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簡議基于LTE技術(shù)的城市軌道交通綜合承載業(yè)務(wù)需求分析的論文
目前城軌交通車-地通信數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主要采用IEEE802.11系列無線局域網(wǎng)技術(shù)，受該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和政策的限制，存在發(fā)射功率低、運(yùn)行速度受限、干擾源多等因素，導(dǎo)致行車指揮業(yè)務(wù)受到影響，同時(shí)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(shù)來提高車-地通信的穩(wěn)定性和帶寬，實(shí)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(wù)承載的需求及綜合承載的可行性。
1LTE技術(shù)特點(diǎn)
LTE(LongTermEvolution)移動(dòng)通信技術(shù)的目標(biāo)，是建立一個(gè)高傳輸速率、低時(shí)延、支持增強(qiáng)型多媒體廣播組播業(yè)務(wù)(e-MBMS)、基于包優(yōu)化的、可演進(jìn)的無線接入架構(gòu)。因此LTE系統(tǒng)采用接近于全I(xiàn)P化的、扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，集成適用于寬帶移動(dòng)通信傳輸?shù)谋姸嘞冗M(jìn)技術(shù)，如正交頻分復(fù)用(OFDM)、多輸入多輸出(MIMO)、混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求(HARQ)、自適應(yīng)調(diào)制編碼(AMC)、小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)(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(wù)承載的優(yōu)先級(jí)調(diào)度和高速移動(dòng)性支持，并通過抗干擾技術(shù)和安全機(jī)制保證無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的安全可靠傳輸。LTE的主要特點(diǎn)如下。
1.頻譜帶寬部署靈活。LTE具備頻譜申請(qǐng)靈活、上下行資源可調(diào)配的特點(diǎn)，可根據(jù)業(yè)務(wù)需要靈活配置上下行業(yè)務(wù)比例。系統(tǒng)支持1.4，3，5，10，15，20MHz帶寬，同時(shí)支持在成對(duì)和非成對(duì)頻段上部署。根據(jù)LTE網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)量可選擇支持相應(yīng)頻譜帶寬的LTE設(shè)備。
2.移動(dòng)接入性強(qiáng)。采用自動(dòng)頻率校正，確保高速移動(dòng)(350km/h)場景下的無線鏈路質(zhì)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(shí)間小于100ms。
3.抗干擾能力強(qiáng)。城軌領(lǐng)域可申請(qǐng)行業(yè)專用頻段進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，相對(duì)于采用開放頻段的WIFI系統(tǒng)，可規(guī)避外部干擾。
4.QoS機(jī)制。LTE系統(tǒng)QCI定義了9級(jí)，針對(duì)城市軌道交通多種生產(chǎn)業(yè)務(wù)，可分配不同的QoS優(yōu)先級(jí)，以保證重要業(yè)務(wù)優(yōu)先獲得網(wǎng)絡(luò)資源的分配，從而進(jìn)行多種業(yè)務(wù)的綜合承載。
截至2014年9月，112個(gè)國家完成了331個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)商用部署。TD-LTE全球累計(jì)用戶數(shù)接近1000萬。中國移動(dòng)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)已在2013年底正式商用。從當(dāng)前商用情況來看，產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀已經(jīng)成熟，網(wǎng)絡(luò)覆蓋、連續(xù)覆蓋與切換等性能指標(biāo)都已達(dá)到預(yù)期要求。目前國內(nèi)進(jìn)行TD-LTE產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)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(chǎn)品。
2綜合承載業(yè)務(wù)需求分析
2.1業(yè)務(wù)信息
當(dāng)前城市軌道交通生產(chǎn)業(yè)務(wù)信息，主要有基于通信的列車控制系統(tǒng)(CBTC)業(yè)務(wù)信息、PIS緊急文本信息、列車實(shí)時(shí)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(wù)信息。列車間距及速度防護(hù)、列車自動(dòng)運(yùn)行與調(diào)度，是城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，CBTC系統(tǒng)車-地傳輸數(shù)據(jù)主要有列車位置、運(yùn)行控制、移動(dòng)授權(quán)等信息。該業(yè)務(wù)應(yīng)用層要求實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)低速的可靠傳輸;控制層要求最高優(yōu)先級(jí)的低速邏輯通道;通道層要求獨(dú)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(yùn)營信息或其他緊急信息，如某車站通過不停車等。該業(yè)務(wù)應(yīng)用層要求實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)低速的可靠傳輸;控制層要求最高優(yōu)先級(jí)的低速邏輯通道;通道層要求獨(dú)立、高可靠性及冗余的信道。
3.列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測信息。列車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)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(zhuǎn)向架、車輛一/二系懸掛系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器等設(shè)備的關(guān)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和遠(yuǎn)程故障診斷功能。該業(yè)務(wù)應(yīng)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(jí)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(nèi)情況的視頻監(jiān)視，并為應(yīng)急調(diào)度指揮提供實(shí)時(shí)的車內(nèi)高清動(dòng)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(wù)應(yīng)用層要求海量的實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)傳輸、帶寬要求上行遠(yuǎn)大于下行及流媒體形式的錄像回放;控制層要求實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)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(zhì)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通道，減少重傳，降低時(shí)延。
5.PIS圖像信息。本信息用于列車車廂內(nèi)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(wù)應(yīng)用層要求直播(廣播)為主、錄播(點(diǎn)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(jí)高、小區(qū)切換不丟包、限制錄播數(shù)據(jù)帶寬、以組播點(diǎn)播結(jié)合的方式進(jìn)行節(jié)目數(shù)據(jù)傳送;通道層要求高傳輸質(zhì)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(shù)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(jìn)行優(yōu)先級(jí)設(shè)定，保證等級(jí)高的業(yè)務(wù)優(yōu)先傳遞;減少不同廠商或規(guī)格的硬件設(shè)備，減少系統(tǒng)隱患，提高系統(tǒng)可靠性;縮短建設(shè)周期，降低投資成本;減少設(shè)備投入運(yùn)行后的維護(hù)費(fèi)用，節(jié)約設(shè)備檢修時(shí)間;擴(kuò)展性良好，預(yù)留充足的接口，為不斷涌現(xiàn)的新業(yè)務(wù)需求提供傳輸通道。
因此，建立基于LTE技術(shù)的城市軌道交通綜合承載系統(tǒng)，可對(duì)在線列車的車-地通信通道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、動(dòng)態(tài)需求分配及應(yīng)急處理，并對(duì)車-地?zé)o線傳輸通道的資源統(tǒng)籌、可控性、可維護(hù)性和業(yè)務(wù)可擴(kuò)展性有重大的促進(jìn)作用。而且，還提高了城市軌道交通安全運(yùn)營的保障系數(shù)，提高了軌道交通運(yùn)輸管理水平和服務(wù)水平，促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展。在列車運(yùn)行狀態(tài)下滿足實(shí)時(shí)、寬帶、穩(wěn)定，具有服務(wù)質(zhì)量(QoS)保障的生產(chǎn)業(yè)務(wù)需求。
2.3性能要求和帶寬需求
2.3.1CBTC系統(tǒng)應(yīng)用需求
CBTC系統(tǒng)車-地通信無線應(yīng)覆蓋城市軌道交通正線(含折返線、聯(lián)絡(luò)線)、出入段/場線、段/場咽喉區(qū)、段/場車庫內(nèi)、試車線。CBTC系統(tǒng)地面設(shè)備對(duì)列車傳輸?shù)男畔ǎ阂苿?dòng)授權(quán)、限速信息、列車識(shí)別號(hào)、運(yùn)營調(diào)整指令等信息。列車對(duì)CBTC系統(tǒng)地面設(shè)備傳輸?shù)男畔ǎ毫熊囓嚱M號(hào)、屏蔽門開/關(guān)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(biāo)如下。
1.車載無線單元與基站需要進(jìn)行認(rèn)證授權(quán)，通過后才能進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并且對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密，加密密鑰不少于128位。
2.應(yīng)實(shí)現(xiàn)不高于200km/h運(yùn)行速度下車-地實(shí)時(shí)雙向通信的要求。
3.無線覆蓋范圍內(nèi)，任意地點(diǎn)都應(yīng)實(shí)現(xiàn)A/B雙網(wǎng)覆蓋，且雙網(wǎng)中同一時(shí)刻至少有一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)無中斷。
4.CBTC系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)試車線部分與其他部分應(yīng)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(luò)信息的丟包率應(yīng)小于1%。
7.車-地通信單網(wǎng)絡(luò)信息的誤碼率小于或等于10-6。
8.車-地通信單網(wǎng)絡(luò)的越區(qū)切換時(shí)間應(yīng)在150ms。
9.車-地通信信息經(jīng)有線和無線網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲時(shí)間應(yīng)小于150ms。
2.3.2PIS緊急文本應(yīng)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(shí)時(shí)顯示，待緊急信息解除時(shí)，車載PIS給控制中心傳送取消指令。其車-地傳輸性能指標(biāo)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(nèi)，雙網(wǎng)傳輸，且雙網(wǎng)中同一時(shí)刻至少有一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)無中斷。
3.車-地通信單網(wǎng)絡(luò)信息的傳輸時(shí)延應(yīng)小于300ms。
4.車-地通信單網(wǎng)絡(luò)信息的丟包率應(yīng)小于1%。
2.3.3列車運(yùn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)應(yīng)用需求
列車運(yùn)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(gè)環(huán)節(jié)，子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量做到信息獲取準(zhǔn)確、信息傳輸途徑共用、信息利用的關(guān)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(jìn)而做到安全投入的效益優(yōu)化。列車運(yùn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中車-地通信的傳輸性能指標(biāo)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(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的采集量有1500個(gè)開關(guān)量，每個(gè)1bit;500個(gè)模擬量，每個(gè)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(jì)算，傳輸速率為38kb/s�？紤]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(luò)信息的傳輸延遲時(shí)間應(yīng)小于300ms。
4.車-地通信網(wǎng)絡(luò)信息的丟包率應(yīng)小于1%。
2.3.4車載CCTV視頻監(jiān)控應(yīng)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(shí)，控制中心可同時(shí)調(diào)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(luò)信息傳輸時(shí)延應(yīng)小于300ms。
4.車-地通信網(wǎng)絡(luò)信息的丟包率應(yīng)小于1%。
2.3.5PIS圖像系統(tǒng)應(yīng)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(shí)時(shí)顯示。
1.采用標(biāo)清圖像質(zhì)量，每列車業(yè)務(wù)信息承載帶寬為下行2Mb/s。
2.在正常情況下，無線小區(qū)內(nèi)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(zhì)量預(yù)設(shè)業(yè)務(wù)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(luò)信息時(shí)延<300ms。
5.車-地通信單網(wǎng)絡(luò)信息的丟包率應(yīng)小于1%。
3服務(wù)質(zhì)量(QoS)
LTE系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)9個(gè)調(diào)度優(yōu)先級(jí)，并且按照預(yù)定義的可能承載業(yè)務(wù)類型，對(duì)應(yīng)不同的服務(wù)質(zhì)量(延時(shí)、丟包等)要求，定義了9個(gè)QCI(服務(wù)質(zhì)量類別標(biāo)識(shí))，系統(tǒng)根據(jù)QCI對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行資源分配和調(diào)度，其優(yōu)先級(jí)越小則優(yōu)先保障資源分配和調(diào)度。系統(tǒng)可以根據(jù)不同業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)和服務(wù)質(zhì)量(延時(shí)、丟包等)要求，進(jìn)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(wù)的優(yōu)先級(jí)別。
根據(jù)城市軌道交通生產(chǎn)業(yè)務(wù)的不同要求，結(jié)合LTE對(duì)優(yōu)先級(jí)和服務(wù)質(zhì)量分類，將各生產(chǎn)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)和服務(wù)質(zhì)量(延時(shí)、丟包等)定義。
通過給不同的業(yè)務(wù)劃分不同的優(yōu)先級(jí)，可以保證CBTC業(yè)務(wù)和PIS緊急文本信息等高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)優(yōu)先傳輸及服務(wù)質(zhì)量(延時(shí)、丟包等)，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行其他業(yè)務(wù)的調(diào)度傳輸，而且LTE標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的指標(biāo)完全能夠滿足且優(yōu)于生產(chǎn)業(yè)務(wù)的指標(biāo)要求。
4結(jié)束語
采用LTE技術(shù)，完全能夠滿足城市軌道交通主要生產(chǎn)業(yè)務(wù)的車-地通信數(shù)據(jù)和圖像業(yè)務(wù)需求，即基于LTE技術(shù)承載CBTC業(yè)務(wù)信息、PIS緊急文本信息、列車運(yùn)行實(shí)時(shí)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(wù)。在建設(shè)LTE網(wǎng)絡(luò)時(shí)，根據(jù)各業(yè)務(wù)性能和帶寬需求，申請(qǐng)足夠的頻譜資源，同時(shí)綜合考慮全線業(yè)務(wù)、本小區(qū)和鄰小區(qū)中的業(yè)務(wù)，合理規(guī)劃、預(yù)留發(fā)展(如支持車-地語音集群業(yè)務(wù))，以滿足軌道交通綜合承載業(yè)務(wù)的需求，保障安全運(yùn)營。
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