簡議基于LTE技術的城市軌道交通綜合承載業(yè)務需求分析論文
目前城軌交通車-地通信數(shù)據(jù)業(yè)務主要采用IEEE802.11系列無線局域網(wǎng)技術，受該技術標準和政策的限制，存在發(fā)射功率低、運行速度受限、干擾源多等因素，導致行車指揮業(yè)務受到影響，同時PIS系統(tǒng)圖像出現(xiàn)不連續(xù)和馬賽克的問題。因此，軌道交通一直在尋求采用新技術來提高車-地通信的穩(wěn)定性和帶寬，實現(xiàn)更好的車-地間數(shù)據(jù)傳輸。本文主要分析數(shù)據(jù)業(yè)務承載的需求及綜合承載的可行性。
1LTE技術特點
LTE(LongTermEvolution)移動通信技術的目標，是建立一個高傳輸速率、低時延、支持增強型多媒體廣播組播業(yè)務(e-MBMS)、基于包優(yōu)化的、可演進的無線接入架構。因此LTE系統(tǒng)采用接近于全IP化的、扁平化的網(wǎng)絡結構，集成適用于寬帶移動通信傳輸?shù)谋姸嘞冗M技術，如正交頻分復用(OFDM)、多輸入多輸出(MIMO)、混合自動重傳請求(HARQ)、自適應調制編碼(AMC)、小區(qū)間干擾協(xié)調(ICIC)等，有效提高數(shù)據(jù)速率、頻譜效率和抗干擾性，提供綜合業(yè)務承載的優(yōu)先級調度和高速移動性支持，并通過抗干擾技術和安全機制保證無線數(shù)據(jù)業(yè)務的安全可靠傳輸。LTE的主要特點如下。
1.頻譜帶寬部署靈活。LTE具備頻譜申請靈活、上下行資源可調配的特點，可根據(jù)業(yè)務需要靈活配置上下行業(yè)務比例。系統(tǒng)支持1.4，3，5，10，15，20MHz帶寬，同時支持在成對和非成對頻段上部署。根據(jù)LTE網(wǎng)絡承載的業(yè)務量可選擇支持相應頻譜帶寬的LTE設備。
2.移動接入性強。采用自動頻率校正，確保高速移動(350km/h)場景下的無線鏈路質量，和優(yōu)良的寬帶接入能力;接入速度快，終端從空閑狀態(tài)到激活狀態(tài)延遲時間小于100ms。
3.抗干擾能力強。城軌領域可申請行業(yè)專用頻段進行網(wǎng)絡建設，相對于采用開放頻段的WIFI系統(tǒng)，可規(guī)避外部干擾。
4.QoS機制。LTE系統(tǒng)QCI定義了9級，針對城市軌道交通多種生產業(yè)務，可分配不同的QoS優(yōu)先級，以保證重要業(yè)務優(yōu)先獲得網(wǎng)絡資源的分配，從而進行多種業(yè)務的綜合承載。
截至2014年9月，112個國家完成了331個LTE網(wǎng)絡商用部署。TD-LTE全球累計用戶數(shù)接近1000萬。中國移動TD-LTE網(wǎng)絡已在2013年底正式商用。從當前商用情況來看，產業(yè)現(xiàn)狀已經(jīng)成熟，網(wǎng)絡覆蓋、連續(xù)覆蓋與切換等性能指標都已達到預期要求。目前國內進行TD-LTE產品研發(fā)生產的廠家主要有華為、中興、54所/鼎橋、普天等，這些廠家均能提供成熟的商用產品。
2綜合承載業(yè)務需求分析
2.1業(yè)務信息
當前城市軌道交通生產業(yè)務信息，主要有基于通信的列車控制系統(tǒng)(CBTC)業(yè)務信息、PIS緊急文本信息、列車實時狀態(tài)信息、車載CCTV監(jiān)控圖像信息和PIS圖像信息。
1.CBTC業(yè)務信息。列車間距及速度防護、列車自動運行與調度，是城市軌道交通自動化系統(tǒng)中的關鍵部分，CBTC系統(tǒng)車-地傳輸數(shù)據(jù)主要有列車位置、運行控制、移動授權等信息。該業(yè)務應用層要求實時數(shù)據(jù)低速的可靠傳輸;控制層要求最高優(yōu)先級的低速邏輯通道;通道層要求獨立、高可靠性及冗余的信道。
2.PIS緊急文本信息。PIS緊急文本信息用于通知乘客列車運營信息或其他緊急信息，如某車站通過不停車等。該業(yè)務應用層要求實時數(shù)據(jù)低速的可靠傳輸;控制層要求最高優(yōu)先級的低速邏輯通道;通道層要求獨立、高可靠性及冗余的信道。
3.列車運行狀態(tài)監(jiān)測信息。列車運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)主要是通過傳感器采集電流、電壓、軸溫，以及車下轉向架、車輛一/二系懸掛系統(tǒng)、發(fā)動機、制動器等設備的關鍵參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳送到地面監(jiān)測中心，地面監(jiān)測中心通過對數(shù)據(jù)進行集中處理和分析，實現(xiàn)對列車運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和遠程故障診斷功能。該業(yè)務應用層要求低速數(shù)據(jù)的可靠傳輸;控制層要求最高優(yōu)先級的低速邏輯通道;通道層要求小容量、上行信道。
4.車載CCTV監(jiān)控圖像信息。CCTV系統(tǒng)用于車內情況的視頻監(jiān)視，并為應急調度指揮提供實時的車內高清動態(tài)圖像信息。CCTV車-地傳輸數(shù)據(jù)主要為視頻信息。該業(yè)務應用層要求海量的實時視頻數(shù)據(jù)傳輸、帶寬要求上行遠大于下行及流媒體形式的錄像回放;控制層要求實時視頻數(shù)據(jù)優(yōu)先級高、小區(qū)切換不丟包、限制錄像回放帶寬;通道層要求大帶寬、高質量的實時數(shù)據(jù)通道，減少重傳，降低時延。
5.PIS圖像信息。本信息用于列車車廂內資訊發(fā)布、乘客指引信息的視頻展播。PIS系統(tǒng)車-地傳輸數(shù)據(jù)主要為視頻信息。該業(yè)務應用層要求直播(廣播)為主、錄播(點播)為輔，錄播要考慮批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捓眯?控制層要求廣播數(shù)據(jù)優(yōu)先級高、小區(qū)切換不丟包、限制錄播數(shù)據(jù)帶寬、以組播點播結合的方式進行節(jié)目數(shù)據(jù)傳送;通道層要求高傳輸質量的廣播通道、組播通道。
2.2綜合承載的必要性
基于LTE技術的城市軌道交通綜合承載系統(tǒng)優(yōu)勢，可提高無線電頻譜的利用率;可以通過QoS進行優(yōu)先級設定，保證等級高的業(yè)務優(yōu)先傳遞;減少不同廠商或規(guī)格的硬件設備，減少系統(tǒng)隱患，提高系統(tǒng)可靠性;縮短建設周期，降低投資成本;減少設備投入運行后的維護費用，節(jié)約設備檢修時間;擴展性良好，預留充足的接口，為不斷涌現(xiàn)的新業(yè)務需求提供傳輸通道。
因此，建立基于LTE技術的城市軌道交通綜合承載系統(tǒng)，可對在線列車的車-地通信通道進行實時監(jiān)視、動態(tài)需求分配及應急處理，并對車-地無線傳輸通道的資源統(tǒng)籌、可控性、可維護性和業(yè)務可擴展性有重大的促進作用。而且，還提高了城市軌道交通安全運營的保障系數(shù)，提高了軌道交通運輸管理水平和服務水平，促進了產業(yè)良性發(fā)展。在列車運行狀態(tài)下滿足實時、寬帶、穩(wěn)定，具有服務質量(QoS)保障的生產業(yè)務需求。
2.3性能要求和帶寬需求
2.3.1CBTC系統(tǒng)應用需求
CBTC系統(tǒng)車-地通信無線應覆蓋城市軌道交通正線(含折返線、聯(lián)絡線)、出入段/場線、段/場咽喉區(qū)、段/場車庫內、試車線。CBTC系統(tǒng)地面設備對列車傳輸?shù)男畔ǎ阂苿邮跈唷⑾匏傩畔�、列車識別號、運營調整指令等信息。列車對CBTC系統(tǒng)地面設備傳輸?shù)男畔ǎ毫熊囓嚱M號、屏蔽門開/關命令、本列車的定位信息、本列車的速度信息等。CBTC系統(tǒng)中車-地通信的傳輸性能指標如下。
1.車載無線單元與基站需要進行認證授權，通過后才能進行關聯(lián)，并且對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密，加密密鑰不少于128位。
2.應實現(xiàn)不高于200km/h運行速度下車-地實時雙向通信的要求。
3.無線覆蓋范圍內，任意地點都應實現(xiàn)A/B雙網(wǎng)覆蓋，且雙網(wǎng)中同一時刻至少有一個無線網(wǎng)絡無中斷。
4.CBTC系統(tǒng)無線網(wǎng)絡試車線部分與其他部分應隔離。
5.整條線路每列車單網(wǎng)傳輸速率不低于1000kb/s，上下行各500kb/s。
6.車-地通信單網(wǎng)絡信息的丟包率應小于1%。
7.車-地通信單網(wǎng)絡信息的誤碼率小于或等于10-6。
8.車-地通信單網(wǎng)絡的.越區(qū)切換時間應在150ms。
9.車-地通信信息經(jīng)有線和無線網(wǎng)絡傳輸延遲時間應小于150ms。
2.3.2PIS緊急文本應用需求
PIS緊急文本信息由播控中心下發(fā)，在車載PIS顯示屏上實時顯示，待緊急信息解除時，車載PIS給控制中心傳送取消指令。其車-地傳輸性能指標如下。
1.PIS緊急文本單網(wǎng)傳輸速率不低于200kb/s，上下行各100kb/s。
2.無線覆蓋范圍內，雙網(wǎng)傳輸，且雙網(wǎng)中同一時刻至少有一個無線網(wǎng)絡無中斷。
3.車-地通信單網(wǎng)絡信息的傳輸時延應小于300ms。
4.車-地通信單網(wǎng)絡信息的丟包率應小于1%。
2.3.3列車運行實時狀態(tài)應用需求
列車運行狀態(tài)監(jiān)測包含信息采集、信息傳輸、信息顯示、信息處理和分析以及信息發(fā)布等5個環(huán)節(jié)，子系統(tǒng)的設計上應盡量做到信息獲取準確、信息傳輸途徑共用、信息利用的關聯(lián)，并隨系統(tǒng)的具體情況形成具有適合信息更新速度的回路，進而做到安全投入的效益優(yōu)化。列車運行實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中車-地通信的傳輸性能指標如下。
1.單向傳輸：即只有列車到地面的上行傳輸，而沒有地面到列車的下行傳輸。
2.傳輸速率：列車運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的采集量有1500個開關量，每個1bit;500個模擬量，每個2Byte。這樣一次采集的信息量為9.5kbit，采集周期為300ms一次，按每秒4次計算，傳輸速率為38kb/s。考慮一定的信息傳輸余量，需要傳輸速率為100kb/s。
3.車-地通信網(wǎng)絡信息的傳輸延遲時間應小于300ms。
4.車-地通信網(wǎng)絡信息的丟包率應小于1%。
2.3.4車載CCTV視頻監(jiān)控應用需求
車載CCTV視頻監(jiān)控將車載視頻監(jiān)控圖像上傳到控制中心。在不同的場景其帶寬需求不同。
1.在正常情況下，正線全線需向中心上傳2路客室監(jiān)控圖像信息，帶寬為4Mb/s(上行信息)。
2.列車�？吭谲囕v基地時，控制中心可同時調取4路客室監(jiān)控圖像，帶寬4Mb/s(上行信息)。
3.車-地通信網(wǎng)絡信息傳輸時延應小于300ms。
4.車-地通信網(wǎng)絡信息的丟包率應小于1%。
2.3.5PIS圖像系統(tǒng)應用需求
PIS系統(tǒng)需將播控中心下發(fā)的播放節(jié)目，如行車信息、新聞廣播、旅行指南、換乘信息、在線廣告等便民信息在車載PIS顯示屏上實時顯示。
1.采用標清圖像質量，每列車業(yè)務信息承載帶寬為下行2Mb/s。
2.在正常情況下，無線小區(qū)內有2列車，PIS圖像下發(fā)的帶寬需求為4Mb/s(下行信息)。
3.若采用高清(1080P)圖像質量預設業(yè)務信道帶寬，則每路圖像帶寬為下行4～6Mb/s。
4.車-地通信單網(wǎng)絡信息時延<300ms。
5.車-地通信單網(wǎng)絡信息的丟包率應小于1%。
3服務質量(QoS)
LTE系統(tǒng)實現(xiàn)9個調度優(yōu)先級，并且按照預定義的可能承載業(yè)務類型，對應不同的服務質量(延時、丟包等)要求，定義了9個QCI(服務質量類別標識)，系統(tǒng)根據(jù)QCI對應的優(yōu)先級進行資源分配和調度，其優(yōu)先級越小則優(yōu)先保障資源分配和調度。系統(tǒng)可以根據(jù)不同業(yè)務的優(yōu)先級和服務質量(延時、丟包等)要求，進行不同的參數(shù)配置，并映射到不同的QCI類別上，以保障不同業(yè)務的優(yōu)先級別。
根據(jù)城市軌道交通生產業(yè)務的不同要求，結合LTE對優(yōu)先級和服務質量分類，將各生產業(yè)務的優(yōu)先級和服務質量(延時、丟包等)定義。
通過給不同的業(yè)務劃分不同的優(yōu)先級，可以保證CBTC業(yè)務和PIS緊急文本信息等高優(yōu)先級業(yè)務優(yōu)先傳輸及服務質量(延時、丟包等)，在此基礎上再進行其他業(yè)務的調度傳輸，而且LTE標準中規(guī)定的指標完全能夠滿足且優(yōu)于生產業(yè)務的指標要求。
4結束語
采用LTE技術，完全能夠滿足城市軌道交通主要生產業(yè)務的車-地通信數(shù)據(jù)和圖像業(yè)務需求，即基于LTE技術承載CBTC業(yè)務信息、PIS緊急文本信息、列車運行實時狀態(tài)監(jiān)測、車載CCTV監(jiān)控圖像信息、PIS圖像信息等綜合業(yè)務。在建設LTE網(wǎng)絡時，根據(jù)各業(yè)務性能和帶寬需求，申請足夠的頻譜資源，同時綜合考慮全線業(yè)務、本小區(qū)和鄰小區(qū)中的業(yè)務，合理規(guī)劃、預留發(fā)展(如支持車-地語音集群業(yè)務)，以滿足軌道交通綜合承載業(yè)務的需求，保障安全運營。
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