TD-LTE在有轨电车工程中的应用研究

公吉鹏

（广州地铁设计研究院有限公司，广州 510010）

基于无线通信技术的车地通信系统是实现有轨电车控制与运行的重要技术之一。有轨电车工程中的车地双向通信主要采用工作在开放频段的无线局域网（wireless local area network，WLAN）通信技术，WLAN在轨道交通中应用非常成熟。虽然WLAN能满足现阶段有轨电车的运营需求，但随着有轨电车业务需求的不断增加以及线网运营的集成化需求，WLAN将面临着诸多挑战，而LTE系统具有高带宽、高移动性、长区间覆盖、高扩展性等特点，运行于电信运营商级的架构及设备，可解决既有无线系统存在的不稳定、移动性差等问题[1]，能够满足有轨电车的传输通信要求。因此笔者分析WLAN技术和LTE技术的特点，提出采用长期演进（long term evolution，LTE）技术的系统方案。

1 TD-LTE技术应用前景

由于WLAN的工作频段为开放频段，随着无线通信技术的发展推广及应用范围不断扩大，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发生过车地通信受民用 WiFi设备干扰导致车地通信中断、影响列车正常运营的事件。2012年8—11月，深圳地铁2号线和5号线多次发生由于无线干扰影响列车运营的事故[2]。

为解决WLAN受干扰的情况，中国城市轨道交通协会已经进行轨道交通专用频率的规划工作，采用新技术建立抗干扰的、封闭的、稳定的、适合高速移动的车地无线通信系统。伴随第四代移动通信LTE技术的成熟应用，基于LTE技术的车地无线通信系统受到了关注，并逐渐完善。目前LTE技术依靠其设备量少、便于维护、抗干扰能力强、故障率低、频谱利用率高等特点，已经在城市轨道交通信号系统、乘客信息服务系统/闭路电视系统（passenger information system/closed-circuit television，PIS/CCTV）、列车运行监控系统、专用通信系统等各业务系统中得到应用。当前在有轨电车工程项目中，车地通信系统仍然采用IEEE802.11标准进行无线传输，工作于2.4 GHz或者5.8 GHz公共频段。但随着通信业务的不断增加以及集成需求的提高，WLAN将面临着很多瓶颈，而LTE则具有高速率、高频谱利用率、移动性好、抗干扰等特点，能够成为适用于有轨电车运行的通信系统。

2 LTE与WIFI的技术特点比较

城市轨道交通系统之前较多采用 WIFI技术进行车地双向数据业务的承载，近年来，随着工信部1.8GHz专用频段的批复使用、LTE-M 标准的发布，LTE技术已在城市轨道交通行业推广使用。

LTE采用正交频分复用技术（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）和多入多出技术（multipleinput multiple-output，MIMO）显著提高了频谱效率，轨道交通系统采用时分双工方式，有效解决频率资源分配与组网问题。采用时分双工（time division duplexing，TDD）模式的LTE系统称为TD-LTE系统。TD-LTE采用全Internet协议（Internet protocol，IP）化的扁平架构，降低控制面和用户平面时延，提供优先级调度和高速移动性支持，并通过抗干扰技术（如干扰抑制组合（interference rejection combining，IRC）技术等）和安全机制（如用于空口加密的国产祖冲之算法等）保证无线数据业务的安全可靠传输[3]。

目前国内进行TD-LTE产品研发生产的厂家主要有华为、中兴、烽火、普天和信威等，各厂家的LTE产品已经商用化多年，并在民用通信、政务网等通信业务领域提供了优质的通信服务，其产品平台已成熟化。TD-LTE传输技术相比于WLAN无线传输技术有着完善的服务质量（quality of service，QoS）传输管理策略设计，同时在数据链路层也采用了区别于WLAN自由竞争的接入策略，专门设计了控制平面和信令来规避多用户接入中出现的接入竞争冲突等问题，因此业务数据的传输稳定性较WLAN技术有较大的提升。相对于WLAN技术，LTE具有以下优点[4]。

1）业务的优先级调整。LTE技术实现9个调度优先级，前6个分别是语音会话、视频会话、实时游戏、非会话视频、IMS指令和语音视频流，后3个承载对时延要求宽松的业务，比如TCP业务等，并且按照预定义的可能业务类型，对应不同的服务质量（延时、丢包率、误码率等）要求，定义了9个服务质量类别标识（QoS class identifier，QCI），系统根据QCI对应的优先级进行资源分配和调度。该技术可以将列车信号系统辅助驾驶划分为A类，即优先保证类业务。

2）覆盖范围广。一方面 LTE采用先进的信号处理技术和硬件平台，设备的接收机灵敏度优于WLAN设备；另一方面，LTE技术一般使用专用频段，设备可以采用更高的发射功率，使得覆盖范围增大，每个基站射频单元覆盖范围能达到1 km以上。

以WLAN平均每200 m就要设置一个AP设备来说，1 km的覆盖范围大幅度减少了轨旁设备的布设，设备量的大大减少便于后期的运营维护，也有利于有轨电车的城市美化需求。

3）抗干扰能力强。相比WLAN网络，LTE技术工作于专用频段，且有着完善的抗干扰机制。其采用OFDM技术，基于完善的编码、重传和干扰抑制合并（interference rejection combining，IRC）机制，拥有毫秒级的调度机制，采用小区间干扰协调技术（inter-cell interference coordination，ICIC）进行小区间的干扰协调。

综合以上分析，LTE技术与WIFI技术对比如表1 所示。

表1 LTE与WIFI的技术对比Tab. 1 Technical comparison between LTE and WIFI

在广州海珠区现代新型有轨电车系统中，既有的车地无线传输系统包括运营调度系统的2.4 GHz WLAN网络，综合承载了运营调度的信息、PIS/CCTV、卡机票务信息；短程通信系统，承载车载控制区与道岔控制器、路口/道口控制器的交互数据[5]；集群调度系统。若采用LTE技术，以上所有业务都可承载于LTE网络，且轨旁设备显著减少，具体数据如表2所示。建立基于LTE技术的综合数据承载网络可避免各专业独立建网的现象，有效降低建设成本，提高运营维护效率。

表2 WIFI与LTE的应用对比Tab. 2 Application comparison between LTE and WIFI

3 有轨电车综合业务需求

现代有轨电车需要车地通道传输的业务数据主要有如下几类[6]：

1）列车运营调度数据，主要包括列车实时位置数据、道岔控制/状态数据、道口/路口信号优先数据等；

2）车载卡机实时票务数据；

3）PIS紧急文本信息；

4）PIS视频数据流；

5）CCTV车载视频监视回传数据；

6）列车实时状态监视信息及自动充电控制数据；

7）集群调度业务。

以上各业务性能需求如表3所示。以上业务需求分析已综合考虑了目前有轨电车系统中所有与运营相关的车地业务需求，采用一套车地无线传输网络综合承载各业务需求，且考虑较极端的情况下，4列车同时在一个小区内，该综合承载网需要提供的最低承载能力为上行6 Mbit/s、下行5.5 Mbit/s。考虑30%的设计余量及未来业务需求的增长，可按照上行 8 Mbit/s、下行7.2 Mbit/s设计。若仅考虑小区内只有两列车的情况，则所需的最低承载能力为上行 3 Mbit/s、下行4.7 Mbit/s，可按照上行4 Mbit/s、下行6.2 Mbit/s设计。

4 基于 LTE技术的车地无线传输通信的应用

从LTE的技术特点可以看出，随着无线通信技术的发展，LTE具有更高的安全性、可靠性及可用性，应用于城市轨道交通的实践趋于成熟，于2017年9月开通试运行的武汉有轨电车车都T1线，就采用了该技术。

表3 车地间各业务的宽带需求和性能需求[7]Tab. 3 Requirements of train-ground business on brandwidth and performance

4.1 工程概述

武汉有轨电车车都T1线采用的LTE系统，由北京信威通信股份有限公司提供 McLTE宽带无线集群通信系统。武汉有轨电车车都 T1线是湖北省第一条现代有轨电车线路，全长16.86 km，设车站23座，2017年 9月试运行，工程采用100%低地板钢轮钢轨现代有轨电车，全线采用信威通信 McLTE宽带无线集群通信系统网络进行无线信号覆盖，为控制中心、车辆段与正线提供专用的语音及数据通道，实现车辆与控制中心的无线语音通信及数据传输，并能够在控制中心实现录音功能。

4.2 LTE基本构成

1）控制中心设备

由LTE核心网子系统EPC、网管子系统、路由接口设备组成。

2）车站设备

系统基站的BBU设备放置在正线变电所。

3）区间设备

区间设备由无线子系统RRU、定向天线以及光电缆组成。RRU的布站间距由链路预算确定，根据有轨电车通常的线路情况，只需在站台区域安装RRU及天线。

4）车辆段/停车场覆盖设备

车辆段/停车场覆盖设备由无线子系统BBU、RRU和天线组成。覆盖出入段线/出入场线、咽喉区、停车列检库等区域。

5）车载设备

车载设备由终端设备车载接入单元TAU、天馈系统和接入设备以太网交换机组成。在列车的车头和车尾分别设置TAU，头尾TAU仅有一个出于工作状态，另一台TAU为热备状态。TAU通过车载交换机与信号/通信系统车载设备相连，传输信号系统的控制信息、列车状态信息等。

信号系统与LTE系统在地面通过路由设备进行连接，在列车车头/车尾通过接入设备以太网交换机与LTE网络车载接入单元TAU连接。车地通信传输构成如图1所示。

图1 车地通信传输构成Fig. 1 Composition of train-ground transmission

4.3 示范效应

T1线的LTE系统，为各专业、各子系统提供统一可靠、冗余、灵活的数据通道，充分将有轨电车优先、合理调度、安全舒适和优质服务等特点发挥出来；现代有轨电车控制系统通过对车辆、车站和道路信息的采集、传输和处理，实现对运营车辆进行实时监视和优化调度功能，及时发现、处理各种事故，为乘客提供全面、准确和及时的信息服务，有效提高公共交通的服务水平，促进现代有轨电车的智能化运营、调度和管理。系统具备高带宽、高可靠的抗干扰能力、高效的多业务优先级保障机制、高速移动下的稳定传输等多项优点，为 T1线控制中心、车辆段与正线提供专用的语音及数据通道，实现车辆与控制中心的无线语音通信和数据传输，为控制中心列车调度、车辆基地调度与列车驾驶员、防灾和维修等人员之间的语音通信提供安全技术保障。

在车载和地面测试主机上利用专用测试软件模拟业务测试系统带宽和丢包率。测试模拟上下行各512 kbit/s的传输业务，传输400 Byte的UDP包，同时模拟一路上行1 Mbit/s和一路下行4 Mbit/s PIS业务。测试结果显示信号业务带宽为512 kbit/s，丢包率为0。传输性能测试和小区切换测试界面如图2，图3所示。

图2 传输性能测试Fig. 2 Transmission performance test

图3 小区切换测试Fig. 3 Intracell handover test

自试运行以来，车地无线通信系统在稳定性、安全性、抗干扰性等方面表现突出，且系统自安装调试以来，运行效果良好。

5 结语

国内有轨电车的建设正处于一个高速发展时期，每个建设城市都进行了有轨电车线网的规划，2020年前国内要建设的线路超过2 500 km。LTE具有大容量的服务器，可以对后续线路建设预留接口，多条线路可以共用一套核心网，从长远看，可以有效降低系统的建设成本。同时，LTE技术采用的是3 GPP的通用标准，各条线路即使由不同的LTE厂家建设也可以进行互联互通，统一管理[8]。

这些技术优势打破轨道交通建设的瓶颈，为有轨电车的发展提供更广阔的思路和空间，继而进一步推动整个城市路网的发展。综上分析，无论是抗干扰能力、可维护性还是服务质量，LTE都较WLAN有很大的优势。采用LTE传输系统，可以提高无线系统的抗干扰能力、稳定性和可靠性。