LTE技术承载地铁CBTC和无线通信业务应用模式分析

1 LTE概述

LTE (Long Term Evolution, 长期演进) [1]是由3GPP (The 3rd Generation Partnership Project, 第三代合作伙伴计划) 组织制定的UMTS (Universal Mobile Telecommunications System, 通用移动通信系统) 技术标准的长期演进, 于2004年12月在3GPP多伦多会议上正式立项并启动。LTE系统引入了OFDM (正交频分复用) 、MIMO (多输入多输出) 和ICIC (小区间干扰协调) 等关键传输技术, 具备传输速率高、频谱使用灵活、上下行资源可调配的特点, 可根据业务需求灵活配置上下行业务比例。

2 LTE技术特点

2.1 具有更有效的抗干扰性

LTE有着完善的抗干扰技术[3], 在干扰检测、干扰避免、干扰控制三个层面均优于Wi-Fi。LTE采用OFDM直载调度, 导致设计使得频域均匀分配, 保证了对信道时频变化的及时跟踪, 能够实现2ms的快速调度响应, 使干扰检测更及时, 更准确。LTE网络具有完善的编码、重传和干扰抑制合并机制, 并拥有毫秒级调度机制, 可根据干扰情况动态调度资源。LTE相比Wi Fi具有更优的接受灵敏度。Wi Fi在低于-90dbm时, 无法满足数据传输要求;LTE在低至-120dbm时, 仍能进行数据传输。LTE具有系统化的抗干扰技术, 可获得20d B+的增益。LTE采用ICIC、IRC等抗干扰技术, 解决系统内干扰问题;Wi Fi无抗干扰专用技术。

2.2 具有较高安全可靠性

LTE采用三层安全机制, 包括AKA (EPS鉴权和密钥协商) 、接入层 (AS) 安全机制、非接入层 (NAS) 安全机制, 将较而言IEEE802.11标准的数据加密方法安全性较低。LTE的多级Qo S算法保证了网络关键数据的可靠传输, Qo S通常是交换机或者路由器上设置的, 包括设置带宽、设置ACK (确认字符) 或ICMP (网络控制报文协议) 优先级、限制P2P (对等网络) 、策略。

2.3 具有高速移动切换性

LTE采用抗频偏的算法, 能够支持430km/h的速度, 已在上海磁悬浮线通信系统中得到验证。另外, 在隧道内LTE的单个RRU的覆盖范围可达到1.2km, 能有效减少切换频次。LTE在移动性方面优于Wi Fi。Wi Fi的覆盖范围较小, 列车在运行过程中需要频繁地重选和关联新的AP, 由此带来的高时延会直接影响到网络接人的稳定性。LTE采用的无缝切换算法、远距离覆盖等措施具有高移动性, 能保证列车以180km/h的速度运行时其延时小于50ms。

2.4 具有专用频段

LTE采用专用频段, 与Wi Fi、蓝牙、公网等分开, 避免干扰。国家工信部在《工业和信息化部关于重新发布1785-1805MHz频段无线接入系统频率使用事宜通知》中指出为适应1800MHz频段本地无线接入技术的发展, 1785-1805MHz频段为城市轨道交通等行业专用通信频道。

3 1.8G频段载波常见配置

1790-1800MHz:单网10M, 承载PIS;单网10M, 承载PIS+集群;双网5+5, 承载CBTC。1785-1805MHz:双网5+5, 承载CBTC+集群;全地下20M, 承载PIS;全地下20M, 承载PIS+集群;全地下5+15, 承载CBTC+综合业务[2]。LTE灵活的信道配置, 可以实现多种组网方式。可以适应不同的业务需求和频谱情况, 具体详见表1。

4 LTE承载地铁业务模式分析

根据《关于转发工信部1785-1805MHz频段使用事宜通知及有关落实工作的意见》 (中城轨[2015]008号) 要求, 为消除CBTC信号系统运用过程中影响正常行车的隐患, 保证运营相关的生产系统 (车辆运行状态监测、CCTV、紧急文本、PIS和调度语音通信) 安全、高效运行, 明确采用TD-LTE技术制式。

4.1 单独承载模式

LTE单独承载模式包括CBTC over LTE;CCTV/PIS over LTE;集群网络over LTE。LTE通信方式在单一承载CBTC时, 无论是在可靠性、抗干扰、QOS、以及造价上都有较大优势。目前, 国内城市地铁已用或在建采用此模式共21条线路, 占全国地铁采用LTE技术总数的78%。安全可靠性较高, 具有完善的安全机制能够保证信令数据和业务数据的传输安全。

运维模式简单, 在轨行区布置设备较少, 可利用网管中心统一对无线网络及终端进行管理, 简化运维, 并且维护人员容易掌握维修技能;造价成本每公里需增加100余万元。

4.2 部分融合承载模式

CBTC+CCTV/PIS融合over LTE;CCTV/PIS+集群融合over LTE;CBTC+集群融合over LTE;融合多业务服务, 无线覆盖广、轨旁设备少, 维护方便。目前, 国内城市地铁已用或在建采用此模式共5条线路, 占全国地铁采用LTE技术总数的19%。安全可靠性风险中等;运维技术人员欠缺, 需要较长时间培养;造价成本每公里需增加200万元。

4.3 综合承载模式

依托于LTE大容量、高数据速率的和分级Qo S特性, 可以用一张网同时承载CBTC、CCTV/PIS、并提供专业无线集群通信, 但此承载模式存在行车安全风险, 运营过程中一旦出现漏缆接头、设备损坏等故障, 会导致列车紧制, 同时司机无法与行调建立沟通, 无法听取行调的行车组织命令, 这也是兄弟地铁没有采取LTE综合承载CBTC与无线集群通信的原因[4]。目前, 国内城市地铁已用或在建采用此模式只有南京地铁宁高城际1条线路, 占全国地铁采用LTE技术总数的3%。安全可靠性风险较大;运维技术人员较少, 由于LTE的综合承载涉及了多种跨专业技术, 维护人员短时间内很难全面掌握维修技能, 为更好的完成系统运营后的维护工作, 在复合型人才培养及建设上需进行一定的研究;造价成本每公里需增加300万。并且国内城市地铁已建或在建线路大多数是应用无线集群通信 (TETRA) 系统, 如后续新建线路使用LTE技术承载无线集群通信可能会存在无法实现互联互通问题, 如果LTE综合承载与行车息息相关的两个重要系统, 有较大的行车安全隐患。从目前国内地铁LTE承载地铁业务三种模式数据分析, 综合承载模式使用率较低, 全国地铁仅有1条线且尚未正式运营, 所以LTE综合承载CBTC与无线集群通信业务技术仍需不断实践验证。

5 结论

经上述应用技术分析, LTE单一承载CBTC、乘客信息系统、车载监控系统和语音视频综合调度等通信业务技术在城市轨道交通应用上已经被广逐关注和逐步接受, 必将成为地铁车地无线的发展趋势。但是, 从上述三种承载模式各自的安全性、运维技术、造价成本, 及其他城市地铁建设实际运营案例等多方面论证, 建议新建地铁LTE可以优先考虑承载CBTC业务, 不要综合承载与行车息息相关的无线集群通信业务, 同时综合承载CBTC和无线集群通信仍需进一步实际运行论证。

摘要：城市轨道交通车地无线通信的稳定性和准确性对运营安全至关重要。文章主要根据LTE技术在地铁CBTC (基于通信的列车控制) 和无线集群通信中的技术应用现状, 具体从安全可靠性、价格成本、运营维护等方面分析承载应用模式, 不建议综合承载无线集群通信和CBTC业务, 但从LTE技术优势分析, 可以单一承载CBTC信号业务, 或者单独承载PIS (乘客信息系统) 、车载CCTV (闭路电视) 和语音视频综合调度等通信业务, 既能够实现功能升级又能降低维护成本, 并且在轨道交通行业具有较好应用发展空间。

关键词：地铁,LTE,无线通信,CBTC,模式