鼎桥通信助力车地通信跨入LTE-M（4G）综合业务承载新时代
2015-01-05 来源：《世界轨道交通》杂志
本文摘要：对于车地通信面临的挑战，北京市轨道交通安全运营领导小组高度重视，在北京市交通委，科委，经信委领导下，北京市轨道交通建设管理有限公司会同轨道交通指挥中心，北京地铁运营公司，组织北京交通大学，通号院有限公司以及通信和信号的国内主流厂商在LTE基础上共同提出了满足城市轨道交通综合业务需求的车地通信系统（LTE-M），并进行了联合攻关。
随着我国城市化的进程大大加快，城市人口急剧增加，大量流动人口涌进城市，人员出行和物资交流频繁，汽车保持量持续攀高，使城市交通面临着严峻的局势，交通拥堵、空气污染日益严重，影响了城市经济和社会活动的正常秩序。发展大容量、快捷、准点、安全的城市轨道交通已成为我国大中城市的首选，这是对国家战略需求与老百姓出行质量改善要求的积极响应。截至到2013年底，全国19个城市共开通运营城市轨道交通2746公里。北京已开通轨道交通线路465公里、单日最高客流量1145万人次、日均客流量约1000万人次。到2020年，北京将建成轨道交通线路1000km，运营车辆2000列。国内多个城市的轨道交通网络已初具规模，进入网络化阶段，已成为城市公共交通的命脉，在城市运行中发挥着越来越重要的作用。在当前形势下，城市轨道交通运营安全也成为中央到地方各级政府关注的重点。
随着北京轨道交通的快速发展，支撑安全运营的生产业务不断增加，车地通信功能和性能面临挑战：为保证行车安全，信号系统（CBTC）要求使用安全可靠的车地通信；为保证列车运行过程车厢内公共安全和紧急状况应急处置，需要实现所有在线列车车内视频实时回传等。传统的城市轨道交通车地通信通常使用WiFi技术，但WiFi采用公用频段，易受干扰；没有多业务优先级保障机制，不适用于综合承载；高速移动场景带宽的稳定性也无法保障，因此车地通信已经成为了轨道交通发展面临的主要瓶颈之一。
由于公共开放频段不受保护， 2.4GHz的WLAN用户数量激增，干扰源日益复杂，严重影响轨道交通安全运营。另一方面，轨道交通沿线缆线密集，结构复杂、设备多、投资大、运营成本高。为保证城市轨道交通运营安全，迫切需要整合车地无线通信生产业务承载需求，建立基于城市轨道交通专用无线频段的车地通信系统，为城市轨道交通系统的安全、高效运营提供有力支撑。
LTE-M综合业务承载解决方案匹配轨道交通需求
对于车地通信面临的挑战，北京市轨道交通安全运营领导小组高度重视，在北京市交通委，科委，经信委领导下，北京市轨道交通建设管理有限公司会同轨道交通指挥中心，北京地铁运营公司，组织北京交通大学，通号院有限公司以及通信和信号的国内主流厂商在LTE基础上共同提出了满足城市轨道交通综合业务需求的车地通信系统（LTE-M），并进行了联合攻关。
LTE-M 是针对轨道交通安全运营综合业务需求定制的专用通信系统，全网配置完全冗余，能够确保单点故障下信号系统安全，具有以下特点
高可靠的抗干扰能力。LTE有着系统的抗干扰设计，可将干扰控制到最低来保证整体网络环境，有效降低网络整体干扰水平。
高效的多业务优先级保障机制。LTE提供9级QoS保障机制，LTE-M针对轨道交通业务进行了定制化优先级匹配，对低优先级业务进行了需求带宽控制。LTE-M无线综合通信系统承载了CBTC业务信息、紧急文本信息、列车运行状态监测信息、车载视频监控信息和乘客信息，根据各业务对可靠性、时延的要求，系统为其分配不同的优先级。在同时传输CBTC、列车状态监测、车载视频监控信息和乘客信息时，高优先级业务带宽保障就能确保高优先级业务，如CBTC业务信息的传输，保障行车安全，提升运营效率。
高速移动下的稳定传输LTE在设计上已考虑了高速移动场景，通过自动频率控制改善无线链路的稳定性，提升高速场景下的传输稳定性，能够满足每小时200公里高速移动场景下列车车地通信传输要求。
因此LTE-M具有多业务综合承载的能力，完全匹配轨道交通多种业务的要求，具有施工简便、安全和性价比高等特点。
鼎桥通信系统LTE-M综合业务承载的验证
成都鼎桥通信技术有限公司作为LTE通信设备的主要厂商参与了北京地铁组织的整个攻关过程的测试与探讨，在2014年3月到10月半年的过程中，主要经历了以下三个阶段：
实验室测试阶段
2014年3月31日，由通号设计院发布了城市轨道交通综合承载需求大纲，交大和通号设计院制定了实验室测试规范（征求意见稿）。
2014年4月15日，北京交大、通号设计院、通信厂家和信号厂家共同讨论确定了实验室测试规范，正式开始基于TD-LTE的轨道交通生产业务综合承载实验室测试，测试内容包含列车状态信息静态测试、传输时延测试、丢包性能测试、切换延时性能测试、切换丢包性能测试等多项内容，到5月20日测试结束。
测试结果表明，鼎桥的LTE设备测试数据满足轨道交通CBTC系统、列车运行状态监测、CCTV和PIS系统等生产业务综合承载的需求。实验室测试的具体测试结果如下：
5MHz带宽能够同时承载CBTC、紧急文本、列车运行状态监测、2路1Mbps速率监控图像、1路2Mbps速率PIS视频；10MHz带宽能够同时承载CBTC、紧急文本、列车运行状态监测、2路2Mbps速率监控图像、1路4Mbps速率PIS视频；15MHz带宽时能够同时承载CBTC、紧急文本、列车运行状态监测、2路2Mbps速率监控图像、1路6Mbps速率PIS视频；在越区切换时，LTE系统传输速率会下降，此时需要降低CCTV和PIS系统的速率，但是仍能确保满足CBTC、紧急文本和列车实时状态传输的需求；在进行CBTC、紧急文本、列车实时状态、CCTV和PIS系统综合业务承载时，能够满足CBTC系统的要求，保障城市轨道交通的运营安全和应急处置需要。
试验段测试阶段
为了进一步验证LTE技术运用于城市轨道交通车地综合承载生产业务的可行性，测试基于LTE的车地综合通信系统在实际环境中的性能，判断其是否能够满足当前城市轨道交通车地综合承载生产业务的需求。2014年7月16日，北京交大、通号设计院、通信厂家和信号厂家正式开始基于TD-LTE的轨道交通生产业务综合承载在真实电磁环境和符合工程实施组网环境的环铁桥LTE测试，测试内容包括LTE-M传输性能测试、综合承载传输性能测试、设备稳定性及单网故障性能测试以及极限性能测试等多项内容，全面验证LTE的在实际环境下的可行性，共测试了近一个月时间。
试验段测试地点为中国铁道科学研究院东郊分院的环形铁道试验中心, 试验线正线长8631.419m，高架桥长785m，隧道长925m。试验段LTE车地综合通信系统测试采用两套LTE设备组建A、B网，每个网络均包括了核心网（EPC）、基带处理单元（BBU）、射频拉远单元（RRU）、车载无线终端（TAU）。鼎桥通信总共部署了2套核心网设备，4个BBU设备，18个RRU设备，全线部署两根漏缆进行无线覆盖，网络部署如下图所示：
通过真实环境下的测试证明鼎桥通信的LTE系统完全能满足轨道交通的多业务承载要求，主要数据如下：
传输时延平均小于32ms；切换时延平均小于50ms，切换成功率100%；15MHz频宽下，上行平均吞吐量17Mbps，可实现6路D1视频监控要求，视频清晰、流畅；15MHz频宽下，下行平均吞吐量20Mbps；网络拥塞情况下，可保证CBTC传输的性能要求
LTE-M标准规范研究
鼎桥通信正在积极参与LTE-M标准的推广，LTE-M是基于LTE无线通信技术，根据城市轨道交通生产业务需求，为城市轨道交通的定制LTE系统。LTE-M系统充分考虑了城市轨道交通生产业务可靠性和实时性要求高，综合承载不同优先等级的多业务，通信设备间实现互联互通的需求，并结合LTE网络的优势，形成了系统化、标准化的创新解决方案，为保障城市轨道交通安全运营提供技术支撑，形成了我国在城市轨道交通通信技术和装备方面的优势。
鼎桥LTE系统已完成了实验室和试验段测试并通过了专家评审，测试结果证明：鼎桥通信LTE系统可用于承载轨道交通综合业务，在保障CBTC业务高可靠传输的同时，能够同时满足紧急文本下发和列车实时状态的传输需求，且能为车载视频监控和乘客信息等业务提供有效的传输通道。
LTE-M系统应用于城市轨道交通车地无线通信，对整个轨道交通行业的发展将产生深远的意义，是城市轨道交通车地无线通信发展的重要技术方向，北京地铁率先引入LTE-M技术将引领轨道交通车地无线通信在不久的将来步入全新的LTE-M时代。鼎桥通信作为主要的LTE设备厂家，愿意提供更好的产品和服务，在与LTE-M共同成长，为轨道交通车地通信的高效和安全贡献一份力量。
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