LTE技术在城市轨道交通中的发展研究

摘要：目前，LTE技术因其大带宽、高稳定性以及良好的兼容性，已被广泛应用于各个地铁项目中，主要作为车地无线通信的综合承载网，本文以南京地铁所使用的LTE系统为例，从系统架构方面对其进行了深入分析，明确其在地铁中的发展和变化。

关键字：LTE;核心网;综合承载网

近年来，全国城市轨道交通事业发展迅速，至2020年全国将有近50个城市拥有地铁和轻轨系统。城市轨道交通的快速发展也带动了城轨技术的不断革新和进步。目前在地铁应用多年的陆上集群无线电TETRA技术已无法满足当前日渐丰富的需求。用户不但需要传输语音和数据，同时也要实时查看图像和视频，这就需要更大的带宽和速率。而LTE技术刚好能满足以上需求，并且其在移动领域的成绩有目共睹，安全性、稳定性和良好的用户体验均符合城轨当前需求，因此，LTE系统正在逐步覆盖城市轨道交通领域。与此同时，2016年由中国城市轨道交通协会技术装备专业委员会牵头编制的《LTE-M系统总体架构及系统功能规范》正式发布，该规范明确规定了城市轨道交通可用的LTE频段资源、综合承载业务范畴、组网结构等关键信息，极大程度上解决了与运营商等的冲突，使为LTE系统在城市轨道交通中的应用提供了便利。本文以南京地铁三条采用LTE系统作为综合承载网的线路为例，从系统组网结构层面对其发展进行了相关研究。

1.LTE技术在南京地铁的应用

南京地铁的S9号线（宁高城际）、S6号线（宁句城际）和7号线均采用LTE-M系统作为车地综合承载网，主要承载了信号CBTC（基于通信的列车控制系统）业务、车载PIS（乘客信息系统）业务、车载视频监控业务、集群语音业务、列车紧急文本下发业务及车辆TCMS（列车运行状态监视）业务等，为信号、车辆、通信等专业车地无线通信提供了一个统一的传输平台。在系统整体结构方面，三条线均采用A、B双网冗余组网，且A网和B网相互独立，互不干扰，并行传递数据，A网由计算机网络自行组网，B网则经相应传输设备组网，一旦一个网络发生异常，另一个网络可无缝对接，实现零延迟切换。最后，在频段资源使用上面，三条线所使用的频率资源均为LTE-M规范定义的1.8GHz频段（1785-1805MHz），其中A网分配5MHz带宽，B网分配15MHz带宽，根据分配的带宽大小我们可以看出，A网一般承担单一关键业务，B网则承担综合业务。

2.系统构成

2.1 南京地铁S9号线LTE系统架构

S9号线是南京地铁首条引入LTE系统的线路，于2017年底正式开通运营，作为首次尝试，LTE系统在S9号线仅作为综合承载平台，其无线集群功能并未得到彻底的应用。

整体系统架构是基于IP的扁平化网络架构（见图2-1），系统结构共分为四层，分别为终端层、接入层、核心層和应用层。其中终端层包括相关车载设备，如车载天线、车载TAU、车载交换机及车载摄像机等，用于将接收到的无线信号分解后传送至各系统相应的设备中，同时也会将相关信息上传至车站BBU设备。接入层是由车站BBU、RRU、交换设备及区间漏缆等组成，主要用于实现车站、车场及区间无线信号的覆盖，同时起到上传下达的作用，同时区间无线信号的覆盖采用与TETRA系统共用漏缆的方式，上下行分别铺设一根漏缆，通过合路器将TETRA信号与LTE A、B网信号合为一路接入区间漏缆。核心层设备是整个系统的中枢，在整个系统中最为关键和重要，主要负责整体网络数据处理、控制及交互，该层设备由核心网设备、中心交换机等构成。此外，由于线路只有一座控制中心，所以A、B网核心网设备均放置在一个机房内。最后一层是应用层，是由所接入的业务后端设备构成，用于将其所需传递的信息送入LTE核心网设备。

在业务分配方面，A网承载了信号CBTC业务和车辆TCMS业务，B网是所有业务的综合承载网，这里考虑到信号CBTC和车辆TCMS业务的重要性，特别将这两个业务都配置在A、B网，确保其可靠性和稳定性要求。

2.2  南京地铁S6号线LTE系统架构

S6号线是南京第一条跨市域地铁，连接了南京与句容两个城市，于2018年12月正式开工，计划于2021年底通车。S6号线LTE系统整体结构与S9号线基本相同，但在区间无线信号覆盖和A、B网业务分配方面均有改动。首先是区间无线信号覆盖方面，S6号线单侧区间设置两根漏缆，A、B网信号与TETRA信号通过合路器合并为一路后分别引入区间两根漏缆，两根漏缆信号强度一致，这样两根漏缆不但可以作为互备，同时对于高架站来说可增强信号辐射强度，进而确保接收信号的稳定性。其次在承载业务方面，S6号线除信号CBTC业务由A网和B网共同承载外，其余业务全部由B网独立承载（见图2-2）。

2.3 南京地铁7号线LTE系统架构

7号线是南京地铁首条全自动无人驾驶线路，于2017年底开工，计划于2022年通车。线路总长35.49Km，设一座车辆段和一座停车场，因为是无人驾驶线路，为了进一步提高各系统的安全性和可靠性，同时设置两座控制中心，两处控制中心设备均为热备份，这样即使主用控制中心瘫痪，备用控制中心也能立刻顶上，极大的降低了各系统设备中断的可能。

7号线LTE系统结构与S6号线和S9号线整体层级结构一致，但核心网设备配置有所不同，因为是双控制中心设置，且考虑到无人驾驶系统对于信息传输可靠性和稳定性要求，7号线LTE系统在A、B网的基础上另外又增加了一套B网备用网，即A网、B网与B备的结构，其中B网主用设置在主用控制中心，A网和B网备用设置在备用控制中心，A网与B网主用同传数据，相互独立，互不干扰，而B网主用与备用互为冷备份，即存在切换延时。这种架构可保证控制中心失电的突发状况下可继续保持车地无线通信的顺畅，进一步确保运营的可靠性。

在承载业务方面，7号线与S6号线A、B网业务分配规则一致，但在区间无线信号覆盖方面，7号线单侧区间也铺设了两根漏缆，一根漏缆承载A网与TETRA合路的无线信号，另一根漏缆则单独承载B网信号（见图2-3）。

3.LTE系统架构的对比分析

通过对S9号线、S6号线和7号线LTE系统架构的概述，我们可以看到三条线LTE系统组网结构并非完全相同，具体表现为以下几个方面。

系统整体架构在不断调整。三条线的组网结构虽然大体看似一致，保持A、B网双网冗余结构，但7号线LTE整体已变为A网、B主与B备的结构，在原有热备份的基础上又增加一级冷备份，与S6号线和S9号线相比网络安全性更高。

区间无线信号覆盖方式不同。从S9号线采用单根漏缆覆盖区间到S6号线和7号线采用两根漏缆覆盖区间，从A网、B网和TETRA信号合为一路接入区间，到A网与B网信号分开接入，LTE区间信号覆盖方式在不断调整，每次调整都是根据线路特点和不同需求而变化。

A/B网业务分配不同。由于对于业务优先级设定不同，三条线对于A网和B网承载的具体业务分配均有所不同。

根据上述，我们可以看到LTE系统在南京地铁中应用的三个阶段，即尝试阶段、运用阶段和创新阶段，这三个阶段同时也代表了LTE系统在地铁中的发展过程。总体来说，LTE系统进入南京地铁后一直随着地铁的需求而不断改进。

4.結语

通过对LTE系统在南京地铁三条线的组网结构的分析和对比，我们可以看到LTE系统整体架构的可塑性很强，可根据不同线路需求而改变，并且LTE系统稳定性较强，冗余结构的A/B双网配置，极大地提高了系统使用的安全性，同时LTE系统还可与无人驾驶技术相结合使用，为无人驾驶系统提供可靠、稳定的无线网络传输通道，相信未来LTE系统会在地铁中应用越来越广泛。

参考文献：

[1]. 中城装备[2016]009号. 关于发布《城市轨道交通车地 综合通信系统（LTE-M）规范》中7个子规范的通知[S]. 2016

[2]. 基于LTE（长期演进）技术的城市轨道交通车地通信方案研究[J].王喜军.城市轨道交通研究.2016（S2）

[3]. LTE在城市轨道交通智慧运维系统中的应用[J]. 戴克平，白龙.铁道通信信号.2017（05）

[4]. LTE在城市轨道交通智慧运维系统中的应用[J]. 戴克平，白龙.铁道通信信号.2017（05）

作者简介：

杨惠龙，1984年2月，江苏南京，工程硕士学位，工程师，注册安全工程师，城市轨道交通通信技术、城市轨道交通安全质量管理

南京地铁运营有限责任公司  江苏省南京市  210000