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轨道交通通信无线系统覆盖探索与研究

发表时间：2020/11/2 来源：《基层建设》2020年第21期作者：薛孟

[导读] 摘要：轨道交通成为市民出行的主要方式，但是随着载客量的增加，轨道交通出行事故的风险也越大，因此对通信无线系统提出更高的要求。

        武汉地铁运营有限公司
        摘要：轨道交通成为市民出行的主要方式，但是随着载客量的增加，轨道交通出行事故的风险也越大，因此对通信无线系统提出更高的要求。本文围绕TD-LTE系统进行分析，首先介绍了轨道交通无线通信系统的构成，并从网络拓扑设计、核心网设计、车站侧设计、越区切换、设备冗余配置方案等方面分析了TD-LTE无线通信系统网格设计。最后，对轨道交通通信无线系统覆盖设计进行讨论。
        关键词：轨道交通；通信无线系统；核心网；TD-LTE
        1 前言
        我国城市轨道交通不断地发展，为城市居民提供了舒适、安全的乘车体验。轨道交通的通信无线系统的功能是实现车载信号和地面信号的稳定、快速传输，建立起列车和地面的双向无线信号传输，该无线系统的正常工作是确保地铁安全运行的关键。我国地铁大部分采用WLAN技术或者TETRA技术进行无线通信系统的构建，但是在高清视频监控等大并发数据传输的需求下，进行更高效的通信无线系统开发成为必然。其中，TD-LTE技术以大宽带、高频谱效率的特点成为目前最优的解决方案，本文将对其展开深入讨论。
        2 轨道交通无线通信系统的构成
        2.1 TD-LTE系统概述
        TD-LTE采用了多种先进的无线技术，可以实现下行≥100Mbps，上行≥50Mbps的用户峰值速率，其扁平化的架构使用户体验得到显著提高，同时也有效地控制运营成本。TD-LTE的频谱配置相当灵活，可以按照用户需求做出及时分配，这是其相比其他技术的核心优势。除此之外，TD-LTE采用的多级QoS与分层安全机制是确保其服务、通信质量的关键。
        2.2 轨道交通无线通信系统构成
        轨道交通无线通信系统的硬件由中心设备、场段设备、车站设备等共同构成，其信号覆盖广，通常能够覆盖车站、正线、出入段线区间、运营区域等。在常规的CBTC+宽带集群模式下，系统包含了EPC、BBU、RRU、调度台、天馈线系统等，利用专用通信系统为上述设备提高通信支持。控制中心包括LTE核心网设备、PIS系统、调度中心等。车辆段与停车场都有相应的调度台，分别由相应的指挥调度中心负责运营。在各车站均安装有BBU与RRU。
        总体来看，轨道交通的无线通信系统可以分为成3个层面：
        （1）核心层。该层作为轨道交通通信无线系统最为关键的部分，其功能是进行数据的汇聚与发送。核心层与几乎所有业务子系统建立起联系，实现双向的数据通信功能。一切无线接入数据均需经过核心层方可与其他系统进行通信。核心层在整个通信无线系统中扮演着管理者与维护者的角色。
        （2）接入层。作为一个数据中枢，其主要功能是实现轨旁无线接入功能，对不同业务的数据进行中转，对接各层的数据传输需求。
        （3）终端层。该层是实际的执行层，其与核心层的数据传输需要接入层的辅助。车载TAU就属于典型的中短程，其负责行车调度工作，将行车信息通过接入层，高效地传输到核心层。
        3 TD-LTE无线通信系统网格设计分析
        本节将通过对轨道交通无线通信系统的组网进行分析，提出一套考虑覆盖问题的系统性的无线通信系统解决方案。
        3.1 网络拓扑设计
        本方案的目的是实现CBTC与集群调度业务，业务的开展要求提供A/B双网承载能力，两套网络同步工作，且互相作为对方的备份，提高系统的安全性。本文设计的系统组网框图如图1所示。

        图1 系统组网框图
        该无线通信系统采用光纤传输通道实现环网的设计，且均采用了8芯光纤。该组网中，核心设备分布式地安装在控制中心、车站集中站、站区间、车辆段等位置。对于A网而言，包括了核心网、交换机、终端、接口路由器等设备，且大多都部署在控制中心。对于B网而言，其主要设备由核心网、BBU、RRU、终端、交换机、接口路由器等构成。
        3.2 核心网设计
        核心网作为无线通信系统的核心，是实现基本通信功能的关键所在。利用宽度接入系统可以实现基于数据的应用，同时采用宽度无线集群系统实现轨道交通的车辆调度任务。下面对这两个系统的主要应用流程进行介绍：（1）宽度接入系统依次执行UE附属时承载建立、UE上下行数据传输、UE附属后承载修改、UE离开时承载释放；（2）宽度集群系统相比宽度接入系统增加了TCF/TMS与TMF，其可以利用NAS指令实现集群呼叫，呼叫流程包括呼叫请求、TCF/HSS寻呼其他组员、协调群组承载资源、通知群组成员话权改变、UE主动向TCF发送组呼释放请求、释放承载资源。
        3.3 车站侧设计
        在各车站均安装了冗余BBU，从而提高系统的可靠性。实际部署过程中，可以针对车站的不同情况选择部署不同数量的RRU，以满足覆盖要求为准。通常而言，RRU之间的安装距离应不超过1200米，否则会导致RUU无法正常工作。eNodeB使用了分布式的架构，由BBU与RRU过程，RRU是eNodeB的远端设备，可以方便地起到基带信号和射频信号自由转换的目的。
        主控板与基带板中都包含了信号数据处理功能，BBU由一至两块MCU构成，当选择两块时能起到主备冗余的作用。MCU除了对BBU进行管理以外，还需要对S1/X2传输资源进行管理，负责OAM链路和BBU内部业务之间的传递。BBU一般由一至六块BPU构成。
        3.4 越区切换方案
        所谓越区切换方案指的是当用户在不同基站覆盖区间内切换时，信号不会被终止。当UE接入到网络以后，eNodeB将发送信号强度等信息至UE，此时UE通过对信号强度的检测，如果达到门限值，则上传测量报告，eNodeB根据报告消息进行触发切换，使UE由源小区切换到目标小区，上述就是最基础的越区切换流程。其中，切换区距离是判断切换与否的关键参数，其与迟滞区距离、测量时长、车速、切换时延等因素有关。
        3.5 设备冗余配置方案
        为了提高通信系统的可靠性，在核心网进行冗余备份是必然的选择，可以通过部署两套相同的EPC进行双机备份，即便主用核心网发生故障，出现基站脱网现象时，备用核心网也可以快速介入，不影响正常工作。主备机之间利用eHSS实现数据同步，在运行过程中对彼此的工作状态进行实时检测，一旦故障发生立即完成无缝切换。此外，基站也需要进行冗余备份，可以选择分布式的架构，在主控板上采用1+1备份，基带板上采用N+1备份，电源板采用1+1备份。
        4 无线覆盖设计
        4.1 覆盖区基本描述
        无线覆盖是轨道交通通信无线系统中的重要话题，对于轨道交通而言，通常要求必须覆盖双正线区间线路、车辆段、办公楼、各站厅、出入通道、供电站台、设备室等区域。不同区域对覆盖指标要求不尽相同，一般而言，要求场强覆盖时间、地点的可靠概率为全部电波覆盖二代区段应大于90%，且RSRP应超过-95dBm，连接建立失败率在1%以内，越区切换成功率不小于99.5%。
        4.2 不同场景下的覆盖设计
        4.2.1 轨旁覆盖场景
        以某一基站覆盖区域最多包含2辆列车的情况为例，为了满足列车控制信号与集群业务对通信能力的需求，要求上下行的带宽都等于2Mbps。考虑到B网的功能仅为承载CBTC信息，所以此时主要关注A网的覆盖情况。
        4.2.2 隧道场景
        隧道场景下，假设系统带宽等于5MHz，且上下行边缘速率等于2Mbps的情况下，要求覆盖半径不小于600m。
        4.2.3 高架场景
        在高架场景下，因为双线铁轨之间的距离小，同时无墙体将其隔开，从减小上下行干扰的角度出发，需要通过相同的RRU对上下行线路单网进行覆盖。与隧道场景相同的条件下，覆盖半径同样为600m。
        5 总结
        本文探讨了TD-LTE这一新型的地铁线路无线通信解决方案，分别从提高系统可靠性、质量等角度分析了具体的解决方案，该解决方案不仅可以实现集群调度功能，而且可以实现CBTC的业务承载需求，值得推广。
        参考文献：
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        [2]朱东飞，洪婷.城市轨道交通车地通信综合承载系统（LTE-M）性能测试与分析[J].城市轨道交通研究，2017，20（05）：171-175.
        [3]刘立伟.浅析轨道交通无线通信系统电波覆盖特性[J].科技创新与应用，2013（15）：50-51.