TD-LTE在城轨全自动运行系统中的应用研究

■ 戴克平 吉树新

TD-LTE在城轨全自动运行系统中的应用研究

■ 戴克平 吉树新

针对城市轨道交通全自动运行系统的应用需求，介绍TD-LTE技术的特点，提出该技术应用在城市轨道交通全自动运行系统中需要重点解决的几个关键问题，并给出相应的解决方案。通过试验线的测试和验证，证明了TD-LTE技术应用在城市轨道交通全自动运行系统中的可行性。

TD-LTE；城市轨道交通；全自动运行系统

0 引言

随着城市轨道交通系统的不断发展，国内多个城市的轨道交通网络已初具规模。网络化已成为城市公共交通的命脉，在城市运行中发挥着越来越重要的作用。随着技术的发展，城市轨道交通采用全自动运行，提高运行效率、保障运行安全已经提到议事日程。在全自动运行线路中，车地无线通信系统作为有线传输网络的延伸，担负着城市轨道交通运行过程中车辆与外界信息交互的“桥梁”作用，是不可或缺的神经中枢。车地无线通信系统提供了行车所需的闭路电视系统（Closed-Circuit TeleVision Systerm，CCTV）、乘客信息系统（Passenger Information System，PIS）、列车控制系统（Communication-Based Train Control，CBTC）等系统中车辆与车站/控制中心之间的无线传输通道。

目前业内车地无线传输主要以IEEE 802．11系列WLAN技术为主。作为一种宽带无线接入技术，车地无线传输在网络化、宽带化、经济性方面具有一定优势，但一些固有局限性限制了城市轨道交通车地无线通信系统的发展：（1）覆盖距离短、链路复杂、维护不便。WLAN天线范围覆盖较小，每间隔200 m需布设1个天线，增加了隧道内有源设备数量，维护困难，同时带来频繁的越区切换。（2）业务带宽严重受限。WLAN上下行采用CSMA/ CA机制，上下行竞争占用信道资源，当用户增多时碰撞几率增加，吞吐量下滑严重。（3）无线干扰严重。WLAN工作在民用开放2．4G频段，尤其近年来Wi-Fi设备在公众中的普及，使得基于WLAN的车地无线设备易受同频段设备干扰。（4）QoS无法保证。多业务并发时不能按照优先级调度，高优先级业务带宽无法保障，不适用于综合承载。（5）列车运行速度限制。WLAN没有充分考虑高速移动性的环境需求，当列车速度超过80 km/h时，其移动性明显不足。

1 总体设计

1.1 TD-LTE技术介绍

TD-LTE技术具有中国自主知识产权，得到政府的大力支持，采用OFDM技术、MIMO天线技术及64QAM调制技术等，具有更高的传输速率、更高的频谱利用率、更低的传输时延和更高的安全性，支持广域覆盖和高速移动。TD-LTE主要技术优势有：（1）高数据吞吐率。在20 MHz频谱带宽下能够提供下行100 Mb/s、上行50 Mb/s的峰值速率；0～120 km/h移动场景下平均吞吐速率可达70 Mb/s，上行速率26 Mb/s、下行速率44 Mb/s。（2）高频谱利用率。下行链路频谱利用率可达5（b·s-1）/Hz，上行链路频谱利用率可达2．5（b·s-1）/Hz。（3）带宽灵活配置，支持非对称频谱。可灵活配置1．4～20 MHz间的多种系统带宽，可以调整上下行流量。（4）低系统时延。扁平网络结构，网元节点少，用户面传输时延＜10 ms，控制面信令传输时延＜100 ms。（5）完善的多级QoS。保证多种不同质量要求业务的并发服务质量。（6）高速移动性。采用频偏补偿机制，有效克服多普勒效应，支持350 km/h的高速移动。

1.2 系统需求

由于全自动运行系统中对于列车实时数据回传和全自动驾驶控制数据实时传输要求，车地无线通信不仅需要完成传统车地无线通信系统承载的CCTV、PIS业务传输，还需要完成原来单独部署的CBTC业务传输，在未来还可以考虑完成语音集群调度业务，实现城市轨道交通业务的综合承载，保证全自动运行系统中各个业务子系统的畅通。

在系统带宽方面，上述业务所需的带宽需求见表1。

在高速移动性方面，系统应该充分考虑列车在高速情况下的切换问题，采用有效措施减少切换时间和降低因切换带来的数据损失，以保证承载的业务质量，尤其是CBTC业务质量不受损失。

2 需解决的问题

按照上述总体设计的描述，全自动运行系统中的TD-LTE车地综合承载通信系统需要解决几个核心问题：（1）综合承载业务的QoS设计。承载多种业务，各种业务之间以及同种业务的不同内容之间，需要采用优先级保证设计。（2）系统的抗干扰设计。城市轨道交通的隧道环境无线传输特性复杂，不同通信网之间的干扰，以及TD-LTE系统内部的同频干扰都对系统性能有很大影响。尤其是其他制式通信网络对于系统的异网同频干扰。（3）系统的高可靠设计。系统承载的CBTC业务是关键性业务，应注意系统的高冗余性和高可靠性设计。

表1 综合承载需求

3 关键技术

针对上述需解决的核心问题，系统设计采用的关键技术如下。

3.1 综合承载业务QoS设计

TD-LTE系统可以实现9个调度优先级，用于CBTC、CCTV和PIS等不同的业务。系统为不同优先级的业务设计不同QoS，并分配ARP和QCI参数。各业务的ARP分配由高到低，同时根据各业务对可靠性、时延的要求，系统为其分配不同的QCI（见表2）。

系统通过IP地址和端口号识别不同的业务，针对不同业务优先级进行资源调度。通过上述方法可以实现系统业务差异化，同时还可以针对同一业务实现不同用户使用时的业务体验差异。

3.2 抗干扰设计

TD-LTE车地综合承载通信系统的干扰问题主要分为其他通信系统的干扰、TD-LTE系统的系统内同频干扰和其他TD-LTE系统的异网同频干扰。

针对以上干扰，系统采用的抗干扰措施包括：

（1）全线采用漏泄电缆覆盖。为减小对异网的干扰和提高自身抗干扰能力，全线采用漏泄电缆进行覆盖，并可以采用空间隔离，或采用POI合路等方法增加与通信系统的隔离度，减少相互干扰。

表2 综合承载QoS定义

（2）无线参数优化。针对系统内同频干扰，可以对LTE设备无线参数进行优化来进行小区间干扰控制和消除。可采用的优化方法包括采用异频调度，IRC算法和小区间干扰协调（ICIC）技术。小区下行可采用异频调度来满足小区边缘的信噪比，保证小区边缘的业务速率。通过IRC算法可以将单小区来自列车运行相反方向的干扰去除，用于进行上行干扰消除。通过ICIC进行小区间的干扰协调优化。ICIC以小区间协调的方式对各个小区中无线资源的使用进行限制，包括限制哪些时频资源可用，或者在一定的时频资源上限制其发射功率，通过考虑多个小区中资源使用和负载等情况对多小区无线资源进行管理，使得小区间干扰得到控制。

（3）利用车辆的屏蔽作用降低干扰。针对最严重的异网同频干扰，还可以利用车辆的屏蔽作用降低干扰，列车车体对干扰信号有一定屏蔽作用，有10～20 dB的车体屏蔽效果。所以将车载天线设置在车体底部或车体一侧，利用10～20 dB的车体屏蔽效果，降低对车地无线通信系统的干扰。另外，降低天线的安装位置也有利于抑制相互干扰。

如图1所示，采用车载定向平板天线安装在车底侧面，漏缆开槽正对车载平板天线，有利于降低相互干扰。

3.3 高可靠性设计

由于城市轨道交通车地无线通信系统要承载CBTC，而CBTC是列车运行控制的大脑，所以高可靠性是车地无线通信的重中之重。系统采用双网设备冗余和设备内板卡

冗余的多级冗余理念来确保车地无线通信的高可靠性。

图1 车体屏蔽原理图

系统关键设备（核心网、基站BBU、基站RRU、车载TAU）每节点均部署2套独立的同类型设备，构成2个独立的TD-LTE网络同时对外提供承载业务，一个网络出现故障时，另一个网络仍可保证通信畅通。

核心网设备内每块板卡均支持冗余热备；基站BBU设备主控板支持主备，基带板间支持冗余备份，可实现故障小区跨板重建，保证小区业务能够自动恢复，降低小区业务中断时间；单级RRU冷环备份；车载TAU车头车尾互备。这样不会因为网内设备某一板卡故障而引起整个网络故障。

4 设计验证及结果分析

4.1 测试场景

为了验证TD-LTE车地综合承载通信系统在全自动运行中应用的可行性，在实际线路上进行了试验验证工作。

试验段测试在北京东北五环外侧中国铁道科学研究院环形铁路进行。环形铁路线路长度为8．6 km，包括785 m高架桥及925 m隧道（含2个U型槽），其余为露天环境。环形铁路为专用试验线路，具备安装TD-LTE测试设备的条件，能够进行全天候测试。经过现场勘测，全线路处于北京市1．4G政务网的覆盖范围内，因此所有的测试内容均在异网同频干扰条件下进行。

系统测试验证结构见图2。

测试内容主要包括：传输性能测试、综合承载测试、设备稳定性、单网故障测试和极限性能测试5方面。

图2 系统测试验证结构

4.2 测试结果分析

试验段测试的结果见表3。

系统可靠性测试表明，系统的单网或单点故障均不影响CBTC信息、列车状态信息和紧急文本信息的传输。

表3 系统测试结果

系统的抗干扰测试表明，一般干扰条件下，基于TDLTE技术可满足CBTC、CCTV和PIS综合承载的传输需求；最恶劣情况时，双网均可满足CBTC和紧急文本信息的传输需求，但CCTV和PIS偶尔会出现卡顿。

通过上述测试，验证了基于TD-LTE技术的车地综合承载通信系统进行时能够保障CBTC业务高可靠传输，能够满足紧急文本下发和列车实时状态监控的传输需求，同时能为CCTV和PIS等业务提供有效的通信保障，完全可以应用于城市轨道交通全自动运行系统中。

5 结束语

TD-LTE作为目前最先进的4G无线技术，在国内已经开始大规模商用，产业链趋于完善，具有高带宽、高质量、高可靠、高抗干扰能力等优良特性，与其他技术相比，更适合应用于城市轨道交通全自动运行系统中，保证车地通信的高效和畅通。

基于TD-LTE技术可以完成车地无线通信综合承载以外，未来还可以实现宽带多媒体集群调度业务，从而实现全业务综合承载。进一步提高全自动运行系统的运营效率，降低系统的总体建设投资和运营维护成本。相信随着北京全自动运行示范线路的建设和投入运营，TD-LTE技术一定会在国内城市轨道交通行业专网应用领域内大放异彩。

[1] 阚庭明．城市轨道交通乘客信息系统技术发展趋势探讨[J]．铁路计算机应用，2009，18(1)：42-44．

[2] 张利彪．城市轨道交通信号与通信系统[M]．北京：人民交通出版社，2010．

[3] 李晓江．城市轨道交通技术规范实施指南[M]．北京：中国建筑工业出版社，2009．

[4] 李佳祎．轨道交通PIS与CBTC无线组网技术及干扰分析研究[J]．铁道工程学报，2011(6)：90-93，114．

[5] 穆潇，夏昕．基于LTE的乘客信息系统车地无线通信方案研究[J]．科技创新导报，2011(6)：10，12．

[6] 徐兵，谢志军．LTE系统级仿真的关键技术与研究[J]．无线电通信技术，2014，40(5)：9-12．

戴克平：北京市轨道交通建设管理有限公司，高级工程师，北京，100068

吉树新：中国电子科技集团公司第五十四研究所，高级工程师，河北 石家庄，050200

责任编辑 苑晓蒙

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1672-061X（2015）04-0009-04