基于多业务承载的轨道交通LTE系统方案研究

1　工程概况

无锡地铁根据行业内LTE应用现状，结合车地业务需求和江苏省无线电管理部门批复的频率情况，3号线工程采用LTE技术进行车地间综合业务承载。

无锡地铁3号线一期工程线路全长约28.5km，均为地下线；共设置21座车站，均为地下站；新设钱桥停车场和新梅路车辆段，均有上盖物业；控制中心位于1号线人民医院站附近，为线网共用控制中心。

2　多业务承载需求

无锡地铁3号线一期工程LTE系统需要承载多种业务，包括CBTC列车运行控制业务、列车紧急文本下发业务、列车运行状态监测业务、IMS车载视频监视业务、PIS视频业务；同时在本工程中需要进行集群语音业务的测试。

鉴于LTE网络承载了CBTC业务，需要建设冗余的A/B网络来保障其应用。其中信号CBTC业务信息通过A、B双网承载，其他业务信息由A网综合承载。根据相关规范要求，无线接入网容量需要首先满足单RRU小区内同时6列车的生产安全信息网业务传送，其总体业务带宽需求见下表1。

表1　业务带宽

由于无锡地铁3号线一期工程仅进行集群语音业务的测试，正式运营时不需要考虑该业务的带宽需求。

3　LTE网络方案研究

无锡地铁3号线一期工程基于多业务承载的LTE网络采用基于IP的扁平化网络结构，包括核心网方案、无线接入网方案及终端接入方案。

3.1　核心网方案

在无锡地铁线网控制中心设置3号线一期工程LTE网络的核心网设备，由LTE系统A、B网核心网EPC、核心路由器、交换机、网管服务器及地面接口数据存储设备等组成。LTE的SGi业务接口向上通过控制中心的接口路由器和各业务系统及服务器连接，核心网向下通过传输网络与部署在车站的基站（BBU）建立IP连接，实现LTE的S1接口。

3.2　无线接入网方案

LTE系统无线接入网方案应结合无锡地铁3号线一期工程实际情况进行，包括基站设备（BBU+RRU）设置及传输组网方案、无线覆盖方案、系统同步方案等几个方面。

3.2.1　基站设置方案

LTE基站包括A/B网的BBU和RRU设备，A/B网基站设备同站址设置。

（1）BBU设置方案

基站BBU设置在设备集中站、钱桥停车场和新梅路车辆段的信号设备室，BBU与核心网之间的S1接口数据利用计算机网络进行传输。

（2）RRU设置方案

基站的RRU沿着列车行驶的线路部署，包括正线车站及区间、道岔区域、折返线、渡线、停车线、出入段/场线、段/场咽喉区、段/场车库内、试车线等所有需要LTE无线覆盖的所有区域。RRU安装在设备机房或隧道壁或壁挂，RRU与BBU之间采用Ir接口连接，A/B网的RRU与BBU之间分别采用不同的光缆回路。

3.2.2　无线覆盖方案

（1）覆盖要求

LTE系统应满足承载的业务和设备维护需要进行，在覆盖目标区域内：无线覆盖在≥98%概率条件下，车载TAU终端天线处输入信号应符合车地通信区域RSRP≥-95dBm，且SINR≥3dB；无线覆盖在≥95%概率条件下，LTE手持终端天线处输入信号应符合RSRP≥-105dBm；语音业务质量应符合ITU-TP.800定义的要求，MOS≥3。

（2）覆盖方案

1）线路区间。线路区间包括正线、出入段/场线等，线路采用漏泄同轴电缆进行覆盖。在上、下行线路隧道弱电侧各新敷设1条1-5/8＂漏泄同轴电缆；A网和B网的RRU设备通过合路器接入该漏缆。

2）试车线方案。3号线工程在新梅路车辆段有一条967m左右的试车线，需进行无线场强覆盖，可采用漏缆覆盖。在试车线中间区段分别设置A网和B网的RRU设备并通过合路器共用漏缆。

3.2.3　频率配置方案

LTE在无锡地铁中采用同频组网技术，使用小区间干扰协调技术，确保相邻小区在小区边缘使用不同的频率资源，避免小区间干扰，提升小区边缘吞吐率。考虑到CBTC业务高可靠传输的要求，应建设冗余的LTE A/B双网，CBTC业务由两个网络同时传输，其他业务由单网传输。因此，将1785~1805MHz频段内的15MHz用于LTE A网；5MHz用于LTE B网。

根据行业内LTE系统的相关测试数据和工程实践经验，江苏省无线电管理局批复给无锡地铁3号线的1785~1805MHz共20MHz频率完全可以满足表1需求。

3.2.3　传送网及同步方案

LTE系统传送网在信号设备集中站、车辆段、停车场和控制中心冗余部署，采用双网冗余的设计。即在控制中心、车辆段、停车场和每个设备集中站为LTE A、B网各部署一台交换机设备。LTE传送网采用二层组网和Hyper Ring环网收敛技术，满足在环网链路和节点故障情况下能快速自愈，收敛时间＜50ms。同时，传送网组网的交换机设备能够支持1588V2时钟同步，满足LTE系统同步要求。

LTE系统的基站设备除支持GPS/BDS时钟同步外，还支持IEEE 1588V2的同步方式，需要时钟系统通过传输网络为基站的BBU提供IEEE 1588V2信号，在工程应用中可以根据需要选择任意一种方式，另一种方式作为同步方式的备份。

3.3　TAU方案

车载TAU通过IEEE802.3标准定义的以太网三层协议与信号系统的ATP/ATO、与车辆上的PIS/CCTV系统进行有线连接，形成连接车载设备和地面系统的无线车地通信通道，实现车地数据的实时、双向传输。每列车上安装三套TAU设备，在列车一端安装一套A网TAU设备承载综合业务（含CBTC业务）；列车另一端安装两套TAU设备，其中TAU-A设备作为综合业务承载的备用通道，TAU-B设备单独承载CBTC业务。同时在TAU内部设置存储数据卡用于记录车载CBTC数据，可通过网线或USB读取存储文件。

4　特殊情况方案

针对无锡地铁3号线一期工程实际情况，需要对试车线LTE无线网络共用正线核心网方案、PIS系统LTE空口组播方案及集群语音调度测试方案进行研究。

4.1　试车线共用正线核心网方案

无锡地铁3号线一期工程采用试车线与正线合用LTE核心网EPC设备，为保证试车线与正线业务互不影响，主要通过GRE隧道技术，实现正线与试车线的业务隔离。针对LTE无线网络，采用基于通用路由封装协议（GRE）的隧道技术，实现正线与试车线的业务隔离。GRE的隧道由两端的源IP地址和目的IP地址来定义，允许用户使用IP封装数据包。不同的信息来源，可分别使用不同的“隧道”进行传输，实现业务在管道上的隔离性。试车线按照A、B双网规划，业务与正线相同，但通信的目的地址不同，通过设置不同的GRE隧道进行传输。TAU会根据初始业务报文目的地址的不同，将去往控制中心EPC的数据包添加相应的GRE包头，EPC会依据不同的GRE报文，将去往试车线的数据包经EPC独立的SGi口，通过光纤接入到试车线的交换机；将去往正线的数据包经EPC另外一个独立的SGi口，通过网线接入到控制中心的交换机，从而保证了数据传输的隔离性，使得正线与试车线互不影响。

4.2　PIS组播方案

无锡地铁3号线一期工程LTE系统A网综合承载CBTC业务、紧急文本、列车状态信息、视频监控、PIS视频等业务信息，为节约有限空口资源，需要提供下行视频流组播技术，实现一点对多点的发送。

4.3　集群语音测试方案

无锡地铁3号线一期工程拟进行LTE集群语音功能测试，可选取某个设备集中站区间作为测试线，外加试车线等测试点进行集群语音业务测试。测试网络使用LTE系统A网进行，采用手持终端接入。

基于无锡地铁3号线一期工程LTE系统网络现状，为测试LTE集群语音业务，需要在控制中心增设集群语音调度台、录音录像服务器和相关集群功能的license。

5　结语

本文结合无锡地铁3号线一期工程实际情况，详细研究了多业务承载的LTE网络方案，其核心网、无线接入网方案及PIS空口组播方案、集群语音测试方案等切实可行。在频谱资源许可的情况下采用LTE网络承载多业务不但可以提高车地无线系统的可靠性，实现资源共享，而且可以节约工程投资。

参考文献

[1]王映民，孙韶辉．TD-LTE技术原路与系统设计[M]．北京：人民邮电出版社，2010．

[2]真才基，王映民，等．TD-LTE移动宽带系统[M]．北京：人民邮电出版社，2013．

收稿日期：2018-09-26

作者简介：钱振宇（1968-），男，江苏无锡人，无锡地铁集团有限公司高级工程师，研究方向：技术管理。