TD-LTE技术在城轨信号系统车-地通信中的应用分析

李 晶

TD-LTE技术在城轨信号系统车-地通信中的应用分析

李 晶

城市轨道交通信号系统中的车-地无线通信是基于通信的列车控制（CBTC）系统的关键技术之一，传输涉及行车安全的重要数据信息。而针对目前被CBTC信号系统广泛应用的WLAN技术存在的干扰风险、不适应高速移动环境等实际情况，TD-LTE（分时长期演进）技术的崛起及发展为车-地无线通信提供了新的思路。分析WLAN技术和TDLTE技术的应用现状，着重阐述TD-LTE技术应用于城市轨道交通信号系统的可行性，并对基于TD-LTE技术承载多业务传输平台的车-地通信方案进行了详细分析。

TD-LTE；WLAN；车-地无线通信；综合承载网络

0 引言

车-地无线通信是城市轨道交通信号系统数据传输子系统（DCS）的重要组成部分，是实现轨旁信号设备与车载信号设备之间双向、可靠、安全的数据信息交换的传输通道。当前，市场上能提供的和使用中的基于通信的列车控制（CBTC）系统均采用IEEE802.11系列标准的无线局域网络（WLAN）技术。

而现在，随着TD-LTE（分时长期演进）技术的快速发展和在乘客信息系统（PIS）中的成功应用，TD-LTE技术是否也能为城市轨道交通信号系统的车-地通信提供另一种选择方案，若将TD-LTE技术应用在信号系统中，还需做哪些工作，这一系列问题已经成为被广泛关注的问题。本文从梳理信号系统的车-地通信需求出发，同时对WLAN技术的应用现状进行剖析，着重阐述TD-LTE技术应用于城市轨道交通信号系统的可行性，并给出具体的实施方案。

1 信号系统车-地无线通信的需求分析

城市轨道交通信号系统的车-地无线通信可实现列车与地面的双向、实时通信。列车将自身的车次号、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的位置信息，经过计算生成列车的运行权限，并传递给列车，内容包括停车点位置、最大允许速度、运行方向和车门控制信息等。

由于车-地无线通信系统的传输信息量较大，且CBTC对传输通道的可靠性、安全性要求较高，所以，行业内的相关标准及规范对信号系统车-地通信的性能指标有着较为严格的规定，具体指标如下[1～2]。

（1）车-地通信每列车信息的传输速率不应低于1 Mbit/s。

（2）车-地通信单网络信息的丢包率应小于1%。

（3）车-地通信单网络信息的误码率小于或等于10-6。

（4）车-地通信单网络的越区切换时间应在100 ms以内。

（5）车-地通信信息经有线和无线网络传输延迟时间应小于150 ms之内。

（6）应实现线路最高运行速度下车-地实时双向通信的要求。

（7）车-地通信设备的平均故障间隔时间（MTBF）＞2×104h。

（8）车-地通信设备的平均故障修复时间（MTTR）＜30 min。

（9）信号系统的可用性指标不小于99.98%。

（10）应保证车-地通信可靠连接，双网中同一时刻至少有1个网络无中断。

2 WLAN技术应用现状分析

工程实践证明，目前被广泛应用的基于WLAN的车-地无线通信的可靠性、可用性、安全性等均能满足当前城市轨道交通运营的需要，是实现城市轨道交通高安全和高密度的关键技术之一。

但是，目前的CBTC信号系统大部分采用IEEE802.11标准（庞巴迪和日本信号除外）进行无线传输，并均工作于2.4 GHz ISM频段。由于2.4 GHz ISM频段为开放频段，随着无线通信技术的发展推广，应用范围不断扩大，CBTC系统车-地通信受到民用WIFI设备等同频干扰的风险日益增加，在部分城市轨道交通线路中已经发生过车-地通信受干扰，导致车-地通信中断，影响列车正常运营的事件。

另外，随着我国城市轨道交通的发展，多个城市对于市域快速轨道交通进行了规划，这类线路的显著特点是速度快（最高速度均在120 km/h以上）、线路长、站间距大等。WLAN在开发之初是基于静态无线局域网设计的，在列车低速运行的情况下可满足信号系统车-地通信的需要，但是随着车速的提高，无线通信会因衰落、干扰和列车的高速移动在性能上受到影响，造成丢包率上升和传输带宽下降，而现阶段尚没有实际的工程案例来检验WLAN在高速环境下是否能达到车-地通信的传输性能要求。因此，WLAN在快速市域等有着较高速运营需求的线路中可能将无法满足。

3 TD-LTE技术应用现状分析

T D-L T E技术是3G P P（第三代合作伙伴计划）组织制定的通用移动通信系统技术标准的长期演进，它改进并增强了3 G的空中接入技术，引入了正交频分复用（O F D M）和多输入多输出（MIMO）等关键技术，显著增加了频谱效率和传输速率[3～4]。在20M带宽组网的情况下，下行峰值速率为100 Mbit/s，上行为50 Mbit/s。而且，TD-LTE技术支持多种带宽分配，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。同时，TD-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，这种结构有利于简化网络和减小延迟，实现了低时延、低复杂度和低成本的要求[5～6]。TD-LTE技术与WLAN技术关键性能分析见表1。

表1 TD-LTE技术与WLAN技术关键性能分析

由表1可见，TD-LTE技术在抗干扰能力、可维护性、支持高速移动及服务质量上均有一定的优势，而且TD-LTE已经有成熟的产品在民用通信运营商中使用，国内有数十家厂商能够提供整套的TD-LTE解决方案，产品成熟度较高，可选择范围大，但TD-LTE技术在城市轨道交通项目中的应用尚处在起步阶段，截至目前，TD-LTE还没有城市轨道交通信号系统的工程应用经验。

目前，朔黄重载铁路已开始将TD-LTE用于列车控制的信息传输。2013年，郑州地铁1号线利用基于TD-LTE的无线通信系统，实现了乘客信息系统（PIS）和车载视频监控（CCTV）的综合传输。

北京、郑州等城市轨道交通建设单位正组织国内主要的信号系统设计单位和通信、信号及PIS系统供货商研究基于TD-LTE技术承载多业务传输平台的车-地通信方案，完成了车-地通信系统需求分析、方案设计、实验室试验和现场测试工作。测试结果证明，基于TD-LTE的城市轨道交通车-地通信综合承载方案可完全满足信号、PIS、CCTV的业务传输需要。北京地铁燕房线工程将开展TD-LTE技术的示范应用。2015年乌鲁木齐地铁1号线工程已经完成信号系统招标工作，也将把TD-LTE技术应用于信号系统的车-地无线传输中。上述应用及研究、试验已初步证明TD-LTE技术能够满足城市轨道交通车-地通信技术要求。

4 TD-LTE实施方案

在城市轨道交通各系统中，信号系统、PIS、CCTV系统要求实现车-地双向实时连续通信。构建统一的车-地无线通信平台，综合承载多个专业的车-地信息是城市轨道交通的发展趋势。由通信系统统一建设基于TD-LTE技术承载多业务传输平台，实现在高速移动状态下，提供满足带宽、稳定、具有QoS保障和实时性要求的信号列控信息（双向）、车载PIS实时播放（下行）、车载视频监控图像回传（上行）等车-地无线数据多业务承载。

采用基于TD-LTE技术承载多业务传输平台的车-地通信方案，信号、P I S、CCTV系统共用车-地通信设备完成车-地双向信息传输，具有如下优势。

（1）信号系统不需要单独组建车-地无线通信网络，减少了1套车-地通信设备，可以节省工程建设的投资，减少运营维护工作量及运营维护费用，从而降低系统全寿命周期成本。

（2）共用1套车-地通信传输平台，可以有效避免城市轨道交通内部系统相互间的干扰。

（3）实现资源整合，节省安装空间，同时减少施工、配合、协调工作量，有利于工程实施。

4.1 组网方案

TD-LTE网络采用A、B网冗余组网方式承载信号、PIS、CCTV等综合业务，信号系统业务在2套网络上同时传输，保证其对网络可靠性的要求。

采用TD-LTE技术的车-地通信综合业务传输方案的构成见图1。其中：

图1 采用TD-LTE技术的车-地通信综合业务传输方案的构成示意图

A网承载信号系统业务（CBTC业务信息、列车状态信息）；

B网承载信号系统业务（CBTC业务信息、列车状态信息）、车载CCTV监控图像信息和PIS图像信息（含PIS紧急文本信息）等业务；

T D-L T E每个网络均由核心网（E P C）及网管、基带处理单元（B B U）、远端射频模块（RRU）、车载无线终端（TAU）组成。

TD-LTE网络在车辆段通信设备室集中设置核心网设备、路由器和BBU设备。通过路由器实现信号系统、PIS、CCTV系统业务的接入，同时实现不同业务之间的隔离和网络安全需求。BBU设备通过以太网交换机连接到EPC；通过通用公共无线接口（CPRI）协议连接到设置在轨旁和车辆段/停车场覆盖区的RRU设备。BBU与RRU采用光缆连接方式，行车线路采用漏缆覆盖，车辆段/停车场相关单体采用室分小天线覆盖。

在列车的车头和车尾，分别设置TAU，通过车载交换机与应用系统车载设备相连，传输接收PIS图像、上传列车内实时监控信息、信号系统的控制信息和列车的状态信息。

信号系统与TD-LTE系统在地面通过路由设备进行连接，承载信号的车-地传输业务。在列车车头和车尾的承载业务通过承载设备以太网交换机与TD-LTE网络车载接入单元TAU连接。车头承载B网的信号系统业务、PIS和CCTV业务；车尾A网承载信号系统业务，B网承载PIS和CCTV业务。

4.2 抗干扰措施

TD-LTE网络干扰包括外部干扰和内部干扰。TD-LTE网络的内部干扰主要体现在A、B双网间的干扰和同频组网情况下小区间的同频干扰2个方面。外部干扰主要来自于其他网络的同频干扰。

4.2.1 A、B双网间干扰分析

A、B双网异频组网，当2个网络频段相邻，如果2个网络发射和接收不同步，则会由于杂散和带外辐射的原因互相干扰，导致网络性能下降甚至阻塞。为了避免该类干扰的发生，需保证：A、B双网必须严格保证时隙配比和特殊时隙配比一致；双网必须严格保证时钟同步。

4.2.2 小区间同频干扰

由于采用同频组网，处于小区边缘的用户下行业务由于受到邻区导频和业务的干扰导致信噪比较低，从而影响下行吞吐量。为了缓解同频干扰的影响，可以通过下列手段进行优化：通过参数优化，提升业务信道的功率，使处于边缘用户的信噪比得到改善，从而提升吞吐量；通过修改切换参数，使用户及早切换到目标小区，优化边缘用户切换时的吞吐量；引入新的无线管理算法，使互为邻区的2个小区下行频带错开，减小处于边缘用户业务信道的干扰，提升边缘用户的吞吐量。

4.2.3 外部网络的同频干扰

若存在外部同频干扰（如北京的政务网等），为了满足TD-LTE接收信号SINR（信号与干扰加噪声比）的要求，可采取如下措施：全线采用漏缆进行覆盖；增强无线信号接收强度，包括增大天线增益，提高功率，减少覆盖半径；车载天线放置车底；无线参数调优；降低外部网的覆盖。

4.3 专用频段申请

根据中国城市轨道交通协会与国家无线委员会的协商结果，确定用于城市轨道交通的测试专用频段有4个：406 MHz、1.4 GHz、1.8 GHz和5.9 GHz（表2）。

表2 城市轨道交通可用的专用频段比较

综上所述，在这4个可能的频段中，406 MHz频段只有3 MHz带宽，不能做综合承载；5.9 GHz频段频率高、损耗大；剩下的1.8 GHz、1.4 GHz都可以在城市轨道交通工程中应用，具体频段需根据各城市的实际使用及分配情况，向国家无线委员会申请确定。

5 结论

综合上述对T D-L T E技术和WLAN技术应用现状及结构、性能特点的分析可知，TD-LTE在城市轨道交通信号系统车-地通信应用方面具有抗干扰能力强、可维护性能好、支持列车高速运行下双向通信等多方面优势，而且通过采用综合承载网络的方式可以减少设备，节省安装空间，更有效地实现资源整合，降低成本。

同时，应明确T D-L T E技术在城市轨道交通项目中的应用尚处在起步阶段，截至目前为止，并没有城市轨道交通信号系统的工程应用经验。但是，从长远来看，尤其是对于市域快轨等高速运营项目而言，T D-L T E技术已经显得十分迫切。相信通过大量的开发、试验及在示范性工程的应用实践，将为TD-LTE技术在城市轨道交通信号系统中的应用打下坚实的基础。

[1] GB50157-2013 地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[2] 中国交通运输协会城市轨道交通专业委员会. 城市轨道交通CBTC信号系统行业技术规范——需求规范（暂行版）[S]. 2013.

[3] 贾萍，徐淑鹏，陶宇龙，等. LTE技术在信号系统中的应用可行性分析[J]. 都市快轨交通，2014，27(6)：13-15.

[4] 甘玉玺，肖健华，金志虎，等.轨道交通车地无线通信技术研讨[J]. 城市轨道交通研究，2014，17(1)：103-106.

[5] 陶宇龙，贾萍，赵东霞. 宽带数字集群在城市轨道交通中的应用[J]. 都市快轨交通，2014， 27(6)：1-4，8.

[6] 许昆. LTE技术在城市轨道交通车地无线通信系统中的应用[J].数字技术与应用，2012(8)：33，35.

责任编辑 冒一平

Application Analysis of TD-LTE Technology in Train-Ground Wireless Communication for Transit Signaling System

Li Jing

In urban rail transit signaling system, the train-ground wireless communication is one of key technologies of communication based train control (CBTC) system, transmitting the important data information concerning traffic operation safety. In view of the fact that WLAN technology widely used in CBTC signal system has interference risks, it is not suitable for high speed and mobile environment, while the development of TD-LTE technology has provided a new concept for train-ground wireless communication. The paper analyzes the present application of WLAN technology and TD-LTE technology, and mainly describes the feasibility of TD-LTE technology to be used in transit signaling system, and analyzes in details of train-ground wireless communication scheme based on TD-LTE technology for multi service transmission platform.

TD-LTE, WLAN, train-ground wireless communication, integrated services digital network

U231.7

2015-02-27

李 晶：北京城建设计研究总院轨道院第十设计所信号设计室，工程师，北京 100045