随着LTE技术的发展与成熟, 在无线传输方面的优势明显, LTE技术在各领域的应用不断展开。城市轨道交通CBTC系统近年得到了迅猛发展, 其中它的关键子系统车-地无线通信系统急需得到一个稳定可靠的无线通讯技术提升, 以取代不理想的WLAN无线系统的应用, 经过大量理论讨论和实验验证, 在城市轨道CBTC系统中, LTE技术不但可用且效果很好, 有取代应用WLAN的优势, 这里就LTE技术在城市轨道CBTC系统的应用与设计与大家分享。
LTE (Long Term Evolution) 是由无线接入的蜂窝技术演进而来, 在LTE系统演进初期, 目标和需求就非常明确的确定为:降低传输时延;提高数据传输速率;扩大系统容量和覆盖;实现运营成本降低。最重要的技术包括更大的宽带 (聚合波技术) 、多入多出技术 (MIMO) 、正交频分复用 (OFDM) 、协作多点 (CoMP) 发送或接收, 中继、家用增强基站 (HeNB) 和机器类的通信技术等。接入网演进为E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network) 。
(1) LTE的核心网EPC (Evolved Packet Core) 由MME, S-GW和P-GW组成。LTE的网络结更加简单扁平化, 组网灵活性好, 较大地减少传输时延, 组网成本较低。LTE的接入网E-UTRAN由e-NodeB组成, 提供用户面和控制面。LTE结构如图1所示。
(2) LTE的网络接口协议包括:
a) 基站 (e-NodeB) 之间通过X2空口协议进行连接, 由X2空口协议支持基站 (e-NodeB) 之间数据和信令的相互传输。
b) 基站 (e-NodeB) 与核心网EPC间通过S1接口协议进行连接。其中, S1-MME是基站 (e-NodeB) 连接MME的控制面接口, S1-U是基站 (e-NodeB) 连接S-GW的用户面接口。
c) S-GW和P-GW之间通过S5接口协议连接。
LT E空中接口的分层结构, 从下至上分为P H Y-M A C-RLC-PDCP—RRC等几个层次, 其中, PHY属于物理层部分, MAC、RLC和PDCP属于链路层部分, RRC属于网络层部分。如图2所示。
从LTE的架构与原理也能够体现LTE传输的一些特点, LTE的主要技术特性使其具有更广泛的应用。
(1) 应用于城市轨道交通的LTE系统基本信息如下表, 包括频率和带宽信息等。
信道可使用带宽分别为:1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20 MHz。
(2) LTE系统技术特点
保持既有基站位置不变的情况下, 提高小区边缘比特速率及显著地提高频谱效率;
无线接入网的时延低于10ms;
控制面延时小于100ms, 用户面延时小于5ms
频谱效率:1.69bps/Hz (2x2 MIMO) ;1.87bps/Hz (4x2 MIMO)
用户数:协议要求5MHz带宽时, 不低于支持200激活用户/小区;明显降低控制面时延;
系统带宽能够灵活配置, (如1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz带宽) 且可以实现支持成对和非成对频谱;
峰值传输数据速率有很大提高。【如20MHz带宽时下行326Mbps (4*4 MIMO) , 上行86.4 Mbps (UE:SingleTX) 】;
支持增强型MBMS (E-MBMS) 效果更好;
LTE系统对低速和高速移动终端都能够提供优质服务, 满足速度>350km/h的高铁提供100kbps的接入服务;
取消电路交换域, 其业务在分组交换域实现;
系统结构简单化, 低成本建网。
(1) LTE技术在城市轨道CBTC系统的研究与分析
在我国城市轨道CBTC系统引入初期, 主要是引进国外系统, 由于这些系统研发较早, 车-地无线通信都采用的是WLAN技术, 这一技术民用得到了广泛应用, 在应用过程中发现WLAN技术应用在城市轨道CBTC系统有技术上的致命弱点, 在开阔地带连续的多向的信息传输经常发生信道阻塞而中断通信, 列车降级运行, 造成晚点现象严重;因WLAN采用的是ISM频段 (非授权使用频段) , 所以经常会受到不明干扰失去车-地通信造成列车降级。这些者严重地干扰了列车正常秩序, 尤其在我国城市轨道车流密度大, 运力压力大的情况下, 尤其显得车-地无线技术急需提高。2014年起, 由中国通号、华为公司、中兴公司等技术研发和运用单位联合, 对LTE的技术特点和使用特征进行了全面的研究, 经过多次多种类试验, 将LTE技术应用到城市轨道CBTC系统作为新一代的车-地无线通信技术。经过试验, 对LTE系统现场综合测试结果如表2。
根据2015年发布的《城市轨道交通CBTC信号系统行业技术规范-数据通信子系统规范》“在非切换区域, CBTC业务的单列车无线网络信息传输上下行总速率不小于1Mbps”, 因此CBTC业务传输速率1Mbps即可满足, 上下行各分配512kbps考虑, 同时综合考虑其它系统业务, 城市轨道交通车-地无线通信需求总结见表3:
结合表2综合测试结果和表3中的各系统的数据统计, 并考虑今后的技术发展, CBTC、CCTV和PIS系统综合承载时需要15MHz频宽, 得出LTE的15MHz频宽的吞吐量 (上行11Mbps, 下行19Mbps) 满足综合承载所需的传输速率 (上行8.2Mbps, 下行12.8Mbps) 。据上分析, 通过采用专用无线频段的TD-LTE通信技术, 可对城市轨道车-地通信相关系统业务进行统一整合, 统一为LTE无线通信的方案完全可行的。
A.容量大、覆盖广:LTE系统可支持相关系统车-地无线通信的统一整合, 包括数据、语音和图像等多种信息, 可达到平均下行速率>40 Mbps, 平均上行速率>20 Mbps。
B.吞吐量高、切换快:LTE系统采用多天线接收分集、上行ICIC等特性实现最大支持15km的小区覆盖;系统采用特有的针对移动用户的算法, 实现快速的跨区切换, 能够实现漫游时间<100ms, 传输延迟<50ms。
C.具有完善的IP传输机制:LTE提供9级QoS保障机制, 保证优先级最高的业务在网络出现拥塞时能够优先传输到达目的地, 不发生传输中断或数据丢失。
D.利用多入多出 (MINO) 技术:保障传输稳定性, 无隙移动切换。
E.利用正交频分复用 (OFDM) 和小区间干扰协调 (ICIC) 技术:避免周围干扰和小区间干扰。这对于WLAN是无法做到的。
F.接收和发送采用三层交换机:使接收和发送数据双方向数据包高速分发;实现隔离广播风暴;能够实现多媒体传输。
G.频段专用增加无线的可靠性;加大频宽冗余使用, 保证车流密度提高时系统的可用性。
DCS (Data Communication System) 系统是城市轨道CBTC系统子系统, 包括地面网和无线网, LTE是实现车-地通信的无线网, DCS网络主要为轨旁设备与车载设备提供通信通道。在地铁应用中采用双网冗余设计, 分别为A网和B网, 且双网络独立运行, CBTC系统组网的LTE系统划分为:中心设备 (EPC) 、车站设备 (BBU) 、轨旁设备 (RRU) 以及车载设备 (TAU) , LTE网络整体架构如图3:
LTE设备从逻辑上分为三个部分:核心层、接入层、终端层。各部分介绍如下:
核心层:包括核心网EPC设备, 是无线网的核心部分, 完成传输数据的汇聚与分发, 全部无线接入数据都要通过核心层与外部系统通信, 为移动终端提供可靠的双向数据通信。同时EPC负责整个网络的管理与维护功能。
接入层:包括BBU和RRU设备, 提供地铁沿线无线接入服务, 上行经有线网接入核心层, 完成数据传输功能。
车载终端:由车载无线终端TAU组成, 与轨旁通过无线传输数据和命令。
LTE系统需要严格的时钟同步, 确保基站射频信号的时钟和空口TDD同步。
正线采用漏缆天线, 沿线路分布;车辆段采用定向天线采用星形分层分布;车辆上采用定向天线;两端双天线分布。
城市轨道CBTC系统应用LTE系统已经进行了实物应用, 在应用过程中要把好设计关, 根据具体城市轨道CBTC系统的要求和现场条件出具针对性设计, 设计是应用好的前提。在城市轨道CBTC系统设计时, LTE网作为DCS子系统分部来设计, 通常会优先进行边缘速率的仿真和确定 (也有通过仿真计算的表格查得) ;依据单车车-地通信数据速率和最小列车行车间隔确定使用带宽等;依据工程经验, LTE无线传输的覆盖范围, 地面段不大于2000m, 隧道内不大于500m的技术特点进行RRU预布;之后需经过多次设计联络由粗到细, 逐步确认LTE无线设计方案, 及中心、轨旁、转载设备布置设计。
为确保车辆平稳连续运行, LTE无线信号需要覆盖试车线、车辆段、出入段线、正线、折返线、停车线等, LTE无线系统按照以下原则进行设计:
1) 为保证车-地连续无线通信, 要保证行车无线全覆盖, 无线基站设计布置不应有盲区, 且应考虑无线覆盖重叠区合适;
2) 为便于工程实施, 双网无线基站采用同站址组网方式;
3) 隧道内有效站台区域无线基站布置应避免遮挡信号机;
4) 无线基站布置须考虑其他无线系统干扰 (包括外部干扰) ;
5) LTE网双网的基站采取同站址安装, 信号经过合路之后馈入到漏泄电缆之中;
6) 在隧道内正线采用漏泄电缆作为LTE设备的发射载体;
7) 在单洞单轨线路, 须上下行分别布置基站;
8) 在单洞双轨线路和地面线路, 上下行可合用一个基站;
9) 地下双洞线路, 上下行线路分开设置基站;
10) 地下单洞双线线路, 地面和高架线路, 上下行线路合在一起设置基站;
11) 在地铁车辆段以及咽喉区, 可以根据实际安装条件, 采用定向天线方式星形分布, 咽喉区、入库口、库尾三层布置;
12) 对于折返线、停车线, 使用功分器将正线信号引入需要覆盖的区域, 设计时应适当缩短正线覆盖距离。
另外, 在设计时应当考虑城市轨道网路同层换乘的相互干扰问题。同层换乘时, 通常使用无线空间隔离的方法;对不同线路LTE无线的发射信号采取等电平配置来解决干扰问题。无线空间隔离的干扰裕量为20lg, 设计时可以考虑降低漏缆安装位置到站台下方, 或安装到车顶上方隧道顶部。有效利用站台地面、天花板、屏蔽门、车体等障碍实现空间隔离。隔离度可以达到10~15dB, 能够满足LTE无线系统对SINR (信号与干扰加噪声比) 裕量的要求。当漏缆安装空间不能满足时, 可以考虑缩小同层两条线路的带宽, 采用异频配置以减少频率干扰。因异频配置会降低小区容量, 需通过缩小站台小区半径来避免同一小区进入过多车辆。这里小区覆盖半径设计应比站台长度略大, 可以按照300~400m设计。
经过系统设计最后形成文件:系统结构图 (包含车载部分的无线系统通常包含在CBTC系统结构图中) 、LTE无线技术规格书 (也有包含在DCS系统技术规格书中) 、设备平面设备布置图/表, 机柜设备布置图等, 根据这些文件进一步完成施工图的编制。
LTE无线网络已经得到了重庆5号线的互联互通线实施应用, 北京SI磁浮轨道的应用, 系统稳定良好。采用LTE无线系统运行线路, 完全克服了WLAN无线系统线路列车无线丢失、无线信道阻塞产生紧急制动、降级运行, 晚点等严重影响运营的情况。
尤其在互联互通线的应用, 说明了LTE无线系统的可以灵活的运用, 如不同线路的列车可在同一条线上运行, 而不相互产生干扰, 提高了列车的可用性。
在SI磁浮轨道的应用进一步说明LTE无线车-地通信对电磁干扰具有很强的抗干扰能力, LTE无线车-地系统具有很强的电磁环境适用性。
由于LTE具有满足信号稳定和高速切换通信能力, 对于更高时速列车的适用性是研究和发展的方向之一;城市轨道许多其它需要车-地通信的系统也正在积极进行研发和应用, 未来LTE技术在城市轨道领域的应用前景广阔。
摘要：阐述LTE技术应用于城市轨道CBTC的车-地无线通信的应用、设计方法和原则, 并对该技术的发展进行展望。
关键词：LTE技术原理,特点,城市轨道,CBTC,应用,设计
[1] 工信部:工信部无[2015]65号关于重新发布1785-1805MHz频段无线接入系统频率使用事宜的通知。
[2] 常静, 柏杨LTE链路预算中边缘速率的确定和仿真, 《智能建筑与城市信息》2012年第12期。
[3] 刘宝昌, 胡恒杰, 朱强。《TD-LTE无线网络规划研究》:电气工程技术与标准化, 2010, 23
[4] 李新《TD-LTE无线网络覆盖特性浅析》北京:电信科学, 2009年第1期, 43-47.
[5] 邢强强, 李新.地铁通信系统引入TD-LTE系统后的干扰分析研究[J].移动通信, 2012 (18)
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