基于LTE构建城轨综合宽带无线通信网

刘 刚 吴海峰

基于LTE构建城轨综合宽带无线通信网

刘 刚 吴海峰

北京市轨道交通建设管理公司讨论并尝试着建立基于LTE（长期演进）的城市轨道交通综合宽带无线通信网。介绍城市轨道交通无线通信的现状、LTE技术，以及目前基于LTE构建城市轨道交通综合宽带无线通信网的进展，能够为未来城市轨道交通进行车-地信息综合承载提供较为全面的视角以及参考。

城市轨道交通；车-地通信；LTE；综合通信网

城市轨道交通正常运行需要诸多设备系统共同协调运作，包括车辆、信号、通信、供电、机电等，其中涉及行车指挥及列车监控的系统至关重要，直接影响城市轨道交通能否安全、准时运营，而无线通信系统是用于快速运行列车与控制中心联系的基础纽带，是这些系统正常运行的必备条件。

1 城市轨道交通无线系统现状

1.1 城市轨道交通所使用无线系统简介

城市轨道交通无线通信系统一般包括：专用800M无线通信系统、公安350M无线系统、基于通信的列车控制（CBTC）系统以及乘客信息系统（PIS）。

其中专用800M无线通信系统为固定工作人员（调度员、车站值班员）与相关流动作业人员（司机、车站、停车场勤务人员、维修人员、环控人员等）之间提供话音和数据通信服务。公安350M无线系统为地铁警务人员与地铁分局、市公安局之间提供语音服务，满足指挥人员对现场警务人员的统一调度。这2个系统属于窄带通信系统，不在本文讨论范围之内。

CBTC系统目前一般使用无线局域网（WLAN）技术实现列车与地面双向实时通信，列车通过无线通信将自身车次号、运行方向、列车位置和实际速度实时传递给地面轨旁设备，地面轨旁设备根据正线所有列车位置信息，经过计算生成列车的运行权限，传递给列车，内容包括停车点位置、移动授权和车门控制等信息，以实现对列车的控制。

PIS目前一般使用WLAN技术实现列车与地面双向实时通信，车-地无线通信系统是将地面乘客信息系统和车载乘客信息系统联系起来的纽带，车载乘客信息系统可以通过车-地无线通信网络实时接收地面乘客信息系统各种信息（包括紧急事件信息、运营相关信息、紧急事件处置视频、运营设备介绍视频、重大新闻等实时动态信息、车门监视视频等），在车载显示终端上播放；同时，车载乘客信息系统利用车-地无线通信网络，将列车上的视频监控信息传输至线路控制中心及公交总队，供运营、公安人员及政府相关部门调看。

1.2 目前无线组网的弊端

C B T C系统以及P I S均采用WLAN组网，共需要组建3套相同的网络，经济性较差，同时WLAN运行在2.4G/5.8G频段，属于开放频段，极易受到干扰，给城市轨道交通安全运营带来了隐患。深圳地铁曾发生由于乘客的无线设备干扰地铁信号系统，导致区间停车，直接影响了列车运营秩序。另外，WLAN技术并不是针对快速移动而研发的技术，虽经过厂家不断更新，制定出快速移动切换的解决方案，但在城市轨道交通行业实际使用过程中，还是存在切换过程中数据传输效率降低、带宽不稳定的情况，在已开通的工程中，并不能完全满足设计要求的视频直播和列车监控图像实时上传的功能；再者WLAN设备发射功率较小，区间约200 m就需要敷设无线接入点（AP）设备以保证无线信号覆盖，不利于工程实施及维护管理。

2 城市轨道交通车-地无线需求

2.1 车-地无线通信信息承载需求

2.1.1 CBTC系统车-地通信需求

信号系统地面设备对列车传输的信息包括：移动授权、限速信息、列车识别号、运营调整指令等信息。列车对信号系统地面设备传输的信息包括：列车车组号、屏蔽门开/关命令、本列车的定位信息、本列车的速度信息等。

车-地无线通信系统需为信号列控CBTC提供实时、双向、A/B网通道保护的信息传输通道，单列车单网上、下行信息带宽各需100 kbit/s，在车头、车尾分别冗余配置连接A、B承载网的传输通道的情况下，每列车承载的上、下行列控信息业务带宽需求各为2×2×100 kbit/s=0.4 Mbit/s，并满足以下要求：

（1）无线网络传输延迟时间应小于150 ms；

（2）单网络信息传输的丢包率应小于1%，误码率小于10-6；

（3）车-地通信单网络的越区切换中断时间应在100 ms以内。

2.1.2 PIS车-地通信需求

（1）PIS图像下发播放。PIS需将播控中心下发的播放节目，如新闻广播、旅行指南、换乘信息、在线广告等便民信息在车载PIS显示屏上实时显示。每列车PIS图像播放采用720P的图像质量，采用H.264编码方式，下行带宽需求为8 Mbit/s。

（2）车载监控监视系统（CCTV）监控图像回传。在地铁车-地无线的应用场景下，车载CCTV视频监控图像回传是重要性仅次于信号系统业务需求。根据城市轨道交通实际使用需求，采用H.264（D1，4CIF）格式。图像分辨率为720×576像素，传输带宽为2 Mbit/s，可基本满足监视器观看及上大屏的需求。在正常情况下，全线需向控制中心上传2路客室监控图像信息。车载CCTV业务上行带宽需求为2×2=4 Mbit/s。

2.2 车-地通信业务承载需求汇总

预测车-地无线综合宽带传输平台业务需求为：下行业务带宽9 Mbit/s；上行业务带宽5 Mbit/s。

3 LTE简介

针对信号系统采用WLAN技术存在安全隐患，以及PIS采用WLAN不能完成紧急信息播发、车厢视频图像监控上传的问题，城市轨道交通需采用新技术建立抗干扰、封闭、稳定、适合快速移动的车-地无线通信系统。LTE技术以其大带宽、高可靠性、有效避免干扰、覆盖范围大、切换少等方面的优势，满足车-地无线通信网络的要求。

LTE（Long Term Evolution）移动通信技术的目标是建立一个能够获得高传输速率、低时延、支持增强型多媒体广播组播业务（eMBMS）、基于包优化的可演进的无线接入架构。为了达到以上目标，LTE系统采用接近于全IP化的扁平化的网络结构，集成了适用于宽带移动通信传输的众多先进技术，如正交频分复用（OFDM）、多输入多输出（MIMO）、混合自动请求重传（HARQ）、自适应调制编码（AMC）、小区间干扰协调（ICIC）等。

TD-LTE（分时长期演进）技术还具备频谱申请灵活、上下行资源可调配的特点，可根据业务需要灵活配置上下行业务比例。宽带移动性优势具体体现如下。

（1）传输带宽部署灵活。LTE系统支持1.4、3、5、10、15和20 MHz带宽，同时支持在成对和非成对频段上部署。根据LTE网络承载的业务量可选择支持相应带宽的设备。

（2）移动接入性强。采用自动频率校正确保高速移动（＞120 km/h）场景下的无线链路质量，具备优良的高速移动状态下的宽带接入能力。接入速度快，终端从空闲状态到激活状态延迟时间小于100 ms。

（3）抗干扰能力强。采用ICIC技术有效降低小区边缘频率干扰，提高小区吞吐率，若使用行业专有频段，外部干扰少。

（4）QoS（服务质量）机制。LTE系统定义了标准的服务质量等级标识（QCI）属性，所有的QCI属性均可根据实际需求预配置在轨旁无线接入网（eNodeB）上，这些参数决定了无线侧承载资源的分配。在资源受限的条件下由分配和保留优先级（ARP）参数决定是否接受相应的承载建立请求。

LTE系统对QoS的描述主要通过QCI、ARP来表示。QCI是LTE承载最重要的QoS参数之一，它是1个数量等级。具体分配见表1。

表1 LTE系统QCI定义

表1中，GBR（Guaranteed Bit Rate）为保证比特速率，系统通过预留资源等方式为保证数据流的比特速率在不超过GBR时能够全部通过，超过GBR的流量可以按照如下方式处理：拥塞时超过GBR的流量会被丢弃，不拥塞时超过GBR但小于最大比特速率（MBR）的流量可以通过。享有GBR资源的承载被称为GBR承载，其他的承载被称为Non-GBR承载。Non-GBR指的是在网络拥挤的情况下，业务（或者承载）需要承受降低速率的要求，由于Non-GBR承载不需要占用固定的网络资源，因而可以长时间地建立，而GBR承载一般只是在需要时才建立。

A R P参数主要应用于接入控制，在资源受限的条件下决定是否接受相应的承载建立请求。QCI应用于承载建立之后的控制，而ARP应用于承载建立之前的控制。

4 基于LTE的综合无线通信网

鉴于以上讨论，城市轨道交通可采用LTE建立统一的车-地无线宽带综合通信网，以同时承载信号系统及乘客信息系统的车-地传输信息。

4.1 城市轨道交通无线宽带综合通信网组网方式

为满足CBTC系统需A、B网同时进行覆盖的要求，无线宽带综合通信网采用2套冗余的LTE设备组网，全线按照链状网结构分别部署2套完全相同的分布式基带处理单元（BBU）+射频拉远单元（RRU）网络，通过传输系统提供的传输通道分别接入控制中心设置的2套LTE核心网设备（图1）。

图1 无线宽带综合通信网组网图

隧道区间采用RRU+漏泄同轴电缆方式覆盖，车辆段采用RRU+天线方式覆盖。2张网络完全独立，并行工作，互不影响。

每个网络包括了核心网（EPC）、轨旁无线接入网（eNodeB）、车载无线终端（CPE）。信号系统信息可在2套网络上同时传输，以保证其对网络可靠性的要求，由信号系统同时接收并判断确定使用有用信息。A、B 2套无线子系统网络（BBU+RRU）同站设置。A网BBU和RRU顺序配置。B网RRU交织配置，即将归属于A车站BBU（B网）的RRU交叉连接到B车站CELL-2覆盖区域（含供电回路），归属于B车站BBU（B网）的RRU交叉连接到A车站CELL-1覆盖区域（含供电回路），并以此交织配置（图2）。

图2 无线宽带综合通信网交织覆盖示意图

4.2 QoS分配

基于LTE技术的车-地宽带无线传输平台承载了CBTC、PIS和CCTV业务，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，其分配见表2。

表2 业务QCI分配

4.3 频率资源需求分析

TD-LTE系统同频组网时，业务信道频谱利用率与基站/终端发射机功率和解调性能、小区间干扰协调算法性能、多入多出（MIMO）天线技术及上下行业务配比等相关。

城市轨道交通车-地宽带无线传输平台的通信范围为链状服务区域，业务应用和运营商网络用户有一些差异。需要较多的频率资源，通过ICIC技术克服因同频组网引起的小区边缘干扰，实现高移动状态线的“稳定宽带”承载需求。

根据相关设备厂商提供的仿真情况，在理想无线信道环境下，TDD（时分双工）15 MHz带宽3∶1时隙配比的容量仿真如下：考虑上下行总共的吞吐率，在满足小区边缘场强-95 dbm条件下，小区边缘频谱效率在1.2～1.3左右。

根据业务信息承载统计，正线上行带宽需求为5 Mbit/s，下行带宽需求为9 Mbit/s，共需14 Mbit/s业务数据承载，A、B双网共需20 MHz频率资源。

根据业务分配，可做如下频率和承载划分。

A网使用15 MHz带宽组网，主要用于承载信号列控信息及通信系统车载PIS播放、CCTV监控图像回传信息。B网使用5 MHz带宽组网，用于承载信号列控信息及其他预留业务应用及备用，A、B网均按相同的时隙比配置上下行业务。

5 实验室模拟测试

北京轨道交通建设公司、轨道交通指挥中心在2014年6月联合组织相关LTE厂家及信号厂家在北京交通大学国家实验室对综合承载CBTC和PIS的无线宽带综合通信系统进行模拟测试（图3），对基于LTE的无线综合通信系统的时延、丢包率、传输带宽、切换时延性能、承载CBTC业务传输性能、承载PIS、CCTV、紧急文本下发等业务综合传输性能进行综合测试，以验证LTE系统在城市轨道交通车-地无线通信综合承载的可用性。

图3 综合承载模拟测试系统示意图

在模拟测试中，CBTC系统的模拟数据发送间隔为100 ms；模拟数据包大小取400字节，CCTV业务模拟传输速率为2 Mbit/s，PIS业务模拟传输速率为8 Mbit/s。无线信道模拟小尺度衰落，采用ITU-VA信道模型，列车速度为200 km/h，多普勒谱为标准谱，根据应用场景，信道模型分为远、中、近点：远点参考信号接收功率（RSRP）的范围-85～-100 dBm；中点RSRP的范围-75～-85 dBm；近点RSRP的范围 ＞ -75 dBm。

经过实验室模拟测试，其主要参数结果如下。

（1）切换延时的测试结果。CBTC切换平均时延34～46 ms，切换最大时延135 ms；CBTC业务与列车状态信息业务的切换平均延时满足小于150 ms的要求。

（2）切换丢包率。CBTC上行信息丢包率0.046%，下行信息丢包率0.002%，丢包率均小于0.005%，符合CBTC系统丢包率小于0.5%的需求；CBTC数据都没有出现传输中断大于2.4 s的情况。

（3）拥塞场景性能测试。在受到背景业务拥塞的条件下，CBTC业务丢包率小于0.5%，传输延时小于150 ms。

实验室LTE综合无线通信网共完成测试用例28个，其中：CBTC承载测试用例8个，综合承载测试用例15个，PIS和CCTV承载测试用例5个。实验数据表明LTE能满足城市轨道交通CBTC系统、PIS和CCTV系统等生产业务综合承载的需求，5 MHz频宽能够同时承载CBTC、紧急文本、2路1 Mbit/s速率监控图像、1路2 Mbit/s速率PIS视频；15 MHz带宽时能够同时承载CBTC、紧急文本、列车运行状态监测、2路2 Mbit/s速率监控图像、1路8 Mbit/s速率PIS视频；越区切换时，LTE系统传输速率会下降，此时需要降低CCTV和PIS系统的速率，但是仍能确保满足CBTC、紧急文本传输的需求。

6 现场试验测试

在完成实验室测试的基础上，2014年8月，组织了相关单位在中国铁道科学研究院东郊分院的环形铁路上搭建现场实验环境，模拟CBTC、PIS及CCTV相关业务，进行现场测试实验，经过LTE场强测试、延时测试、丢包率测试、切换成功率测试、切换时延测试、下行吞吐率测试、上行吞吐率测试、平均传输时延指标测试、平均传输时延指标测试等若干指标测试，结果表明LTE能满足城市轨道交通车-地无线通信需求。

7 结束语

为了确保城市轨道交通安全高效运营，保证城市轨道交通行车效率，应该建设独立的专用通信网络来承载CBTC、CCTV、PIS等生产业务信息。

LTE用于城市轨道交通综合承载刚刚起步，在某些方面也需要有所提高，例如切换边缘速率低、eMBMS功能不完善、各厂家互联互通等，但基于LTE系统建设综合无线通信网来承载城市轨道交通综合业务，其在保障CBTC业务高可靠传输的同时，能够同时满足紧急文本下发的传输需求，且能为CCTV和PIS等业务提供有效的传输通道，满足对列车的综合控制的需求，是未来城市轨道交通车-地无线通信建设的方向。

[1] 张克平. LTE/LTE-Advanced-B3G/ 4G/B4G移动通信系统无线技术[M]. 北京：电子工业出版社，2013.

[2] 陈宇恒，肖竹，王洪. LTE协议栈与信令分析[M]. 北京：人民邮电出版社，2013.

[3] 乌鲁木齐轨道交通1号线通信系统设计书，2014.

责任编辑 冒一平

Construction of Transit Integrated Broadband Wireless Communication Network based on LTE

Liu Gang, Wu Haifeng

The Beijing MRT Construction Administration Corp. is discussing and trying to establish a integrated broadband wireless communication network based on LTE. The paper introduces status of urban rail transit wireless communication, LTE technology and the progress of present construction of transit integrated broadband wireless communication network based on LTE, provides perspective and reference for future transit on more wide range of train-trackside information integrated communication platform.

transit, train-trackside communication, LTE, integrated communication network

U231.7

2014-10-26

刘 刚：北京市轨道交通建设管理有限公司，高级工程师，北京 100037