凌喜华

（成都地铁运营有限公司，四川成都 610081）



LTE技术在城市轨道交通行业的应用进展及相关思考

凌喜华

（成都地铁运营有限公司，四川成都 610081）

摘 要：从实际应用的角度跟踪和总结了LTE技术在城市轨道交通行业应用的政策和标准化进展、业务需求、传输带宽需求构成、应用进展及模式、应用产品情况，并对后续应用需关注的频率规划、核心网组网方式、干扰控制等主要技术问题进行了分析，为总体把握其应用进展以及开展后续规划建设工作提供参考。

关键词：城市轨道交通；通信网；LTE；标准化；业务需求；频率；应用

目前国内城市已开通的城市轨道交通信号系统普遍采用工作在 2.4GHz 公用频段的无线局域网（WLAN）技术。2.4GHz 公用频段网络易受干扰、攻击，存在安全隐患。根据全国多个城市轨道交通线网规划与建设规划，城市轨道交通将向卫星城及城市间经济圈延伸，最高运行速度将超过 100km/h，而当前城市轨道交通选用的 WLAN 车地无线系统无法支持列车高速移动的矛盾将越来越突出。

1　政策及标准化工作进展

1.1政策

针对城市轨道交通车地无线通信采用无线局域网技术存在的安全隐患等问题，2015 年3月发布的工信部无[2015] 65号文件明确规定，交通（城市轨道交通等）、电力、石油等行业可采用 1785～1805MHz 频段时分双工（TDD）方式组建企业专用无线网络，解决了城市轨道交通车地无线宽带通信网的专用频率资源问题，至此，掀开了长期演进（LTE）技术在城市轨道交通行业规模化试验和试用的帷幕。

1.2标准化工作

为实现城轨专用通信系统的互联互通、生产的规范化和工程实施的标准化，规范使用工信部无 [2015] 65号文中指定的 1785～1805MHz专用通信频段，在交通部及国家发改委的指示下，中国城市轨道交通协会技术装备专业委员会近年来牵头开展了相关规范的制定工作，在遵循第三代合作伙伴计划（3GPP)、宽带集群（B-TrunC）相关规范的基础上开展了《城市轨道交通车地综合通信系统（LTE-M）规范》制定工作。

LTE-M 是针对城市轨道交通综合业务承载需求的分时长期演进（TD-LTE）系统，它在保证基于通信的列车控制（CBTC）系统车地信息传输基础上，可同时传输视频监控（IMS）、乘客信息系统（PIS）、列车运行状态监测、集群调度业务等信息。该规范由 17 个子规范组成，具体为：《 LTE-M系统需求规范》、《 LTE-M系统总体结构及系统功能规范》、《 LTE-M系统空中接口规范》、《 LTE-M系统核心网间数据接口规范》、《 LTE-M系统设备技术规范》、《 LTE-M 终端设备技术规范》、《LTE-M系统承载CBTC业务及接口规范》、《 LTE-M系统核心网间语音接口规范》、《 LTE-M系统互联互通测试规范》、《 LTE-M系统设备测试规范》、《 LTE-M 终端设备测试规范》、《 LTE-M系统测试规范》、《 LTE-M系统工程设计规范》、《 LTE-M 网络 IP 地址分配规范》、《 LTE-M系统设备编码规范》、《 LTE-M系统施工规范》、《 LTE-M系统工程验收规范》。

上述规范中的前 7 个子规范已于 2016 年2月发布并将于 2016 年5月4日起试行，此批规范的发布为 LTE 技术承载信号 CBTC 业务相关应用的工程项目前期工作（网络规划、工程设计、产品设计等）提供了重要技术指导和依据。各子规范分别在下述方面做出了规定。

（1）LTE-M系统的网络业务需求、网络配置需求、车载终端需求和手持台需求。

（2）城市轨道交通领域 LTE-M系统的指导原则和应用场景、业务与功能、系统总体架构、接口要求、编号与编址原则、用户管理、同步要求和安全要求等。

（3）基于 LTE 技术的城市轨道交通领域 LTE-M系统的空中接口（第 1 阶段）的物理层、层二和层三协议。

（4）城市轨道交通领域 LTE-M系统应用于互联互通线路运营时核心网间数据接口总体要求、跨线切换的接口需求、终端跨移交及故障恢复过程、跨线切换及故障恢复的通信流程和跨线切换及故障恢复的性能要求等。

（5）城市轨道交通领域 LTE-M系统的网络设备技术要求，标准定义了网络设备的业务功能和性能要求、系统功能和接口要求、基站和核心网设备要求等。

（6）LTE-M 终端设备的技术要求，规范定义了终端设备的业务要求、功能要求、性能要求和相关接口要求。

（7）LTE-M系统承载 CBTC 业务的功能需求、性能需求、LTE-M系统与 CBTC系统的地面接口和车载接口等内容[1]。

2　城市轨道交通行业的主要需求

2.1生产业务需求

2.1.1列车运行控制业务

列车运行控制业务根据列车在线路上运行的客观条件和实际情况，对列车运行速度及制动方式等状态进行监督、控制和调整。根据自动运行的程度分为以下 4 个等级。

GOA1a：不连续监督下的人工驾驶运行，列车运行控制系统在特定的位置上监督列车速度，等同于现有的点式控制方式。

GOA1b：连续监督下的人工驾驶运行，列车运行控制系统连续地监督列车速度，等同于装有 ATP。

GOA2：半自动运行，等同于装有列车自动运行（ATO）。

GOA3：无司机运行，列车上不再安排专职司机，仅安排乘务人员以应对突发事件。

GOA4：无人监督运行，列车上不安排任何工作人员。

GOA1、GOA2 列车控制业务数据周期性发送，要求每路传输速率上下行分别不小于 256kbit/s；GOA3、GOA4 列车控制业务数据周期性发送，要求上下行每路传输速率分别不小于 512kbit/s。

2.1.2列车紧急文本下发业务

地面PIS服务器传送紧急文本信息给车载PIS终端。为随机性数据，要求传输速率不小于10 kbit/s。

2.1.3列车运行状态监测业务

列车运行状态监测业务是指列车运行状态实时监测系统，它主要是将传感器采集到的列车关键参数实时传送到地面监测中心。

GOA1、GOA2 列车运行状态监测业务要求上行每路传输速率不小于 24kbit/s，最大传输速率 80kit/s；GOA3、GOA4 列车运行状态监测业务要求上行每路传输速率不小于 32kbit/s，最大传输速率104kbit/s，下行每路传输速率不小于 1kbit/s。

2.1.4视频监控业务

将列车驾驶室、车厢的视频监控图像通过无线的方式实时传输到控制中心或地面监控站，进行集中监控。

2.1.5PIS 视频业务

由地面将视频或图像信息通过广播或者组播传输到车厢内播放。要求能够传输图像分辨率为标清或高清的视频。

2.1.6集群调度业务

集群调度业务是指线路运营、应急和维护等需要的各种语音、视频和数据呼叫通信和管理业务[1]。

2.2网络带宽及频率需求

综合考虑上述业务需求，城市轨道交通生产业务车地无线通信需求总结见表 1。

表1　城市轨道交通生产业务车地无线通信需求

考虑到 CBTC 列车运行控制业务高可靠传输的要求，承载列车运行控制业务的 LTE-M系统地面设备应采用具有冗余备份功能的双网（A 网、B 网）结构，2 个网络的所有网元设备（包括核心网、基站、车载终端等）都是独立的，其他业务由单网（B 网）承载。

2014年，中国城市轨道交通协会组织北京地铁、北京交通大学、通号设计院、华为公司、中兴公司、54所、鼎桥公司等单位在北京铁科环线上完成了 TD-LTE系统通信性能测试[2]。

因此，结合生产业务车地无线通信需求分析和测试结果，并考虑今后的技术发展，总体需求如下。

（1）若按最低配置，仅满足 CBTC 业务双网，需要5 MHz×2的频率资源。

（2）若采用优化配置，同时满足 CBTC、IMS、PIS 等业务综合承载，需要 5MHz + 15MHz 的频率资源。

3　城市轨道交通行业的应用进展及模式

3.1城市轨道交通业主单位应用进展及模式

2015年3月发布的工信部无[2015] 65号文件写明了1785～1805MHz 频段为多行业共用的，其他行业（尤其是其他交通行业单位）对无线宽带数据传输的需求也比较刚性，各地无线电管理部门为平衡来自各行业的频率需求，基本不会在地上空间为城市轨道交通线网分配1785～1805MHz 的所有 20M 频率，大多数城市的轨道交通行业可获取的独占频率在 10M 左右，少部分为 15M，一线城市的频率资源紧张程度更甚。

受制于频率资源有限，在满足信号系统频率资源的前提下，相当多的城市不具备条件开展 LTE 的综合承载，少数可在一定范围内（部分地下线路）实施综合承载。再加上各城市在建轨道交通线路条件不同，各城市轨道交通业主单位对分步推进 LTE 的思路也有差异。因此，存在多种切入 LTE 应用的模式，主要包括：直接用于解决 CBTC 列车运行控制业务需求；通过在 IMS、PIS视频或集群调度业务中探索积累经验，后续再应用于信号系统；直接开展包括 CBTC 列车运行控制业务的综合承载。

3.2LTE系统设备供应情况

在全行业，爱立信、华为、诺西、阿朗占据主要LTE系统设备市场份额；在国内城市轨道交通行业，根据不完全统计，各 LTE 设备供应商的市场规模见表 2。

表2　LTE 设备供应商的市场规模

3.3应用产品研制及试用进展

LTE 网络在城市轨道交通行业承载的业务中，CBTC 列车运行控制业务、集群调度业务实现需较为复杂的相应配套产品开发，LTE 承载 CBTC 列车运行控制业务的趋势已很明确。因此，大多数信号设备供应商与LTE系统设备供应商已合作开展了产品研制工作，部分产品已进入试用阶段，部分 LTE系统设备供应商也与其他公司合作进行了集群调度业务二次开发设备（调度台、车载台、固定台）的研制。

3.3.1信号产品

LTE-M系统与 CBTC系统的地面物理接口位于核心网的网络设备和/或 CBTC 传输网的网络设备上，通过接口实现信息交互、LTE-M 设备工作状态监测、数据记录等功能；LTE 终端向 CBTC系统车载设备提供100BASE-T 的以太网络接口，接口形式为 M12D Code，该接口实现信息交互、LTE-M 车载设备工作状态监测、LTE-M 无线信号强度传送、数据记录的功能[1]。

根据不完全统计，大多数信号设备供应商与 LTE 设备供应商（主要为华为、中兴、鼎桥）开展了实验室或试验线测试。

目前 LTE 承载 CBTC 暂无开通项目，LTE 承载CBTC 在建线路包括：北京燕房线（交控与鼎桥）、重庆 5号线（通号与华为）和 10号线（交控与华为）及环线（铁科与中兴）、上海 5号线（TST 与华为）、乌鲁木齐 1号线（交控与中兴）、武汉 7号线和 8号线（烽火与卡斯柯)、西安 3号线（西门子与鼎桥）等。

3.3.2集群二次开发产品

现阶段广州地铁计划在 14号线和 21号线采用 LTE承载集群调度业务，西安地铁从 2014 年开始先做 LTE 承载集群调度业务研究及试验（二次开发单位为西安雷迪公司），宁波地铁也已进行了 LTE 承载集群调度业务测试验证工作。

LTE 网络承载城市轨道交通无线列调业务时，主要需考虑 2 个问题：与 TETRA系统的功能和性能对齐，包括呼叫功能、呼叫时延等；二次开发，包括调度台、车载台和固定台、专用手持台。

与 TETRA 技术相比，LTE 网络承载城市轨道交通无线列调业务可以大大提高城市轨道交通维保工作在终端设置等方面的效率。目前，相关二次开发产品需要改进的方面主要有：适应无线调度台、车载台的使用者对终端设备操作简洁性，确保关键功能可靠操作的需求；二次开发产品的网管能力。

4　后续应用的相关思考

4.1频率规划

频率规划应兼顾保障重点业务与提高频率利用率。

承载 CBTC 业务时，LTE-M系统需采用异频双网冗余结构。

从某线路的角度考虑，若考虑采用 GOA3、GOA4的运行等级，A 网频率需求为 5MHz、B 网根据是否综合承载确定频宽（不少于 5MHz）。在频率总资源少于10MHz 的城市，A 网、B 网仅能均采用 3MHz、甚至1.4MHz 的频宽。

从线网的角度考虑，涉及换乘站频率规划、地面站及场段频率规划等问题。地下非同站台换乘多为异层换乘，因为上下 2 层的建筑结构提供了至少 20dB 的穿透损耗，加上空间传播损耗，综合看可以采用同频组网空间隔离的方法解决。同台换乘情况下实施方案，核心的思想是工程与系统相结合，主要有以下 2 种方式来实现同台换乘下的无线部署。

（1）交汇区域 2 条线路采用不同的频率，此方案需要另分配 2 组 A 网、B 网频率给 CBTC，2 条线路频率完全分开，互不干扰，见图 1，但是 PIS 及视频监控监视子系统（CCTV）业务带宽受限。交汇区基站覆盖范围内的列车较其他基站的少。因此，交汇区基站频宽可采用 1.4MHz。

（2）交汇区域由其中 1 条线路无线覆盖。此方案规划时，若 2 条线路未共用核心网，则另 1 条线路的列车进出此区域需要进行 2 次跨网漫游切换，而 LTE-M 互联互通测试结果已经表明跨网切换依然能满足 CBTC 要求；若 2 条线路共用核心网，则另 1 条线路的列车进出此区域进行 2 次跨基站的切换，见图 2。

图1　同站台换乘异频组网方案

图2　同站台换乘同频组网方案

地面各场段原则上采用同频组网方式，为合理控制场段基站的覆盖范围，出入段线范围应采用漏缆等室外分布系统覆盖，检修库等应通过室内分布系统覆盖，不宜在检修库安装大型室外天线。

4.2核心网组网方式

所有移动通信系统的基站选型须与核心网选型匹配，基本为同一供应商的设备，另一方面，从设备故障影响面角度来说，多线共用核心网设备故障影响面比较大，且对核心网的维护检修等工作难以安排。因此，应控制多线共用主要核心网（MME/SGW/PGW 等）设备的线路规模。同一个城市内可只建设 1 对热备的核心网内的用户数据服务器（HSS），统一的 HSS 可以保证全市的列车统一管理。所有的核心网都通过 S6a 接口与HSS 连接[3]。在前期规划线路时，需提前考虑好哪些线路间需要实现互联互通，并且做好相应 IP 地址规划。

4.3多输入多输出（MIMO）技术

MIMO 技术在发射端和接收端均采用多天线和多通道。关于在城市轨道交通中的应用，对于集群或者CBTC 等带宽需求不高的业务，MIMO 基本可不用考虑，若采用业务综合承载方式的可考虑使用 MIMO 技术。从实际应用角度看，MIMO 除了信号与干扰加噪声比（SINR）的要求外，对于双路的相关性也有要求，为满足 MIMO 使用条件，要求 2 根漏缆之间的间距最少相差 70cm。具备双漏缆敷设条件时，MIMO 功能可让小区下行平均带宽增加 70% 左右，对于城市轨道交通的 PIS 业务，在靠近 RRU 的近点才能满足 MIMO 的要求。因此，MIMO 不能改善边缘带宽，但有助于拉高速率平均值。

4.4与其他系统的干扰控制

城市轨道交通 LTE 专网频段在 1785～1805MHz 范围内，根据目前的公网频谱分配，与专网频段干扰最大的是移动 DCS1800 : 1805～1830MHz（下行）和电信FDD : 1755～1785MHz（上行）。

与 1.8G TDD 频段高频部分相邻的是全球移动通信系统（GSM）下行频段。因此，主要干扰是 GSM系统基站发射对LTE系统基站接收造成的干扰。这类干扰分为杂散、阻塞、互调 3 种类型。TDD系统与 GSM系统之间的频段间隔要求为 600k，可以保证杂散干扰的隔离度要求。互调干扰虽然对隔离度要求最高，但 GSM系统频率资源较为丰富，可以通过频率调整来减小互调干扰对 TDD 的影响。若相邻的 LTE系统带宽为 1.4M、发射功率为 40W，GSM 总发射功率为 80W。当地上段地铁采用漏缆、移动采用定向天线，且两系统无频段隔离时，阻塞干扰对空间隔离的距离要求为 0.01km，比较容易满足。

与 1.8G TDD 频段低频部分相邻的是 LTE FDD 上行频段，主要干扰是 LTE TDD系统基站发射对 LTE FDD系统基站接收造成的干扰。2 个 LTE系统之间基站对基站的干扰，相对来讲，杂散干扰对隔离度的要求最高。极端情况下，若相邻的 LTE系统的发射带宽分别为 1.4M 和 10M，发射功率都为 40W。2 个 LTE系统频率相邻，互相之间隔离度与间隔距离要求与两网所用天馈系统有关。当地上段地铁采用漏缆、电信采用定向天线时，两系统无频段隔离、有 1.6M 频段隔离、有 5M 频段隔离时，空间隔离距离要求分别为 0.63km、0.5km、0.06km；地下段地铁与电信均采用漏缆时，由于两边的漏缆各自的耦合损耗相加约 134dB 左右，已经超过最恶劣场景下的隔离度要求，因此，对空间距离不再有额外的隔离要求。

5　结束语

综上所述，LTE 技术在城市轨道交通行业规模化应用的政策条件、相关技术标准条件、产品条件已基本具备，各城市轨道交通业主单位可综合考虑自身业务需求结构、频率资源等情况选择应用模式，并在应用中开展频率规划、选择合适的核心网组网方式及干扰控制方式等。

参考文献

[1] 中城装备[2016]009号 关于发布《城市轨道交通车地综合通信系统（LTE-M)规范》中7个子规范的通知[S]. 2016.

[2] 中城轨[2015]008号 关于转发工信部1785-1805 MHz频段使用通知事宜通知及有关落实工作的意见[S]. 2015.

[3] 孙震强，朱彩勤，毛聪杰，等. 构建运营级LTE网络[M]. 北京：电子工业出版社，2013.

责任编辑 冒一平

技术装备

Application Progress and Thoughts on LTE Technology in Transit

Ling Xihua

Abstract:From the aspect of practical application of the LTE technology in urban rail transit, the paper follows and summarizes the application of the policy and standardization development and business needs, composition of transmission bandwidth demand, application progress and mode, products etc., and it analyzes subsequent application issues including the frequency planning, core networking, interference control and other main technical difficulties , and it provides the reference for the overall control of the application progress and carries out the follow-up work of planning and construction.

Keywords:urban rail transit, communication network, LTE, standardization, business requirements, frequency, application

中图分类号：U231.7

作者简介：凌喜华（1964—），男，高级工程师

收稿日期2016-04-07