海軌道交通既有線路的車載視頻普遍采用標(biāo)清圖像采集，但從14號線、15號線、18號線開始的新建線路均采用H.265制式的高清圖像，傳輸速率為3 Mbit/s。此外，由于新建的14號線、15號線、18號線均采用全自動運(yùn)行模式，為了更完整地了解客室區(qū)域的狀態(tài)，積極應(yīng)對各種突發(fā)事件，OCC要求車載視頻實時上傳更多的圖像路數(shù)。由此，對車地通道的帶寬提出了更高的要求。

結(jié)合目前的現(xiàn)狀及中國城市軌道交通協(xié)會的相關(guān)指導(dǎo)文件，經(jīng)梳理后得到上海城市軌道交通LTE技術(shù)的應(yīng)用需求，如表1所示。

3 LTE在上海城市軌道交通中的使用頻率

按照工信部無[2015]65號的規(guī)定，LTE-M網(wǎng)絡(luò)可申請使用的頻段為1.8 GHz (即1 785～1 805 MHz)，共20 MHz帶寬。經(jīng)上海市無線電委員會批準(zhǔn)，上海城市軌道交通可使用的頻率具體為：

1) 高架/地面區(qū)域的專用頻段容量為5 MHz(對應(yīng)頻段為1 800～1 805 MHz)。剩余的頻段容量15 MHz(對應(yīng)頻段為1 785～1 800 MHz)為與其他行業(yè)共用的頻段。在未來新建城市軌道交通線路的設(shè)計、建設(shè)和使用中，需對這些區(qū)域進(jìn)行頻點、場強(qiáng)測試，以盡可能避免與其他行業(yè)的無線通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

表1 上海城市軌道交通LTE技術(shù)的應(yīng)用需求

2) 地下區(qū)間區(qū)域的專用頻段容量為20 MHz(對應(yīng)頻率為1 785～1 805 MHz)。

為此，上海城市軌道交通采用15+5 MHz頻寬的方式組網(wǎng)，其業(yè)務(wù)頻段分配如表2所示。

表2 上海城市軌道交通LTE-M頻段分配表

4 LTE在上海城市軌道交通中的系統(tǒng)構(gòu)架

4.1 LTE的組網(wǎng)方式

根據(jù)LTE的特性及承載業(yè)務(wù)的重要程度，上海城市軌道交通LTE-M網(wǎng)絡(luò)的主要功能定位為：①提供高寬帶、高可靠性的無線通信功能；②主要為與行車安全直接相關(guān)的業(yè)務(wù)提供功能支持，同時也能支持普通運(yùn)維業(yè)務(wù)的對講功能；③主要提供數(shù)據(jù)、語音、多媒體通信的可靠連接功能。

基于上述的功能定位，上海城市軌道交通LTE-M網(wǎng)絡(luò)基于B-TrunC(寬帶集群通信)架構(gòu)，按支持?jǐn)?shù)據(jù)功能和集群功能業(yè)務(wù)開展LTE-M網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與建設(shè)。為確保網(wǎng)絡(luò)的安全可靠、平滑高效，上海城市軌道交通LTE-M網(wǎng)絡(luò)宜采用A、B雙網(wǎng)覆蓋的方式，其中：A網(wǎng)的LTE-M宜承載CBTC業(yè)務(wù)、集群調(diào)度業(yè)務(wù)(主用)、列車緊急文本下發(fā)業(yè)務(wù)、車載視頻監(jiān)視業(yè)務(wù)等；B網(wǎng)的LTE-M宜承載CBTC業(yè)務(wù)、集群調(diào)度業(yè)務(wù)(備用)等。A、B網(wǎng)完全獨(dú)立且并行工作，互不影響。雙網(wǎng)冗余組網(wǎng)，若A、B網(wǎng)中任一個網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)癱瘓，CBTC業(yè)務(wù)將通過另一個網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)進(jìn)行傳輸，以確保單點故障時重要業(yè)務(wù)不中斷。

當(dāng)A網(wǎng)的LTE-M發(fā)生單點失效時，寬帶集群調(diào)度業(yè)務(wù)單點失效，此時可采用單站集群模式或基站共享方式，利用B網(wǎng)的BBU/RRU(基帶處理單元/射頻拉遠(yuǎn)單元)設(shè)備接入集群LTE-M的核心網(wǎng)，完成業(yè)務(wù)信息的調(diào)用。

區(qū)間側(cè)采用2根漏纜，分別饋入A、B網(wǎng)絡(luò)信號，纜間不做互饋，并預(yù)留了上海城市軌道交通TETRA無線(800 MHz頻段)饋入的接口條件。

線路側(cè)BBU設(shè)于車站信號機(jī)房內(nèi)，通過RRU與區(qū)間側(cè)漏纜相連，以實現(xiàn)區(qū)間的信號覆蓋；站內(nèi)側(cè)BBU設(shè)于車站通信機(jī)房內(nèi)，并通過RRU與站內(nèi)天線相連，以實現(xiàn)站內(nèi)的信號覆蓋。

在各軌道交通線路側(cè)均獨(dú)立設(shè)有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的LTE-M核心網(wǎng)，并在COCC(網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營協(xié)調(diào)中心)側(cè)統(tǒng)一設(shè)置了集群業(yè)務(wù)的LTE-M核心網(wǎng)。通過基站共享方式，實現(xiàn)這兩種業(yè)務(wù)流的分離。

集群業(yè)務(wù)的LTE-M核心網(wǎng)應(yīng)實現(xiàn)全網(wǎng)LTE集群調(diào)度的互通，并實現(xiàn)與上海既有城市軌道交通TETRA無線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。

4.2 LTE-M的系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，LTE-M系統(tǒng)分為接入層、匯聚層、核心層3個層次，主要由中心子系統(tǒng)、車站和正線區(qū)間子系統(tǒng)、車輛基地子系統(tǒng)、車載子系統(tǒng)等4個部分組成。

注：PIS——乘客信息系統(tǒng)；CCTV——視頻監(jiān)控；TAU——車載控制單元；“×2”表示配置2套相同的設(shè)備。

4.2.1 中心子系統(tǒng)

中心子系統(tǒng)主要由EPC(演進(jìn)型分組核心網(wǎng))設(shè)備、集群調(diào)度交換機(jī)、網(wǎng)管服務(wù)器、調(diào)度臺、集群二次開發(fā)服務(wù)器等組成。

中心子系統(tǒng)與其他業(yè)務(wù)子系統(tǒng)互聯(lián)，所有接入數(shù)據(jù)均通過其與外部系統(tǒng)進(jìn)行通信。中心子系統(tǒng)可實現(xiàn)無線傳輸數(shù)據(jù)的匯聚與分發(fā)，是整個LTE-M網(wǎng)絡(luò)的核心。此外，中心子系統(tǒng)還負(fù)責(zé)管理與維護(hù)整個LTE-M網(wǎng)絡(luò)，其中:網(wǎng)管服務(wù)器負(fù)責(zé)管理LTE-M系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備和端口的參數(shù)，對這些參數(shù)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測；網(wǎng)管服務(wù)器可以支持多個遠(yuǎn)程終端的連接，并通過上層網(wǎng)獲取NTP(網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議)標(biāo)準(zhǔn)時間。

LTE-M系統(tǒng)與集群業(yè)務(wù)相關(guān)的EPC設(shè)備為多線合用設(shè)備，采用一主一備的冗余配置，同時配置了對應(yīng)的主用和備用調(diào)度機(jī)設(shè)備。在線網(wǎng)級調(diào)度大廳內(nèi)設(shè)置了若干臺具有標(biāo)準(zhǔn)配置的調(diào)度臺設(shè)備。

LTE-M系統(tǒng)在線路級調(diào)度大廳配置了若干臺具備二次開發(fā)功能的調(diào)度臺設(shè)備。這些調(diào)度臺可用于日常行車作業(yè)指揮，僅對本線路范圍內(nèi)的無線終端進(jìn)行呼叫。此外，在線路OCC內(nèi)設(shè)置了冗余配置的二次開發(fā)服務(wù)器等設(shè)備。

4.2.2 車站和正線區(qū)間子系統(tǒng)

車站和正線區(qū)間子系統(tǒng)由BBU、RRU、固定臺、手持臺及車站室內(nèi)分布設(shè)備構(gòu)成，用于提供車站、正線區(qū)間等場所的無線接入服務(wù)，同時上行接入對應(yīng)的傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，與中心子系統(tǒng)對接，以完成各類業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸。其中：區(qū)間子系統(tǒng)(即與信號業(yè)務(wù)相關(guān)的BBU、RRU設(shè)備)由信號系統(tǒng)設(shè)置；車站子系統(tǒng)(即與集群業(yè)務(wù)相關(guān)的BBU、RRU設(shè)備)由通信系統(tǒng)設(shè)置。

各信號集中站的BBU設(shè)備通過以太網(wǎng)接入車站網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，通過有線傳輸通道、核心網(wǎng)與網(wǎng)管服務(wù)器相連。車站的BBU設(shè)備與RRU設(shè)備之間采用光纜進(jìn)行星型連接，各區(qū)域的無線信號通過RRU連接全向/定向天線，或者采用漏纜進(jìn)行覆蓋。

在車控室內(nèi)設(shè)置了無線固定臺，通過無線方式接入車站室內(nèi)分布設(shè)備。

每個車站內(nèi)配置了若干個手持臺，手持終端的數(shù)量依據(jù)站內(nèi)工作人員數(shù)量及設(shè)備使用場景來合理配置。

4.2.3 車輛基地子系統(tǒng)

車輛基地子系統(tǒng)主要由BBU、RRU、調(diào)度臺、手持臺及基地室內(nèi)分布設(shè)備構(gòu)成，通過有線傳輸通道與中心子系統(tǒng)對接并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。車輛基地A、B網(wǎng)BBU、RRU設(shè)備的設(shè)置原則與車站和區(qū)間子系統(tǒng)類同。

在DCC(車輛基地控制中心)控制室內(nèi)設(shè)置了無線調(diào)度臺若干臺，供日常行車作業(yè)使用。

車輛基地信號機(jī)房內(nèi)的BBU設(shè)備通過以太網(wǎng)接入車站網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，通過有線傳輸網(wǎng)絡(luò)提供的通道與核心網(wǎng)、網(wǎng)管服務(wù)器連接。車輛基地的BBU與RRU設(shè)備之間采用光纜進(jìn)行星型連接，各區(qū)域的無線信號通過RRU設(shè)備連接全向/定向天線，或者采用漏纜進(jìn)行覆蓋。

4.2.4 車載子系統(tǒng)

車載子系統(tǒng)主要由車載天線、TAU、車載交換機(jī)及車載集群電臺等設(shè)備構(gòu)成，考慮到LTE傳輸?shù)目煽啃约胺€(wěn)定性，車載設(shè)備分別在車頭及車尾設(shè)置1套。

車載集群電臺通過射頻纜、合路器直接與車載天線連接，接收/轉(zhuǎn)發(fā)列車集群調(diào)度語音信息等。車載交換機(jī)與其他系統(tǒng)車載設(shè)備互連，接收OCC下發(fā)的調(diào)度命令及緊急文本信息，同時轉(zhuǎn)發(fā)/上傳列車內(nèi)關(guān)鍵實時監(jiān)控圖像及列車運(yùn)行控制信息等。

為控制司機(jī)室內(nèi)的天線數(shù)量，同時為了便于天線的安裝，同一個司機(jī)室的專用無線車載臺與TAU的信息上傳采取共用天線方式，即通過同一副天線上傳信息。

5 LTE技術(shù)在應(yīng)用中的常見問題及其對策

5.1 高架區(qū)段LTE-M頻段的抗干擾問題

由于LTE-M頻段資源較為緊張，線路高架區(qū)段內(nèi)存在其他行業(yè)共用頻段的情況，因此，在高架區(qū)段設(shè)計時，應(yīng)考慮不同LTE系統(tǒng)間的鄰區(qū)同頻干擾問題。可通過以下措施盡量避免不同LTE系統(tǒng)間的干擾：

1) 進(jìn)行區(qū)域掃頻，掌握區(qū)域內(nèi)其他LTE系統(tǒng)的覆蓋情況、使用頻率及覆蓋功率；

2) 適當(dāng)縮小小區(qū)半徑，以提升小區(qū)的RSRP(邊緣信號接收功率)；

3) 針對先建LTE系統(tǒng)的布設(shè)情況，選擇適當(dāng)?shù)穆├|輻射角度和覆蓋方式。

5.2 多專業(yè)基站的共享

按照上海城市軌道交通的規(guī)劃，LTE-M線路級核心網(wǎng)由信號專業(yè)在各線獨(dú)自設(shè)置；服務(wù)數(shù)據(jù)用戶、線網(wǎng)級核心網(wǎng)由通信專業(yè)設(shè)置，以服務(wù)集群用戶。因此，整個LTE-M核心網(wǎng)的基站接入容量應(yīng)大于1 000個,集群用戶同時在線數(shù)量應(yīng)大于5萬個。而過多的獨(dú)立基站會增加建設(shè)和運(yùn)維的成本，過度占用空間，也不利于后期運(yùn)維的統(tǒng)一管控，因此，采用多專業(yè)基站共享方式，通過共享載波模式，共享基站可綜合接入數(shù)據(jù)用戶和集群用戶，同時廣播數(shù)據(jù)，集群兩個網(wǎng)絡(luò)的PLMN(公共陸地移動網(wǎng)絡(luò))，并將兩類用戶的業(yè)務(wù)分別傳輸至不同核心網(wǎng)進(jìn)行處理。

5.3 與既有線路TETRA系統(tǒng)的互聯(lián)互通

目前，上海城市軌道交通既有線路專用無線系統(tǒng)采用了基于無線窄帶技術(shù)的TETRA制式。該系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)級核心MSO、線路側(cè)接入網(wǎng)(含基站、直放站及天饋系統(tǒng)等)、用戶側(cè)終端(含調(diào)度子系統(tǒng)、車載臺、固定臺、網(wǎng)管子系統(tǒng)、手持終端等)組成。因此，在對上海城市軌道交通線網(wǎng)進(jìn)行規(guī)劃時，存在著使用LTE技術(shù)的新建線路與使用TETRA技術(shù)的既有線路在集群調(diào)度業(yè)務(wù)上的互聯(lián)互通問題。該問題可通過以下兩個措施予以解決：

1) 如圖2所示，在LTE-M核心網(wǎng)與TETRA系統(tǒng)的MSO間增設(shè)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)，用以實現(xiàn)兩個系統(tǒng)間的互聯(lián)互通，并實現(xiàn)跨系統(tǒng)的語音組呼功能。

2) 采用“雙模車載臺+雙模調(diào)度臺”方式，在既有車載臺和調(diào)度臺上分別增加LTE信號機(jī)及調(diào)度通信接口，實現(xiàn)“LTE+TETRA”雙模式運(yùn)行。

6 結(jié)語

目前，上海城市軌道交通在新建線路上已全面采用LTE-M技術(shù)作為綜合業(yè)務(wù)承載的無線通信手段。根據(jù)實際應(yīng)用評估，LTE技術(shù)在性能、建設(shè)和運(yùn)維成本、擴(kuò)展性等方面完全優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)。未來，上海城市軌道交通將推動LTE技術(shù)在全線網(wǎng)內(nèi)的應(yīng)用，推動既有線路無線通信技術(shù)的迭代更新，最終構(gòu)建一個統(tǒng)一的上海城市軌道交通綜合業(yè)務(wù)承載無線通信網(wǎng)。

注：BTS——基站收發(fā)臺。