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簡(jiǎn)議基于LTE技術(shù)的城市軌道交通綜合承載業(yè)務(wù)需求分析論文
目前城軌交通車(chē)-地通信數據業(yè)務(wù)主要采用IEEE802.11系列無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)，受該技術(shù)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(chē)指揮業(yè)務(wù)受到影響，同時(shí)PIS系統圖像出現不連續和馬賽克的問(wèn)題。因此，軌道交通一直在尋求采用新技術(shù)來(lái)提高車(chē)-地通信的穩定性和帶寬，實(shí)現更好的車(chē)-地間數據傳輸。本文主要分析數據業(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，是建立一個(gè)高傳輸速率、低時(shí)延、支持增強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(wú)線(xiàn)接入架構。因此LTE系統采用接近于全IP化的、扁平化的網(wǎng)絡(luò )結構，集成適用于寬帶移動(dòng)通信傳輸的眾多先進(jìn)技術(shù)，如正交頻分復用(OFDM)、多輸入多輸出(MIMO)、混合自動(dòng)重傳請求(HARQ)、自適應調制編碼(AMC)、小區間干擾協(xié)調(ICIC)等，有效提高數據速率、頻譜效率和抗干擾性，提供綜合業(yè)務(wù)承載的優(yōu)先級調度和高速移動(dòng)性支持，并通過(guò)抗干擾技術(shù)和安全機制保證無(wú)線(xiàn)數據業(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具備頻譜申請靈活、上下行資源可調配的特點(diǎn)，可根據業(yè)務(wù)需要靈活配置上下行業(yè)務(wù)比例。系統支持1.4，3，5，10，15，20MHz帶寬，同時(shí)支持在成對和非成對頻段上部署。根據LTE網(wǎng)絡(luò )承載的業(yè)務(wù)量可選擇支持相應頻譜帶寬的LTE設備。
2.移動(dòng)接入性強。采用自動(dòng)頻率校正，確保高速移動(dòng)(350km/h)場(chǎng)景下的無(wú)線(xiàn)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。城軌領(lǐng)域可申請行業(yè)專(zhuān)用頻段進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )建設，相對于采用開(kāi)放頻段的WIFI系統，可規避外部干擾。
4.QoS機制。LTE系統QCI定義了9級，針對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，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全球累計用戶(hù)數接近1000萬(wàn)。中國移動(dòng)TD-LTE網(wǎng)絡(luò )已在2013年底正式商用。從當前商用情況來(lái)看，產(chǎn)業(yè)現狀已經(jīng)成熟，網(wǎng)絡(luò )覆蓋、連續覆蓋與切換等性能指標都已達到預期要求。目前國內進(jìn)行TD-LTE產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)的廠(chǎng)家主要有華為、中興、54所/鼎橋、普天等，這些廠(chǎng)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(chē)控制系統(CBTC)業(yè)務(wù)信息、PIS緊急文本信息、列車(chē)實(shí)時(shí)狀態(tài)信息、車(chē)載CCTV監控圖像信息和PIS圖像信息。
1.CBTC業(yè)務(wù)信息。列車(chē)間距及速度防護、列車(chē)自動(dòng)運行與調度，是城市軌道交通自動(dòng)化系統中的關(guān)鍵部分，CBTC系統車(chē)-地傳輸數據主要有列車(chē)位置、運行控制、移動(dòng)授權等信息。該業(yè)務(wù)應用層要求實(shí)時(shí)數據低速的可靠傳輸;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(chē)運營(yíng)信息或其他緊急信息，如某車(chē)站通過(guò)不停車(chē)等。該業(yè)務(wù)應用層要求實(shí)時(shí)數據低速的可靠傳輸;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(chē)運行狀態(tài)監測信息。列車(chē)運行狀態(tài)實(shí)時(shí)監測系統主要是通過(guò)傳感器采集電流、電壓、軸溫，以及車(chē)下轉向架、車(chē)輛一/二系懸掛系統、發(fā)動(dòng)機、制動(dòng)器等設備的關(guān)鍵參數，并將數據傳送到地面監測中心，地面監測中心通過(guò)對數據進(jìn)行集中處理和分析，實(shí)現對列車(chē)運行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監測和遠程故障診斷功能。該業(yè)務(wù)應用層要求低速數據的可靠傳輸;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(chē)載CCTV監控圖像信息。CCTV系統用于車(chē)內情況的視頻監視，并為應急調度指揮提供實(shí)時(shí)的車(chē)內高清動(dòng)態(tài)圖像信息。CCTV車(chē)-地傳輸數據主要為視頻信息。該業(yè)務(wù)應用層要求海量的實(shí)時(shí)視頻數據傳輸、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(shí)時(shí)視頻數據優(yōu)先級高、小區切換不丟包、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)數據通道，減少重傳，降低時(shí)延。
5.PIS圖像信息。本信息用于列車(chē)車(chē)廂內資訊發(fā)布、乘客指引信息的視頻展播。PIS系統車(chē)-地傳輸數據主要為視頻信息。該業(yè)務(wù)應用層要求直播(廣播)為主、錄播(點(diǎn)播)為輔，錄播要考慮批量數據傳輸的帶寬利用效率;控制層要求廣播數據優(yōu)先級高、小區切換不丟包、限制錄播數據帶寬、以組播點(diǎn)播結合的方式進(jìn)行節目數據傳送;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優(yōu)勢，可提高無(wú)線(xiàn)電頻譜的利用率;可以通過(guò)QoS進(jìn)行優(yōu)先級設定，保證等級高的業(yè)務(wù)優(yōu)先傳遞;減少不同廠(chǎng)商或規格的硬件設備，減少系統隱患，提高系統可靠性;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，節約設備檢修時(shí)間;擴展性良好，預留充足的接口，為不斷涌現的新業(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，可對在線(xiàn)列車(chē)的車(chē)-地通信通道進(jìn)行實(shí)時(shí)監視、動(dòng)態(tài)需求分配及應急處理，并對車(chē)-地無(wú)線(xiàn)傳輸通道的資源統籌、可控性、可維護性和業(yè)務(wù)可擴展性有重大的促進(jìn)作用。而且，還提高了城市軌道交通安全運營(yíng)的保障系數，提高了軌道交通運輸管理水平和服務(wù)水平，促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展。在列車(chē)運行狀態(tài)下滿(mǎn)足實(shí)時(shí)、寬帶、穩定，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系統應用需求
CBTC系統車(chē)-地通信無(wú)線(xiàn)應覆蓋城市軌道交通正線(xiàn)(含折返線(xiàn)、聯(lián)絡(luò )線(xiàn))、出入段/場(chǎng)線(xiàn)、段/場(chǎng)咽喉區、段/場(chǎng)車(chē)庫內、試車(chē)線(xiàn)。CBTC系統地面設備對列車(chē)傳輸的信息包括：移動(dòng)授權、限速信息、列車(chē)識別號、運營(yíng)調整指令等信息。列車(chē)對CBTC系統地面設備傳輸的信息包括：列車(chē)車(chē)組號、屏蔽門(mén)開(kāi)/關(guān)命令、本列車(chē)的定位信息、本列車(chē)的速度信息等。CBTC系統中車(chē)-地通信的傳輸性能指標如下。
1.車(chē)載無(wú)線(xiàn)單元與基站需要進(jìn)行認證授權，通過(guò)后才能進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并且對傳輸的數據進(jìn)行加密，加密密鑰不少于128位。
2.應實(shí)現不高于200km/h運行速度下車(chē)-地實(shí)時(shí)雙向通信的要求。
3.無(wú)線(xiàn)覆蓋范圍內，任意地點(diǎn)都應實(shí)現A/B雙網(wǎng)覆蓋，且雙網(wǎng)中同一時(shí)刻至少有一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )無(wú)中斷。
4.CBTC系統無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )試車(chē)線(xiàn)部分與其他部分應隔離。
5.整條線(xiàn)路每列車(chē)單網(wǎng)傳輸速率不低于1000kb/s，上下行各500kb/s。
6.車(chē)-地通信單網(wǎng)絡(luò )信息的丟包率應小于1%。
7.車(chē)-地通信單網(wǎng)絡(luò )信息的誤碼率小于或等于10-6。
8.車(chē)-地通信單網(wǎng)絡(luò )的越區切換時(shí)間應在150ms。
9.車(chē)-地通信信息經(jīng)有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸延遲時(shí)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(chē)載PIS顯示屏上實(shí)時(shí)顯示，待緊急信息解除時(shí)，車(chē)載PIS給控制中心傳送取消指令。其車(chē)-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(wú)線(xiàn)覆蓋范圍內，雙網(wǎng)傳輸，且雙網(wǎng)中同一時(shí)刻至少有一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )無(wú)中斷。
3.車(chē)-地通信單網(wǎng)絡(luò )信息的傳輸時(shí)延應小于300ms。
4.車(chē)-地通信單網(wǎng)絡(luò )信息的丟包率應小于1%。
2.3.3列車(chē)運行實(shí)時(shí)狀態(tài)應用需求
列車(chē)運行狀態(tài)監測包含信息采集、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，子系統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(guān)聯(lián)，并隨系統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(chē)運行實(shí)時(shí)狀態(tài)監測系統中車(chē)-地通信的傳輸性能指標如下。
1.單向傳輸：即只有列車(chē)到地面的上行傳輸，而沒(méi)有地面到列車(chē)的下行傳輸。
2.傳輸速率：列車(chē)運行狀態(tài)監測系統的采集量有1500個(gè)開(kāi)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(chē)-地通信網(wǎng)絡(luò )信息的傳輸延遲時(shí)間應小于300ms。
4.車(chē)-地通信網(wǎng)絡(luò )信息的丟包率應小于1%。
2.3.4車(chē)載CCTV視頻監控應用需求
車(chē)載CCTV視頻監控將車(chē)載視頻監控圖像上傳到控制中心。在不同的場(chǎng)景其帶寬需求不同。
1.在正常情況下，正線(xiàn)全線(xiàn)需向中心上傳2路客室監控圖像信息，帶寬為4Mb/s(上行信息)。
2.列車(chē)�？吭谲�(chē)輛基地時(shí)，控制中心可同時(shí)調取4路客室監控圖像，帶寬4Mb/s(上行信息)。
3.車(chē)-地通信網(wǎng)絡(luò )信息傳輸時(shí)延應小于300ms。
4.車(chē)-地通信網(wǎng)絡(luò )信息的丟包率應小于1%。
2.3.5PIS圖像系統應用需求
PIS系統需將播控中心下發(fā)的播放節目，如行車(chē)信息、新聞廣播、旅行指南、換乘信息、在線(xiàn)廣告等便民信息在車(chē)載PIS顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。
1.采用標清圖像質(zhì)量，每列車(chē)業(yè)務(wù)信息承載帶寬為下行2Mb/s。
2.在正常情況下，無(wú)線(xiàn)小區內有2列車(chē)，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)量預設業(yè)務(wù)信道帶寬，則每路圖像帶寬為下行4～6Mb/s。
4.車(chē)-地通信單網(wǎng)絡(luò )信息時(shí)延<300ms。
5.車(chē)-地通信單網(wǎng)絡(luò )信息的丟包率應小于1%。
3服務(wù)質(zhì)量(QoS)
LTE系統實(shí)現9個(gè)調度優(yōu)先級，并且按照預定義的可能承載業(yè)務(wù)類(lèi)型，對應不同的服務(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(lèi)別標識)，系統根據QCI對應的優(yōu)先級進(jìn)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。系統可以根據不同業(yè)務(wù)的優(yōu)先級和服務(wù)質(zhì)量(延時(shí)、丟包等)要求，進(jìn)行不同的參數配置，并映射到不同的QCI類(lèi)別上，以保障不同業(yè)務(wù)的優(yōu)先級別。
根據城市軌道交通生產(chǎn)業(yè)務(wù)的不同要求，結合LTE對優(yōu)先級和服務(wù)質(zhì)量分類(lèi)，將各生產(chǎn)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級和服務(wù)質(zhì)量(延時(shí)、丟包等)定義。
通過(guò)給不同的業(yè)務(wù)劃分不同的優(yōu)先級，可以保證CBTC業(yè)務(wù)和PIS緊急文本信息等高優(yōu)先級業(yè)務(wù)優(yōu)先傳輸及服務(wù)質(zhì)量(延時(shí)、丟包等)，在此基礎上再進(jìn)行其他業(yè)務(wù)的調度傳輸，而且LTE標準中規定的指標完全能夠滿(mǎn)足且優(yōu)于生產(chǎn)業(yè)務(wù)的指標要求。
4結束語(yǔ)
采用LTE技術(shù)，完全能夠滿(mǎn)足城市軌道交通主要生產(chǎn)業(yè)務(wù)的車(chē)-地通信數據和圖像業(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(chē)運行實(shí)時(shí)狀態(tài)監測、車(chē)載CCTV監控圖像信息、PIS圖像信息等綜合業(yè)務(wù)。在建設LTE網(wǎng)絡(luò )時(shí)，根據各業(yè)務(wù)性能和帶寬需求，申請足夠的頻譜資源，同時(shí)綜合考慮全線(xiàn)業(yè)務(wù)、本小區和鄰小區中的業(yè)務(wù)，合理規劃、預留發(fā)展(如支持車(chē)-地語(yǔ)音集群業(yè)務(wù))，以滿(mǎn)足軌道交通綜合承載業(yè)務(wù)的需求，保障安全運營(yíng)。
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