基于LTE-M 与WLAN 混合组网的通信系统可靠性研究

2023-08-04罗卓蓓

通信电源技术 2023年9期

罗卓蓓

（中铁电气化局集团有限公司，北京 100036）

0 引言

2010 年，在第七届世界高速铁路大会上，中国铁路提出了LTE-R 铁路无线通信系统，这是国际上首次提出将长期演进（Long Term Evolution，LTE）应用于轨道交通。同年5 月，华为技术有限公司成功实现了LTE 网络在上海磁悬浮列车线路上的全面覆盖[1,2]。2016 年12 月10 日，湖北省武汉市的轨道交通6 号线通过地铁长期演进（Long Term Evolution for Metro，LTE-M）承载基于通信的列车自动控制系统（Communication Based Train Control System，CBTC）应用载客前评审，实现了国内首次LTE-M 系统承载CBTC 业务的工程化应用[3,4]。

1 组网方案设计

1.1 LTE-M 与WLAN 混合组网车地通信系统设计

LTE-M 是基于TD-LTE 技术的城市轨道交通专用通信系统[6]。相比无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN），它具有传输时延更小、覆盖范围更广、专用授权频段干扰少等多种优势，更加满足城市轨道交通超高可靠性与实时性、移动速度快以及综合承载多业务服务质量（Quality of Service，QoS）的保障需求[5]。现阶段，既有线路的更新改造工作逐渐成为下一步的城铁发展需求，2 种网络共存并逐步趋于融合将成为下一阶轨道交通着重解决的目标。

在第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）提出的网络架构中，AC 可以通过S2a 接口与PDN 网关（PDN Gate Way，P-GW）核心网相连实现互通，只需要改造现有网中AC 使其能够支持S2a 接口，就可以使WLAN 可信接入LTE-M 核心网。但是现网中AC 数量众多，无法全部升级成为S2a 接口，本方案设计新增加无线网关（Wireless Gate Way，WGW），即可通过S2a 接口同P-GW 互联[8,9]。

1.2 方案对比

本文提出了2 种组网方案，均需要增加网元，对于列车通信系统的可靠性提升都具有可行性。WLAN与LTE-M 融合组网将2 种制式的网络合并成一张通信网进行信息传输，可以将各项业务进行分流，安全可靠性进一步提升。当网络出现故障时，切换为人工操控的降级模式，可靠性大大降低，通信效率无法保证。相比融合组网，2 种制式的网络独立组网则很好地解决了这个问题。2 张网络同时进行数据传输，互为热备份，当一张网络出现故障时并不会影响列车通信信息的传输，只有2 张网络同时出现故障才会切换为人工操作的降级模式，列车通信系统的可靠性大大增加。因此，对双冗余传输网络架构进行了进一步的设计和测试，对网络的可靠性进行了进一步证明。

1.3 网络架构分析

1.3.1 通信系统组网层面

本系统由LTE-M 通信系统、WLAN 通信系统和网关设备组合而成。其中，LTE-M 通信网络、WLAN通信网络和各个列车车载控制器的网络分别独立组网，互不干扰。3 组网络通过网关设备进行连接，LTE-M系统是基于TD-LTE 技术的车地无线宽带通信系统。该系统以满足城市轨道交通车地通信业务需求为原则，保证列车运行控制系统安全可靠性的同时，综合承载车地通信业务[10,11]。WLAN 通信系统是工作在开放频段的成熟通信系统，在国内外多条城市轨道交通线路中有广泛的应用。网络融合中间件负责将来自车载控制器（Vehicle On-Board Controller，VOBC）的数据包向网络中作冗余发送，并在相应的接收端对数据包进行去冗余和旧数据过滤等处理。网络的高可靠性体现在通信系统同时采用了LTE 和WLAN 作为网络接入方式进行组网。其中，LTE-M 工作在1.8 GHz 频段（1 785 ～1 805 MHz），WLAN 工作在2.4 GHz 频段（2 400 ～2 483.5 MHz）。2 组通信网络工作在不同频段，当某一频段或者某一张网络受到干扰时，基于通信的列车控制系统仍然可以使用，不会降级到人工模式。

1.3.2 列车控制层面

目前，轨道交通线路大都采用传统CBTC 系统。在列车控制层面，CBTC 系统采用基于“车-地-车”的列车控制系统，由轨旁的区域控制器负责计算移动授权并将列车控制信息发送至列车，存在轨旁设备铺设、维护成本高，运营效率低等问题；在通信组网层面，系统采用单一无线通信技术布设A、B 冗余双网的组网方式。一切正常时，采用A 网通信；A 网故障时，切换至B 网通信；A、B 网同时故障时，切换为人工操控的降级模式。这种通信技术无法面向单点通信失效所带来的可靠性威胁，通信效率无法得到保障。

基于原有的CBTC 系统，本方案设计了一种基于“车-车”通信的双冗余网络架构，并对新型的列车控制系统提出了一种网络通信性能测试方案。在列控方面，系统取消了轨旁的区域控制器，并将其功能移植到了车载VOBC，列车通过与周围列车的信息交互，自身计算移动授权曲线并完成列车控制，摆脱了地面设备的控制，实现了基于“车-车”通信的通信模式，简化了列车控制过程，减少了列车通信时延和设备铺设成本，提高了系统的通信能力。

1.4 高可靠数据通信样机

高可靠数据通信样机体系包含LTE 数据通信网、WLAN 数据通信网以及网关设备3 个部分。其中，LTE 数据通信网的体系结构均包括列车接入单元、射频拉远单元、基带处理单元以及核心网处理单元；WLAN 数据通信网设备包括列车接入单元AC 和地面热点设备AP。LTE 通信网中，列车接入单元与射频拉远单元通过空中接口完成列车内部和地面数据的交互，基带处理单元在地面侧完成光电信号同基带信号的转换，核心网处理单元负责对整个通信系统的维护管理工作；WLAN 数据通信网的结构更加扁平化，列车接入单元通过地面热点设备进行数据传输。

双冗余网络组网示意如图1 所示，源车载控制器向宿车载控制器发送数据时，需将数据转发给默认源网关设备，源网关设备通过在网络层抓包获取数据包并对数据包进行添加序号等编辑，在查询路由后，分别通过LTE-M 通信系统和WLAN 通信系统双链路冗余转发给宿网关设备，宿网关设备在收到信息后进行去冗余处理，并将数据包转发给宿车载控制器。

图1 双冗余网络组网示意

2 独立组网性能测试与验证

2.1 面向车车通信列车控制业务的数据通信性能的测试与验证

车车通信的列车控制系统将区域控制器所承担的逻辑功能搬移至列车上，由车载控制器实现相应功能。因此，在通信层面对信号级“列车-列车”数据交互的支持就显得格外重要。由于每辆列车都需要获知附近一辆或多辆列车的完整运行状态信息以及将要进入路段的道岔状态信息，现有的LTE 通信系统需要承担起高强度的数据通信量，保证数据传输的低时延和低丢包率。

测试主要针对设计中提出的面向高可靠数据通信的双冗余网络架构中的数据通信性能。主要测试内容是CBTC 控制业务的数据吞吐量、时延以及丢包率等。测试结果表明，本设计方案中提出的双冗余架构网络符合CBTC 列控要求，相比于原有的通信网络在各方面性能均有所提升。在某一张网络失效后，通信系统仍可以正常运行，对“车-车”通信列控业务的传输可靠性有所提升。同时，在网络通信质量较差的情况下，可以通过选择传输较快的网络降低传输时延。

2.2 列车状态信息业务测试结果

首先对双冗余网络的无线传输列车状态信息业务传输能力进行了验证。开启通信模拟软件后，加载1 路列车状态信息业务，保持10 min。列车状态信息业务应保持传输速率为100 kb/s，最大传输延时不超过150 ms。经测试，列车状态信息业务保持在平均传输速率为101 kb/s，最大传输时延为32 ms，平均传输时延为31 ms。由此表明，双冗余网络具备无线传输列车状态信息的业务传输能力。

2.3 传输延时测试

对承载CBTC 业务的传输延时性能进行了测试。开启通信模拟软件，加载4 路CBTC 业务和1 路列车状态信息业务；维持统计10 min，停止测试，并记录数据包传输延时。在全线运行条件下，CBTC 业务和列车状态信息业务的最大传输时延应该小于150 ms。

经测试，平均时延为32 ms，最大时延为40 ms，双冗余网络承载CBTC 业务的传输延时性能满足系统需求。

2.4 时延测试结果

对传输时延进行测试，测试双冗余网络系统的端对端传输时延，端对端的最大传输往返时延（Round Trip Time，RTT）应小于等于300 ms。

LTE-M 小区带宽分别为5 MHz、10 MHz、15 MHz时的最大传输RTT 为83 ms，平均传输RTT 为40 ms；LTE-M 小区带宽为20 MHz 时，最大传输RTT 为82 ms，平均传输RTT 为40 ms，双冗余网络系统的端对端传输时延满足系统需求。

2.5 单网覆盖与双冗余网络覆盖性能对比测试结果

时延为100 ms、时延抖动为20 ms 的测试结果如图2 所示，双冗余网络的平均传输时延为92 ms，最大传输时延为98 ms；单网平均传输时延为104 ms，最大传输时延为108 ms。时延为200 ms、时延抖动为100 ms 的测试结果如图3 所示，双冗余网络的平均传输时延为165 ms，最大传输时延为187 ms；单网平均传输时延为229 ms，最大传输时延为257 ms。

图3 时延为200 ms、时延抖动为100 ms 的测试结果

经过测试可知，双冗余网络承载业务在传输性能不稳定的情况下，传输性能明显优于单网承载业务。

3.6 丢包性能对比测试

对承载CBTC 业务的丢包性能进行对比，双冗余网络承载业务的丢包率应该明显优于单网承载业务。双冗余网络在信道丢包率为1%的情况下没有丢包，在信道丢包率为5%的情况下丢包率为0.258%，在信道丢包率为10%的情况下丢包率为0.886%；单网承载在信道丢包率为1%的情况下丢包率为0.904%，在信道丢包率为5%的情况下丢包率为4.886%，在信道丢包率为10%的情况下丢包率为10.102%。由此可知，双冗余网络承载CBTC 业务丢包率明显低于单网承载业务，具有较强的抗丢包能力。