ZiLTE在轨道交通中的示范应用

刘辉 北京中兴高达通信技术有限公司交通方案总监

ZiLTE在轨道交通中的示范应用

刘辉 北京中兴高达通信技术有限公司交通方案总监

通过研究轨道交通的业务需求，结合LTE和B-TrunC的技术特点，为LTE技术应用到轨道交通专用通信上提供了业务实现分析和ZiLTE解决方案。

轨道交通 ZiLTE LTE B-TrunC TETRA WLAN

1 引言

随着我国国民经济和城市化的快速发展，城市的公共交通建设变得尤为重要。城市轨道交通以其快速、安全、准时、运量大的鲜明特点，愈发显示出它的优势，也必将成为城市公共交通系统的骨干网络。2014年末，全国城市轨道交通运营里程将超过3100km，提前一年实现“十二五”规划的3000km运营里程目标。预计2015年全国将有40个城市建设轨道交通，总在建里程近4000km。在新一轮城市轨道交通建设热潮中，紧随而来的就是对运营维护的需求。要做到轨道交通建设和管理的同步加强，如何结合最新的通信技术来提高运营维护的管理水平必将成为一项重要而紧迫的工作。

2 轨道交通专用无线通信现状

城市轨道交通是一个复杂的系统，通常由轨道线路、车站、车辆、维护检修基地、停车场、供变电、通信与信号、指挥控制中心等组成。目前，在轨道交通的通信与信号系统中有多套专用的无线系统同时为运营、维护提供生产支撑，这其中包括：

（1）一套基于TETRA的窄带无线集群调度系统，为运营单位提供行车、维修和防灾无线调度通信。

（2）一套基于WLAN的CBTC控制信号的车地无线通信，支撑着列车自动驾驶和自动监控的任务。

（3）一套基于WLAN的车载乘客信息系统，为乘客提供列车运行信息和出行服务指南等。

这3套无线系统为轨道交通的快速发展起到了重大历史作用，已成功地使用了很多年，但是也逐渐暴露了一些问题和不足：

（1）建设3套独立的无线通信系统，增加了投资造价，同时也增加了后续网络维护的工作量以及在轨道区域内的设备复杂度。

（2）TETRA无线集群系统，只能提供语音和短数据等窄带业务，不能提供多媒体和宽带业务。

（3）随着智能手机的高度普及，Wi-Fi热点、蓝牙都成为智能手机的必带功能，这些纷纷扰扰的信号也给无线环境带来更多的干扰噪声，尤其在2.4G的ISM频段更为突出。

（4）卫星城镇和城市副中心的发展，也会逐步提高对城市轨道交通的通行距离和行车速度的要求，目前在市域铁路中已经提出了120km/h以上的速度要求。最初设计用来作为局域网使用的WLAN，必然面临高速移动下的通信质量下降甚至中断的挑战。

如今的无线移动通信飞速发展，基于LTE的4G技术正在快速普及，各大运营商已经分别推出各自的4G业务，LTE的产业基础已经变得十分壮大。民用无线通信的技术进步必将服务于各个行业的建设，在最近两年，行业内已经开始研究和部署将LTE技术，特别是将我国具有自主知识产权的TD-LTE技术应用到轨道交通中。中兴通讯旗下的中兴高达推出的ZiLTE就是基于TD-LTE技术，并服务于行业应用的无线产品，中兴高达也已经推出并部署了ZiLTE的轨道交通方案。

3 LTE技术在轨道交通中的应用

3.1 LTE适合轨道应用

LTE是由3GPP组织制定的第四代无线通信技术标准。LTE的物理层引入了OFDM正交调制技术和MIMO多天线技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率。LTE支持多种带宽分配，比如1.4、3、5、10、15和20MHz，还支持载波聚合技术，并且支持全球主流2G/3G频段和一些新增频段，因而频谱分配更加灵活，系统容量和覆盖也显著提升。

LTE系统网络架构更加扁平化简单化，减少了网络节点和系统复杂度，从而减小了系统时延，也降低了网络部署和维护成本（见图1）。LTE的基站（eNodeB）之间具备X2接口，可以实现移动终端在X2口的无损切换，从而使得LTE也具备了一些分布式系统的优势。在安全机制上，LTE采用AS和NAS两层认证和鉴权体制，使系统具备更高的安全性。

图1 LTE的系统结构

正因为LTE支持多样化的带宽和频谱选择，为各地轨道交通部门根据当地政策获取无线频谱资源提供了很好的有力条件。而且轨道沿线的覆盖是典型的线型覆盖，LTE扁平化的架构，X2接口切换优化，安全性都十分切合轨道交通的需求。一般情况下，轨道沿线采用漏泄电缆进行覆盖，如果可以同时敷设两条漏泄电缆则可以实现2×2MIMO的传输，实现传输速率的倍增。

3.2 基于B-TrunC的轨道应用

B-TrunC是由工业和信息化部电信研究院牵头制定的基于TD-LTE的宽带集群专业行标，是继TD-LTE之后我国的又一重大创新技术。B-TrunC基于LTE标准，引入了集群组呼、群组管理、话权管理等功能，开放Uu-T/NAS接口和D接口。B-TrunC的物理层基于LTE的物理层标准，没有变化，从而避免了任何基站硬件和终端芯片的改动；在MAC层则引入了新的集群逻辑信道及映射，定义了新增的集群相关参数的取值（LCID，RNTI），以适应专业集群的需求，这也是和其他基于PoC的集群技术的重大区别；B-TrunC的RLC/PDCP层无改动，而RRC层引入了新的集群流程和信令，以实现集群业务的管理。B-TrunC系统架构如图2所示。

图2 B-TrunC系统结构

B-TrunC是在LTE标准基础上的增量开发，增量出来的宽带集群业务与原有的LTE数据业务并发管理，集群用户和普通数据用户纳入相同的移动性管理和用户管理之中。在空中接口无线资源的管理上完全基于LTE的QoS策略，由eNodeB统一进行资源调度和分配。

中兴高达ZiLTE系统集群核心网结构如图3所示，该系统基于B-TrunC标准提供基本的集群呼叫业务，并在此基础上开发出丰富的补充业务和轨道交通特色功能，从业务划分上大致可以分成如下几类：

（1）基本呼叫业务，包括单呼、组呼、紧急呼叫和广播呼叫等基本业务，同时支持全双工组呼，在这种场景下，组呼内用户可以同时发言，从而实现多方通话的功能。

（2）优先级，ZiLTE支持多种优先级管理——首先是业务优先级，在资源并发受限情况下，系统将中断低优先级的数据业务，为集群业务提供带宽；集群呼叫也有多个优先级，紧急呼叫的优先级最高；同样，呼叫组和组内用户之间也有优先级定义，从而可以根据工作单位的组织、岗位定义出相应的呼叫权限。

图3 中兴高达ZiLTE系统集群核心网结构

（3）补充业务，主要是呼叫相关类业务，包括呼叫的强插强拆、呼叫前转、主叫号码显示、主叫号码禁止显示、遇忙提示、群组用户号码状态列表、单呼前转、迟后接入、群组监控以及录音回放等业务功能。补充业务的组合配合基本业务，可以实现轨道交通更加丰富的业务流程定义。

（4）轨道交通特色功能，包括功能寻址、基于位置的寻址、功能号以及呼叫矩阵等。ZiLTE系统可以基于小区定位，因此实现这些业务明显要优于TETRA系统，可以达到GSMR相同的水平。

ZiLTE是宽带集群系统，除了基本的语音业务，还可以充分利用宽带的特点，提供多媒体呼叫功能，包括视频单呼、组呼功能；同时，结合LTE数据域的多媒体视频、图片的综合调度、用户定位等功能，实现呼叫、定位、多媒体呈现的宽带多媒体集群调度系统。在轨道交通的维修调度、防灾调度上，能够直观地采集现场信息，有利于指挥中心的诊断和决策，这是窄带集群系统无法满足的。

ZiLTE同时考虑了集群系统对可靠性的要求，因此支持了分级故障弱化功能，包括单站运行和终端的直通模式（DMO）。这一点和TETRA系统是相同的，可以满足任务关键型的要求。

3.3 数据应用

B-TrunC的增量业务并不影响LTE的基本数据业务，所以ZiLTE系统不仅可以提供多媒体的集群宽带业务。轨道交通的综合业务除了集群调度业务外，还包括了轨道交通信号系统CBTC数据的承载、车载视频监控（CCTV）、车载乘客信息系统（PIS）等多媒体业务的承载。这些业务由LTE的数据传输业务提供支撑。

（1）CBTC数据承载

CBTC是基于通信的列车控制系统，在传统上由WLAN无线承载。WALN是无线局域网，覆盖距离短，需要每200m就布设一个AP，切换性能差，特别是在列车高速运行的情况下，切换性能将无法得到保证。而且，随着个人消费终端大量普及，干扰不可避免，这为行车安全带来了隐患。CBTC组网图如图4所示。

ZiLTE系统在支持CBTC信号应用时，采用A+B双网架构，形成两套无线冗余系统，两套冗余系统在同一区域进行覆盖，这在轨道交通上是常用的组网形态，ZiLTE继承了这种方案，以确保系统具备高度的可靠性。通过轨道沿线小区间的X2接口切换优化，系统可以达到优秀的传输时延和切换时延要求，完全满足CBTC的应用需求。

（2）车载CCTV

城市轨道交通客流量巨大，防恐和治安压力也很大，在发生紧急事件的情况下，需要对车厢内进行视频监控的实时调阅，以方便交通指挥和公安部门进行及时的监控并作出决策，或配合启动相关预案进行紧急处置。车载CCTV业务主要为上行的视频回传，以及包括上下行低数据量的系统控制交互信息。

（3）车载PIS

车载乘客信息系统主要包括下行的视频媒体流和文本信息，显示在车厢内的液晶终端或LED显示器上，提供乘客的信息服务。

（4）增值业务

轨道交通的LTE系统在充分保证上述生产性业务的同时，可以利用剩余带宽来提供一些面向乘客的增值服务，比如在车内提供公共的Wi-Fi接入，此时的LTE系统就是WLAN的AC控制器和AP接入点之间的中继传输通道。

3.4 QoS策略

ZiLTE轨道交通方案可以替代传统上的两套WLAN和一套TETRA系统，承载综合业务。那么在空中接口的无线资源调度上就必须考虑各种业务之间的相互协调，在尽量满足各自业务的质量需求的同时，又能区分优先级，并首先保证安全性要求最高的业务。

图4 CBTC组网图

按照各个业务在轨道交通系统中的重要性不同，优先级排序依次为CBTC、集群调度、CCTV和PIS，增值业务公共Wi-Fi接入则完全是一个最大努力型的业务，优先级最低。另一方面，通过研究各业务特征，CBTC是低数据量的突发数据包，结合它的最高优先级，可以将QCI定义为5，优先级为1。集群业务、CCTV和PIS一旦建立业务连接，数据率基本上是恒定的，因此都分配成GBR业务。通过上述分析，最终得到的业务QoS定义如表1所示。

表1 轨道交通综合业务的QcS策略

4 ZiLTE示范应用

温州市域铁路S1线是温州市域铁路网中重要的一条主干线，未来将和S2、S3、S4一起打造一个“两横（S1、S3）、两纵（S2、S4）”的南北东西分别辐射的市域铁路线网。温州市域铁路S1线为东西走向的都市快线，是构建未来温州大都市核心区两大中心（中心城和瓯江口新城）的快速联系通道，S1线路全长77km，平均站间距2.8km，其一期工程为温州南至半岛二段，线路全长52.22km。根据设计，S1线为双线电气化铁路，设计时速120km，平均旅行时速50～60km。

2014年9月，温州市域铁路S1线被国家发改委列为国家战略新兴产业示范工程，主要的自主化示范设备包括自主化城际动车组、点式ATC信号、同相供电和基于TD-LTE通信技术的运用维护。这是首次将基于TD-LTE的宽带集群技术应用于轨道交通的尝试，而且温州S1线设计时速高，通行距离长，兼具了城市轨道交通和市域铁路的特点，示范意义十分重大。

中兴高达将采用ZiLTE轨道交通方案来承建温州S1线的TD-LTE综合业务专用无线通信系统，提供基于B-TrunC的宽带多媒体集群调度用于行车、维修和防灾调度。同时，系统也将提供车载CCTV和PIS的LTE宽带多媒体数据业务承载。ZiLTE系统的调度接口（D接口）直接对二次开发开放，由二次开发厂家完成最终的调度交付。

如图5所示，在该车载系统中，将采用经过二次开发的ZiLTE集群车台提供集群调度业务，采用车载数据终端TAU提供数据接入，TAU连接到由车载交换机组成的车内局域网上，向PIS/CCTV车载设备提供业务连接。

温州市域铁路S1线的无线覆盖重点主要包括轨道沿线的覆盖，车站、停车场和控制中心的室内覆盖，以及室外停车区域的覆盖。对高架和地面线路，在不具备漏泄电缆敷设条件的路段，将采用背靠背安装的扇区天线进行沿线的线型覆盖，在室外停车区域同样也采用全向或扇区天线进行局域覆盖，而在车站、车库、控制中心等室内区域则采用室内分布系统覆盖。

轨道沿线的LTE小区切换基本上以基于X2接口的切换为主，相互的邻区关系配置简单，有利于列车高速行驶条件下的切换性能优化。

图5 车载系统示意图

5 结束语

随着LTE在运营商的成熟商用，服务于行业的LTE解决方案必将走向成熟和规模化应用。本文从轨道交通的业务需求出发，结合LTE以及B-TrunC标准的技术特点，详细分析和阐述了中兴高达ZiLTE系统实现轨道交通综合业务的方案和技术要点，充分说明LTE足以满足轨道交通的需求并具备足够的技术先进性，是轨道交通无线专用系统的应用方向。

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技术的专网宽带集群系统总体技术要求（第一阶段）

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）