LTE-M在城市轨道交通中的增强应用研究

李士东

摘要：针对城轨车地无线通信应用场景，对LTE-M综合承载业务需求进行了简单介绍，并分析了LTE-M综合承载应用目前存在的问题。对LTE-M增强应用的关键技术及难点问题进行了详细说明，提出了LTE-M双核心网冗余工程部署方案，阐述了全自动运行场景下列车广播与乘客紧急对讲实现方法，以及通过RAN-Sharing技术提升宽带集群接入网可靠性的技术方案。通过实际地铁线路的测试验证，证明了系统设计的合理性和工程应用的可行性。

关键词：LTE-M；轨道交通；车地无线；接入网共享

中图分类号：U285文献标志码：A文章编号：1008-1739（2020）12-64-4

0引言

2013年TD-LTE技术开始进入城市轨道交通车地无线领域，并在郑州地铁1号线首次应用，主要用来承载车-地视频业务。2014年国内产、学、研、用相关单位组成联合攻关团队，共同分析、论证和研究TD-LTE技术在城市轨道交通行业进行车地全业务综合承载的可行性，并经过严格的测试验证，并于2015年发布城市轨道交通车地综合通信系统（LTE-M）团体标准，自此LTE-M技术在城市轨道交通行业迅速普及[1]。随着城轨全自动运行（Fully Automatic Operation，FAO）技术的发展，对LTE-M系统的可靠性提出了新的要求，列车司机的取消也对LTE-M业务模型提出了全新的需求。

1城轨车地业务通信需求

城市轨道交通车地无线通信系统综合承载业务主要包括列车运行直接相关业务、生产业务和维修类业务三大类[2]。

列车运行直接相关业务包括：①CBTC业务；②集群调度语音业务；③应急对讲电话（Imminence Phone Handle，IPH）业务；④列车紧急文本下发业务；⑤列车控制和管理系统（Train Control and Management System，TCMS）业务。

生产业务包括：①闭路电视监控（Closed-Circuit Television，CCTV）业务；②乘客信息系统（Passenger Info rmation System，PIS）业务。

维修业务包括：①接触网6C检测系统业务；②车辆走行部系统业务；③集群调度视频业务。

为了保证CBTC业务的安全性，LTE-M通常采用物理隔离的A，B双网来同时承载CBTC业务，A，B双网采用不同的频率避免干扰。LTE-M A网进行综合业务承载，占用频谱带宽较大，通常地下使用15 MHz频谱带宽，地上使用10 MHz频谱带宽；LTE-MB网承载部分关键业务，占用5 MHz频谱带宽。LTE-M A/B网车地无线通信承载需求分别如表1和表2所示[3]。

2 LTE-M综合承载存在的问题

LTE-M技术具有抗干扰强、高速移动性好、越区切换平滑及维护管理方便等优势[4]，因此LTE-M技术在城市轨道交通领域得到了快速普及。但是随着LTE-M的普及应用，一些工程化问题也随之出现。

2.1核心网冗余问题

LTE-M核心网通过供电冗余及板卡冗余等机制来提高设备自身的可靠性，但城市轨道交通一般存在一主一备2个控制中心，异地容灾需要一个LTE-M网络支持2个主备冗余核心网。

对于LTE技术，3GPP标准里定义了EPC POOL的冗余机制来提高网络的可靠性。主要是通过部署多个MME，SGW网元，组成MME POOL，SGW Serving Area来提升网络性能，实现负荷分担及网络容灾功能，此种冗余方式对于电信运营商核心网各逻辑网元分布式部署是有意义的。城市轨道交通LTE-M核心网的各个逻辑网元全都部署到同一个硬件平台上会存在问题，一个硬件平台失效会导致整个核心网所有网元失效，无法实现核心网灾备快速恢复。同时，现在LTE-M网络具备B-TrunC功能来实现无线集群调度业务，使得核心网容灾切换变得更加复杂。

2.2全自动运行场景下的IPH实现问题

传统城市轨道交通列车由司机驾驶，司机室安装无线集群调度車载台来实现列车与指挥中心通信，乘客紧急对讲与列车广播业务通过车载台中转实现中心对乘客广播及乘客向中心发起紧急对讲。

全自动运行轨道交通线路、列车无司机自动驾驶，车载台已经成为非标配产品，在没有车载台中转的情况下，实现乘客紧急对讲及列车广播业务需要进一步研究。

2.3宽带集群接入的网可靠性问题

对于城市轨道交通最重要的2个与列车运行直接相关的业务是CBTC和集群调度语音。LTE-M起步阶段承载CBTC，而集群调度语音由TETRA网络来承载[5]。目前主流趋势是由LTE-M同时承载CBTC和集群调度语音，集群语音主要承载在LTE-M A网上，如果LTE-M A网的接入网出现故障，会导致集群调度语音业务失效，直接影响行车。

3 LTE-M增强应用方案

3.1核心网冗余方案

为了实现LTE-M网络演进的分组核心网（Evolved Packet Core network，EPC）的异地灾备，LTE-M单网可采用2套核心网组网[6]，在主备控制中心同时部署2套核心网设备及配套的路由交换设备，以LTE-M A网为例，核心网冗余网络结构如图1所示。

主备控制中心设备配置完全一致，城轨各业务系统通过路由器与LTE-M网络对接，演进基站节点（Evolved NodeB，eNB）通过S1-Flex机制同时与2个核心网建立S1接口连接。单点故障分析如下：

（1）核心网单点故障

主备用控制中心各配置一台核心网，2个核心网的静态配置数据完全相同，eNB通过2条S1链路分别连接到主备用控制中心的核心网。正常情况下，主备用控制中心的核心网同时运行、互为备份。主用核心网故障的情况下，eNB能够及时启用到备用核心网的S1链路，保证数据传输的可靠性，所有业务自动切换到备用核心网，控制中心交换机故障后效果与之类似。

（2）传输网单点故障

室内基带处理单元（Building Base band Unit，BBU）到控制中心的传输链路采用双纤双向自愈环网方式，当传输网出现单纤和设备单点故障时，传输链路可以实现20 ms的自愈保护，20 ms的通信闪断对上层业务基本不会产生影响。

（3）车地通用路由封装协议隧道单点故障

车载TAU设备和主备用控制中心的路由器分别建立通用路由封装协议（Generic Routing Encapsulation，GRE）隧道，当主用控制中心的GRE隧道断开时，TAU设备切换到备用控制中心的GRE隧道进行数据传输。

城轨业务服务器与车载设备的路由由TAU控制，TAU对路由的控制体现在两方面：一方面是根据业务数据的落地点，选择路由器进行数据转发；另一方面是将主备用控制中心的路由做冗余备份，当一个路由器到核心网的链路异常时，能够将路由自动切换到另一个路由器上，实现路由的冗余。

3.2 IPH实现方案

为了解决全自动运行场景下实现乘客紧急呼叫及列车广播业务的应用，建议采用LTE-M系统实现。LTE-M综合承载网络直接打通乘客调与车载广播系统的连接，LTE-M为业务提供透明管道，采用VoIP方式传送业务语音[7]，方案如图2如示。

方案主要由LTE-M系统、IPH服务器、列车综合自动化系统（Train Integrated Automation System，TIAS）及车载PA共同实现乘客紧急呼叫和列车广播功能。

IPH服务器和车载PA通过LTE-M系统提供的车地无线网络传输通道进行IP通信，实现信令及媒体流交互，进而实现乘客紧急呼叫和列车广播功能。IPH服务器为TIAS提供乘客紧急呼叫和列车广播业务支持接口。

（1）乘客紧急呼叫

乘客紧急呼叫总是由车厢内的乘客发起，即由车载PA发起。TIAS乘客调在未收到车载PA发送的紧急对讲请求时，不能主动发起乘客紧急对讲。

TIAS乘客调接收到多个乘客紧急呼叫请求时，进行排队，同一时间只能接听一路，挂断当前的紧急呼叫后，方可接听其他乘客的紧急呼叫请求。

多TIAS乘客调操作同步要求：一个TIAS乘客调应答乘客紧急呼叫请求后，由TIAS自身负责通知其他TIAS乘客调相应的呼叫已被处理，其他TIAS乘客调接收到呼叫已处理消息后，删除界面排队的相应呼叫提示。

（2）列车广播

TIAS调度台能对单个或多个车进行人工列车广播，可在TIAS调度台上选择广播目标，然后发起广播呼叫，列车广播的媒体流是单向：TIAS调度台至车載PA。

3.3接入网可靠性方案

城轨行车直接相关的CBTC业务采用LTE-M A/B双网同时承载，任何单点故障不影响CBTC业务。但行车直接相关的集群调度语音业务仅在A网承载，A网eNB失效的情况下，相关基站下的集群调度语音业务将不可用，直接影响行车。针对这个问题，可采用无线接入网共享（Radio Acess Network Sharing，RAN-Sharing）技术，充分利用LTE-M双网部署的特点，实现集群调度在无线接入网络的备份，其中承载CBTC业务的B网BBU配置RAN-Sharing特性，通过RAN -Sharing将B网的接入网共享给A网使用，包括载频资源和基站硬件资源。通过基站区分用户类型，不同的用户归属不同核心网管理。无线接入网共享方案，如图3所示。

B网BBU和射频拉远单元（Remote Radio Unit，RRU）作为正线轨旁冗余网络，主要用于CBTC的业务传输，还要考虑作为A网集群业务的备用接入网。借助S1-Flex机制，B网BBU可通过骨干承载网连接到A网EPC和多媒体调度系统。集群终端优先驻留在综合承载网A网上，当A网基站出现故障，终端会通过小区重选接入到B网基站，并路由到A网核心网设备进行处理，继续提供集群调度业务。

B网BBU通过终端国际移动用户识别码（International Mobile Subscriber Identity，IMSI）区分终端类型，主要是识别集群调度终端还是TAU终端。集群调度终端数据通过A网S1接口发送给A网核心网；TAU终端的数据通过B网S1接口发送给B网核心网。这样可以保证B网业务数据与集群调度数据处理的独立性，同时实现无线频率在业务上的逻辑隔离。