武凝

摘 要：随着城市轨道交通的快速发展及用户需求的不断提高，地铁通信系统面临着机遇与挑战，文章以西安地铁2号线引入，分析了地铁通信数据传输存在的问题，提出在新建4号线中采用TD-LTE（Time Division Long Term Evolution，分时长期演进）技术实现CBTC（Communication Based Train Control System，基于通信的列车控制系统）中车-地通信数据的传输，并对其性能进行综合联调测试验证。

关键词：城市轨道交通;TD-LTE;CBTC;车—地通信

中图分类号：U231.7   文献标识码：A      文章编号：1001-5922（2020）10-0178-04

Abstract：With the rapid development of urban rail transit and the continuous improvement of user demand， Metro communication system is facing opportunities and challenges. This paper introduces Xi'an Metro Line 2， analyzes the problems of metro communication data transmission， and TD-LTE （Time Division Long Term Evolution） technology is used in the new line 4 to realize the transmission of train-ground communication data in CBTC （Communication Based Train Control System）， and its performance is verified by comprehensive joint commissioning test.

Key words：urban rail transit; TD-LTE; CBTC; vehicle-to-ground communication

0     引言

目前我國城市轨道交通事业飞速发展，凭借其先进、可靠、实用的特点日益成为市民出行的首选交通工具。根据不完全统计，截至2019年6月30日，累计已有37个城市投运城轨交通线路6126.82km，新增运营线路12条，新增长度365.32km[1]。城轨交通通信系统是用来为地铁运营与管理提供信息传送服务的，直接关系到地铁运营的安全可靠性，但是西安地铁既有线通信系统在运行多年后，已不太能够适应现有用户的数据传输需求，亟需采用一种新技术来满足新建线路用户的需求。

1     通信网络运行现状及存在问题分析

西安地铁2号线已经运行8年多，随着用户业务需求日益频繁，通信系统所面临的压力也逐渐增大，使得2号线通信传输网络逐渐产生一些问题，下面主要从两个方面进行分析。

1.1   通信传输网络备用路由时延和丢包率

主要是指通信传输网络的主用路由在被占用或发生故障时，采用备用路由进行数据传送的时延以及丢包率，如表1所示。

由表1可以看出，2号线现有通信网络主用路由在被占用或发生故障时，备用路由的网络时延和丢包率都较高，说明备用路由端口使用率指标已接近饱和，不能实现对数据业务的可靠传送。

1.2   通信传输网络承载无线调度业务的使用情况

通信网络所承载的无线调度业务用来实现地铁内部高效的行车指挥通信，也作为应急抢险救援的手段占有较为重要的地位，下图1为2号线无线调度系统基站信道占用情况。

由图1可以看出， 2号线潏河停车场（13 Tingcc）4个信道全部占用，渭河车辆段（12 Cheld）只有2、3、4空闲，沿线车站也存在基站信道繁忙占用率高的情况，因此通信传输网络作为无线调度业务数据的接入平台和传输通道占用过于饱和，无法保障调度业务的数据安全性，严重影响司机和行调的通信，容易导致安全事故发生。

2     采用TD-LTE技术实现4号线CBTC中车-地数据的传送

TD-LTE是第四代（4G）移动通信技术与标准，其TDD（时分双工）方式可以利用信道的非对称特性提高传输效率、灵活分配上、下行信道的无线资源，使得无线接入业务时延降低至10ms，频谱利用率与原有通信技术相比可提高2～4倍[2]。相较于其他技术，LTE技术优势明显：①由于整体采用了扁平化的网络结构，可以将数据传输时延降低，用户使用体验较好，方便地铁列车运营部署及降低成本[6]。②频谱可动态配置，实现所需带宽并可根据用户业务需求灵活动态调整。在20M的带宽内可实现下行100Mbps，上行50Mbps的系统峰值速率。③具有较好移动性，可实现终端移动速度为0～15km/h时拥有最佳性能，15～120km/h有较好性能，120～350km/h保持连接，确保不掉线。④延迟小，子帧长度为0.5ms和0.675ms，解决了向下兼容的问题，控制面延迟小于100ms，用户面时延小于5ms。⑤通过系统设计和严格的多级QoS（Quality of Service：服务质量）机制，能够保证不同业务优先级和实时业务的服务质量。⑥ TD-LTE网络和通信链路具有独立的加密系统，保证了业务数据传送的安全[7]。

CBTC是基于通信的列车自动控制系统，由LTE无线通信网络完成车-地双向数据的大量传送，包括上传列车的位置信息以及接收地面发送的列车移动授权信息（MAL），从而实现移动闭塞控制列车运行[3]。

西安地铁4号线采用TD-LTE技術搭建的通信网络实现CBTC系统车-地数据的传送，基于TD-LTE通信网络称为DCS，负责将车载的状态信息传送到轨旁，同时把轨旁控制信息发送到车载，来控制列车的安全运行。根据线路分布，LTE网络在各集中站、车辆段、停车场和控制中心分别设置骨干节点，组成 A、B 两套独立的环网结构，如图2所示。

其主要结构包括：参见如下A，B网界面示意。①用A/B双网冗余组网，全线各节点均部署两套完全相同的BBU（分布式基带处理单元）+RRU（射频拉远单元），分别接入设置在航天城控制中心的A/B网核心设备。② A、B网络完全独立，互不影响。车-地信息可在两套网络上同时传输，最终由信号系统接收并判断使用[8]。③在控制中心设备室分别设置A网和B网的EPC（核心网设备，含服务器、网络交换机）。通过中心交换机实现车-地信息和PIS（旅客信息导向系统）信息的收发，并完成用户数据业务的隔离保证用户业务的安全性。④列车头尾司机室分别设置一套TAU（车载通信终端），通过TAU与CBTC车载设备相连，传输车-地信息[4]。

3     综合联调测试验证

为验证采用TD-LTE技术搭建的通信网络能否实现CBTC车-地数据的传送要求，在4号线进行以下测试，测试结果最终需满足CBTC模式下列车控制业务越区切换时间小于150m的概率不小于95%;列车控制业务数据传输的丢包率应小于1%;列车控制业务通信中断时间不超过2s等[5]。

经综合联调测试验证，西安地铁4号线采用TD-LTE技术构建的通信网络性能符合CBTC车-地通信数据的传输要求，满足地铁运营需求[9]。

4     结语

综上所述，基于TD-LTE技术的通信传输网络在车-地数据传送方面各项指标满足CBTC的要求，收发数据的吞吐量、可靠性以及数据的丢包率、传输时延和网络的切换时延等均达到CBTC的要求，支持地铁列车的高速移动性，符合通信技术的演进趋势，能够应对未来城市轨道交通的飞速发展;同时采用TD-LTE 作为车-地传输技术的CBTC满足设备国产化要求，后期维护更便捷也能在一定程度上降低整体投资成本[10]。

参考文献

[1]张建明.城轨交通CBTC车-地无线通信的分析与思考[J].现代城市轨道交通，2014（01）：47-51.

[2]印顺.TD-LTE网络建设方案研究[D].长春：吉林大学，2014.

[3]顾向锋，孙寰宇.轨道交通车地通信TD-LTE综合业务承载研究[J].铁道标准设计，2015（11）：110-113+121.

[4]田静.地铁TD-LTE网络多业务承载技术研究[J].城市轨道交通研究，2016（S1）：21-24.

[5]潘琳.基于TD-LTE的城市轨道交通车地无线通信综合业务承载方案研究[D].郑州：郑州大学，2019.

[6]黄宇，陈宇，刘仰丽.TD-LTE承载CBTC车地无线通信在武汉地铁的应用[J].城市轨道交通研究，2018（S1）：43-47.

[7]焦凤霞.TD-LTE技术承载地铁CBTC系统应用研究[J].铁路通信信号工程技术，2016（05）：63-66.

[8]王旭.地铁TD-LTE覆盖方案研究[J].邮电设计技术，2013（08）：39-42.

[9]王鹏.基于TD-LTE的车地无线通信系统设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2019.

[10]李晶.TD-LTE技术在城轨信号系统车-地通信中的应用分析[J].现代城市轨道交通，2015（06）：9-12+17.