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简议基于LTE技术的城市轨道交通综合承载业务需求分析的论文

  目前城轨交通车-地通信数据业务主要采用IEEE802.11系列无线局域网技术,受该技术标准和政策的限制,存在发射功率低、运行速度受限、干扰源多等因素,导致行车指挥业务受到影响,同时PIS系统图像出现不连续和马赛克的问题。因此,轨道交通一直在寻求采用新技术来提高车-地通信的稳定性和带宽,实现更好的车-地间数据传输。本文主要分析数据业务承载的需求及综合承载的可行性。

  1LTE技术特点

  LTE(LongTermEvolution)移动通信技术的目标,是建立一个高传输速率、低时延、支持增强型多媒体广播组播业务(e-MBMS)、基于包优化的、可演进的无线接入架构。因此LTE系统采用接近于全IP化的、扁平化的网络结构,集成适用于宽带移动通信传输的众多先进技术,如正交频分复用(OFDM)、多输入多输出(MIMO)、混合自动重传请求(HARQ)、自适应调制编码(AMC)、小区间干扰协调(ICIC)等,有效提高数据速率、频谱效率和抗干扰性,提供综合业务承载的优先级调度和高速移动性支持,并通过抗干扰技术和安全机制保证无线数据业务的安全可靠传输。LTE的主要特点如下。

  1.频谱带宽部署灵活。LTE具备频谱申请灵活、上下行资源可调配的特点,可根据业务需要灵活配置上下行业务比例。系统支持1.4,3,5,10,15,20MHz带宽,同时支持在成对和非成对频段上部署。根据LTE网络承载的业务量可选择支持相应频谱带宽的LTE设备。

  2.移动接入性强。采用自动频率校正,确保高速移动(350km/h)场景下的无线链路质量,和优良的宽带接入能力;接入速度快,终端从空闲状态到激活状态延迟时间小于100ms。

  3.抗干扰能力强。城轨领域可申请行业专用频段进行网络建设,相对于采用开放频段的WIFI系统,可规避外部干扰。

  4.QoS机制。LTE系统QCI定义了9级,针对城市轨道交通多种生产业务,可分配不同的QoS优先级,以保证重要业务优先获得网络资源的分配,从而进行多种业务的综合承载。

  截至2014年9月,112个国家完成了331个LTE网络商用部署。TD-LTE全球累计用户数接近1000万。中国移动TD-LTE网络已在2013年底正式商用。从当前商用情况来看,产业现状已经成熟,网络覆盖、连续覆盖与切换等性能指标都已达到预期要求。目前国内进行TD-LTE产品研发生产的厂家主要有华为、中兴、54所/鼎桥、普天等,这些厂家均能提供成熟的商用产品。

  2综合承载业务需求分析

  2.1业务信息

  当前城市轨道交通生产业务信息,主要有基于通信的列车控制系统(CBTC)业务信息、PIS紧急文本信息、列车实时状态信息、车载CCTV监控图像信息和PIS图像信息。

  1.CBTC业务信息。列车间距及速度防护、列车自动运行与调度,是城市轨道交通自动化系统中的关键部分,CBTC系统车-地传输数据主要有列车位置、运行控制、移动授权等信息。该业务应用层要求实时数据低速的可靠传输;控制层要求最高优先级的低速逻辑通道;通道层要求独立、高可靠性及冗余的信道。

  2.PIS紧急文本信息。PIS紧急文本信息用于通知乘客列车运营信息或其他紧急信息,如某车站通过不停车等。该业务应用层要求实时数据低速的可靠传输;控制层要求最高优先级的低速逻辑通道;通道层要求独立、高可靠性及冗余的信道。

  3.列车运行状态监测信息。列车运行状态实时监测系统主要是通过传感器采集电流、电压、轴温,以及车下转向架、车辆一/二系悬挂系统、发动机、制动器等设备的关键参数,并将数据传送到地面监测中心,地面监测中心通过对数据进行集中处理和分析,实现对列车运行状态的实时监测和远程故障诊断功能。该业务应用层要求低速数据的可靠传输;控制层要求最高优先级的低速逻辑通道;通道层要求小容量、上行信道。

  4.车载CCTV监控图像信息。CCTV系统用于车内情况的视频监视,并为应急调度指挥提供实时的车内高清动态图像信息。CCTV车-地传输数据主要为视频信息。该业务应用层要求海量的实时视频数据传输、带宽要求上行远大于下行及流媒体形式的录像回放;控制层要求实时视频数据优先级高、小区切换不丢包、限制录像回放带宽;通道层要求大带宽、高质量的实时数据通道,减少重传,降低时延。

  5.PIS图像信息。本信息用于列车车厢内资讯发布、乘客指引信息的视频展播。PIS系统车-地传输数据主要为视频信息。该业务应用层要求直播(广播)为主、录播(点播)为辅,录播要考虑批量数据传输的带宽利用效率;控制层要求广播数据优先级高、小区切换不丢包、限制录播数据带宽、以组播点播结合的方式进行节目数据传送;通道层要求高传输质量的广播通道、组播通道。

  2.2综合承载的必要性

  基于LTE技术的城市轨道交通综合承载系统优势,可提高无线电频谱的利用率;可以通过QoS进行优先级设定,保证等级高的业务优先传递;减少不同厂商或规格的硬件设备,减少系统隐患,提高系统可靠性;缩短建设周期,降低投资成本;减少设备投入运行后的维护费用,节约设备检修时间;扩展性良好,预留充足的接口,为不断涌现的新业务需求提供传输通道。

  因此,建立基于LTE技术的城市轨道交通综合承载系统,可对在线列车的车-地通信通道进行实时监视、动态需求分配及应急处理,并对车-地无线传输通道的资源统筹、可控性、可维护性和业务可扩展性有重大的促进作用。而且,还提高了城市轨道交通安全运营的保障系数,提高了轨道交通运输管理水平和服务水平,促进了产业良性发展。在列车运行状态下满足实时、宽带、稳定,具有服务质量(QoS)保障的生产业务需求。

  2.3性能要求和带宽需求

  2.3.1CBTC系统应用需求

  CBTC系统车-地通信无线应覆盖城市轨道交通正线(含折返线、联络线)、出入段/场线、段/场咽喉区、段/场车库内、试车线。CBTC系统地面设备对列车传输的信息包括:移动授权、限速信息、列车识别号、运营调整指令等信息。列车对CBTC系统地面设备传输的信息包括:列车车组号、屏蔽门开/关命令、本列车的定位信息、本列车的速度信息等。CBTC系统中车-地通信的传输性能指标如下。

  1.车载无线单元与基站需要进行认证授权,通过后才能进行关联,并且对传输的数据进行加密,加密密钥不少于128位。

  2.应实现不高于200km/h运行速度下车-地实时双向通信的要求。

  3.无线覆盖范围内,任意地点都应实现A/B双网覆盖,且双网中同一时刻至少有一个无线网络无中断。

  4.CBTC系统无线网络试车线部分与其他部分应隔离。

  5.整条线路每列车单网传输速率不低于1000kb/s,上下行各500kb/s。

  6.车-地通信单网络信息的丢包率应小于1%。

  7.车-地通信单网络信息的误码率小于或等于10-6。

  8.车-地通信单网络的越区切换时间应在150ms。

  9.车-地通信信息经有线和无线网络传输延迟时间应小于150ms。

  2.3.2PIS紧急文本应用需求

  PIS紧急文本信息由播控中心下发,在车载PIS显示屏上实时显示,待紧急信息解除时,车载PIS给控制中心传送取消指令。其车-地传输性能指标如下。

  1.PIS紧急文本单网传输速率不低于200kb/s,上下行各100kb/s。

  2.无线覆盖范围内,双网传输,且双网中同一时刻至少有一个无线网络无中断。

  3.车-地通信单网络信息的传输时延应小于300ms。

  4.车-地通信单网络信息的丢包率应小于1%。

  2.3.3列车运行实时状态应用需求

  列车运行状态监测包含信息采集、信息传输、信息显示、信息处理和分析以及信息发布等5个环节,子系统的设计上应尽量做到信息获取准确、信息传输途径共用、信息利用的关联,并随系统的具体情况形成具有适合信息更新速度的回路,进而做到安全投入的效益优化。列车运行实时状态监测系统中车-地通信的传输性能指标如下。

  1.单向传输:即只有列车到地面的上行传输,而没有地面到列车的下行传输。

  2.传输速率:列车运行状态监测系统的采集量有1500个开关量,每个1bit;500个模拟量,每个2Byte。这样一次采集的信息量为9.5kbit,采集周期为300ms一次,按每秒4次计算,传输速率为38kb/s?悸且欢ǖ男畔⒋溆嗔,需要传输速率为100kb/s。

  3.车-地通信网络信息的传输延迟时间应小于300ms。

  4.车-地通信网络信息的丢包率应小于1%。

  2.3.4车载CCTV视频监控应用需求

  车载CCTV视频监控将车载视频监控图像上传到控制中心。在不同的场景其带宽需求不同。

  1.在正常情况下,正线全线需向中心上传2路客室监控图像信息,带宽为4Mb/s(上行信息)。

  2.列车?吭诔盗净厥,控制中心可同时调取4路客室监控图像,带宽4Mb/s(上行信息)。

  3.车-地通信网络信息传输时延应小于300ms。

  4.车-地通信网络信息的丢包率应小于1%。

  2.3.5PIS图像系统应用需求

  PIS系统需将播控中心下发的播放节目,如行车信息、新闻广播、旅行指南、换乘信息、在线广告等便民信息在车载PIS显示屏上实时显示。

  1.采用标清图像质量,每列车业务信息承载带宽为下行2Mb/s。

  2.在正常情况下,无线小区内有2列车,PIS图像下发的带宽需求为4Mb/s(下行信息)。

  3.若采用高清(1080P)图像质量预设业务信道带宽,则每路图像带宽为下行4~6Mb/s。

  4.车-地通信单网络信息时延<300ms。

  5.车-地通信单网络信息的丢包率应小于1%。

  3服务质量(QoS)

  LTE系统实现9个调度优先级,并且按照预定义的可能承载业务类型,对应不同的服务质量(延时、丢包等)要求,定义了9个QCI(服务质量类别标识),系统根据QCI对应的优先级进行资源分配和调度,其优先级越小则优先保障资源分配和调度。系统可以根据不同业务的优先级和服务质量(延时、丢包等)要求,进行不同的参数配置,并映射到不同的QCI类别上,以保障不同业务的优先级别。

  根据城市轨道交通生产业务的不同要求,结合LTE对优先级和服务质量分类,将各生产业务的优先级和服务质量(延时、丢包等)定义。

  通过给不同的业务划分不同的优先级,可以保证CBTC业务和PIS紧急文本信息等高优先级业务优先传输及服务质量(延时、丢包等),在此基础上再进行其他业务的调度传输,而且LTE标准中规定的指标完全能够满足且优于生产业务的指标要求。

  4结束语

  采用LTE技术,完全能够满足城市轨道交通主要生产业务的车-地通信数据和图像业务需求,即基于LTE技术承载CBTC业务信息、PIS紧急文本信息、列车运行实时状态监测、车载CCTV监控图像信息、PIS图像信息等综合业务。在建设LTE网络时,根据各业务性能和带宽需求,申请足够的频谱资源,同时综合考虑全线业务、本小区和邻小区中的业务,合理规划、预留发展(如支持车-地语音集群业务),以满足轨道交通综合承载业务的需求,保障安全运营。

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