|
轨道世界 RailWorld 开放｜共享｜价值 基于LTE车地通信的市域快线信号系统研究 | 技术交流 来源：《铁道通信信号工程技术》杂志 针对市域快线信号系统几种方案的特点和其信号车地传输系统的需求，通过对采用WLAN和LTE技术的分析和比较，提出基于LTE技术的信号系统车地无线传输系统方案，可为市域铁路信号系统技术发展、设备研究和类似工程提供研究和借鉴。 中国铁路设计集团 夏冷?赵亮 1?市域快线信号系统需求分析 1.1?市域快线工程特点 市域快线一般采用的最高速度为160?km/h、远期最小行车间隔3?min，市域快线线路总长一般在50?km左右，全线设车站5～6座，站间距较大，最长的站间距达到20?km；部分段落可能与其它市域快线共轨运行；车辆选型采用：8辆编组，市域车；采用单向工频交流25?kV牵引供电制式（国内城市轨道交通一般均采用直流牵引供电）；实现信号系统与车辆、站台门、通信等专业的接口功能。 1.2?市域快线信号系统特点分析 从上述市域快线工程特点分析可以看出，“市域快线”与市区内的城轨交通、城际铁路、客运专线均有明显的区别，既不同于城际铁路、又不同于城市轨道交通，它对运行速度和密度都有较高的要求。市域快线平均站间距10?km，大于平均站间距1?km的城市轨道交通，小于平均站间距50?km的客运专线，与城际铁路平均站间距相同，其运行速度与城际铁路也相同。但市域快线为满足大客流的要求，较城际铁路10?min最小行车间隔要求更短，要求3?min的最小行车间隔。对市域快线信号系统的研究，既要以城市轨道交通、城际铁路和客运专线信号系统为基础，又要突出其特殊的性能要求。 信号系统是现代城市轨道交通自动控制系统中的重要部分，担负着保证列车和乘客的安全、实现列车快速、高效、有秩序输送旅客的功能，其核心是列车自动控制ATC系统，是集行车指挥和运行调整等功能为一体的列车自动控制系统。 市域铁路信号系统有准移动闭塞式ATC系统、点式ATC系统、基于通信的CBTC移动闭塞系统、基于CTCS-2级+ATO的闭塞系统等几种方案，其中基于通信的CBTC移动闭塞系统如何选择160?km/h速度、最小3?min行车间隔的信号系统方案，满足高速度、高密度、高质量、连续的运营需求是信号系统方案研究的关键。 2?市域快线信号系统方案研究 2.1?市域快线信号系统方案 市域铁路信号系统有准移动闭塞式ATC系统、点式ATC系统、基于通信的CBTC移动闭塞系统、基于CTCS-2级+ATO的闭塞系统等几种方案。准移动闭塞式ATC系统一般采用音频无绝缘数字轨道电路传递控车信息。点式ATC系统主要是利用有源应答器（信标）传递控车信息。基于通信的CBTC移动闭塞的ATC系统利用无线实时将地面控车信息传递到车载ATC设备。 2.1.1?基于数字轨道电路的准移动闭塞系统 准移动闭塞式ATC系统一般采用音频无绝缘数字轨道电路、高信息存储量的车载设备，具有较大的信息传输量和较强的抗干扰能力。列车车载设备根据由钢轨传输而接收到的联锁、轨道电路编码、线路参数、控制管理等报文信息，对列车追踪运行以及折返作业进行连续的速度监督，实现超速防护，控制列车运行间隔，以满足规定的通过能力。 典型的基于数字无绝缘轨道的准移动闭塞制式的正线ATC系统主要由ATP、ATO和ATS系统组成。 目前，基于轨道电路的准移动闭塞虽然不代表信号技术的发展主流，但在已经开通的城市中肩负着超强运量的重担，不存在无线干扰等问题，系统稳定可靠。 理论分析基于数字轨道电路的准移动闭塞系统是可以满足市域快线的要求的，但具体工程的可实施性还需要结合市域快线的功能需求及具体情况，有待各方进行深入研究和专家论证。 2.1.2?点式ATC系统 点式ATC系统主要是利用计轴作为列车检测设备、利用联锁和车载信号系统实现站间或区段的闭塞和简单的ATP功能。 点式ATC系统在欧洲普遍应用于干线铁路和城轨交通中，多作为后备降级系统使用。 点式ATC系统，在市域快线工程工期紧张、运行密度不大（一般为5?min）、投资受限制的情况下，根据用户实际需求，可以作为永久系统使用，满足运营需求；在初近期运营间隔要求不高时，以点式ATC系统开通运营，节省工期和投资，在远期运营间隔提高后，升级为CBTC系统，点式系统可以作为CBTC系统的后备信号系统存在。 2.1.3?基于通信的CBTC移动闭塞系统 从系统性能及使用功能方面分析，基于通信的CBTC移动闭塞的ATC系统是目前信号系统的主流产品，代表着信号技术的发展方向。因其具有地面设备少，发车间隔短、高密度，能够提供更灵活的行车组织、实时追随的ATP连续速度曲线控制功能，列车定位精度高、没有轨道区段的限制，系统具有较强的能力储备，调节方式灵活，不通过轨道传输控制信息，降低了维护工作量，满足更高的行车密度需求等，越来越被广大用户认可。国内新近建设的大运量城轨项目绝大多数采用移动闭塞制式。 目前应用的移动闭塞信号系统主要采用的是WLAN的传输方式，适用于120?km/h以下的线路需求；基于LTE技术的移动闭塞信号系统尚没有应用于160?km/h高速工程的实例。但相关科研单位仿真测试结果表明：基于LTE（Long Term Evolution）技术的车地通信传输系统，可以满足160?km/h下CBTC系统对车地通信传输的误块率和吞吐量要求。 2.1.4?基于CTCS-2级+ATO的闭塞系统 CTCS-2列控系统在国铁主要应用于速度200～250?km/h的客运专线和既有线提速至160?km/h以上的国铁干线铁路，是基于轨道电路和点式应答器传输信息，并采用目标-距离模式监控列车安全运行的列控系统，追踪间隔最小能达到3?min。执行铁路总公司制定的铁路客运专线技术标准，有一套比较完善的安全保障体系。对于市域快线的运营特点和运营主体不同的需求，在国铁干线CTCS-2级列控系统的基础上，增加ATO相关功能，可以满足市域快线工程需求，珠三角城际轨道交通项目已经开通运营，得到工程应用。 2.2?市域快线信号系统方案比选 信号制式的选择应考虑系统安全、成熟、可靠、经济、适用，满足通过能力需求并留有一定余量；选择技术成熟和先进的产品，同时考虑降低运营成本，为路网各线间的联通联运、共轨运行创造条件。 从上述分析可看出：准移动闭塞、点式ATC系统和中国列车运行控制系统（CTCS-2级+ATO系统）虽然在一定程度上可以满足市域快线的功能需求，但又各自存在不足，不能很好地满足高速度、高密度、高质量、连续的运营需求。 基于通信的CBTC移动闭塞是城轨交通当今信号系统的主流产品，代表着信号技术的发展方向。以下主要针对目前普遍采用的信号系统车-地无线通信方式进行分析研究。 3?车-地无线通信系统 3.1?性能需求分析 车地通信系统的主要作用是在移动列车和地面控制系统之间传输ATC报文，用以控制列车安全、高效地运行。 综合市域快线160?km/h速度目标值以及目前各主要的ATC系统集成商对车地无线通信系统的要求，鉴于车地无线通信传输列控相关信息，ATC系统对车地无线通信系统性能要求如下：丢包率小于1%（含切换）；车地通信经有线和无线网络传输延迟时间应小于150?ms；95%概率条件下车地通信单网络的越区切换时间应在100?ms以内；车地通信每列车信息的传输速率不应低于1?Mbit/s。此外，车地无线通信系统还必须具备抗干扰性和安全性要求，能够防止其他无线通信系统设备、蓝牙设备及其他微波设备的干扰，具有较高强度加密性能。 3.2?车地无线通信技术比选 城市轨道交通信号CBTC系统车地通信方式主要采用WLAN技术，其发展较为成熟，应用较为广泛。但LTE技术较新，其在市域快线信号系统车地无线传输领域较WLAN有如下优势： 1）可靠性：WLAN使用公共频段，干扰源多，尤其公共干扰源，无法彻底清除；且区间有源设备众多，造成整体可靠性下降。LTE与之相比，使用专有频段，可通过清频去除周边干扰源；可采用漏缆覆盖，覆盖距离广，区间设备少，整体可靠性高。从可靠性看，LTE明显优于WLAN。 2）可用性：WLAN采用的IEEE802.11g协议信道利用率低，标称54?Mbit/s实际可用带宽为15～20?Mbit/s左右；LTE在5?M、10?M、20?M的峰值速率分别为：43?Mbit/s、87?Mbit/s、150?Mbit/s。从带宽的可用性考虑，LTE明显优于IEEE802.11g。 3）可维护性：LTE覆盖距离远，覆盖在1.2?km左右，维护简单。可以减轻运维人员工作量，减少运维成本，可维护性优于WLAN。 4）抗干扰能力：LTE专用频段，避免外部系统干扰；小区间干扰协调（ICIC）、干扰合并（IRC），解决系统内干扰问题。 高速移动传输LTE支持超高速移动，如450?km/h，能提供高速的接入服务。WLAN最高支持140?km/h以下的低速环境，随着速度提高，切换失败率升高。 高速下数据传输的有效性和可靠性是衡量通信系统无线链路最为重要的指标之一。有效性的测试指标为吞吐量，系统吞吐量是指单位时间内系统从信源到信宿成功传输的数据量。可靠性的测试指标为误块率，误块率（BLER）是数据传输中数据块经过CRC校验后得到错误的概率，用于反映无线链路控制层对差错重传的要求。对不同速度下TD-LTE系统（覆盖场强为85?dBm）测试分析结果，如图1所示。 图1（a）为误码率与速度关系图，图1（b）为吞吐量与速度关系图。总体说来随着速度增大，BLER明显增大，而吞吐量也明显降低。但是LTE技术满足市域快线160?km/h速度下误码率（标准：误码率＜1%）和吞吐量（标准：传输速率≥1?Mbit/s）指标，可以满足CBTC系统业务需求。 5）技术发展趋势和政策支持：作为新一代无线移动通信技术，LTE在厂家技术支持与研发力度上远远大于WLAN，并且国家针对LTE在轨道交通的应用，在产业政策、标准建设、行业建设等方面都给予了明确的技术支持，制定一系列标准和规范，为其应用打下了坚实的基础。 4?基于LTE车地无线通信技术方案分析 4.1?专用传输网络LTE技术 LTE项目是3G的演进，始于2004年3GPP的多伦多会议，它改进并增强3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO（运用于802.11n的核心技术，速度可达600?Mbit/s）作为其无线网络演进的唯一标准，具有100?Mbit/s的数据下载能力。在20?MHz频谱宽度下，能够提供下行326?Mbit/s与上行86?Mbit/s的峰值速率，改善了小区边缘用户的性能，提高了小区容量，降低了系统延迟；用户平面内的单向传输时延低于5?ms，能够为350?km/h、最高500?km/h高速移动的用户提供大于100?kbit/s的接入服务，可以灵活配置从1.25?MHz到20?MHz多种带宽。自动频率校正确保高速移动场景下的无线链路质量。LTE具备优良的高速移动状态下的宽带接入能力。ICIC（小区间干扰协调）有效降低小区边缘频率干扰，提高小区吞吐率。干扰抑制消除（IRC），抑制信道相关性干扰，提升上行速率。单小区覆盖1.2?km以上，大幅减少列车终端切换次数。基于频偏的切换技术，有效提高切换成功率，保证高速切换场景下的带宽稳定。 目前，国内工信部将1?785～1?805?MHz频段分配给城市轨道交通LTE使用。LTE具有如下技术特征：通信速率显著提高，下行峰值速率为100?Mbit/s，上行峰值速率为50?Mbit/s。以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上将基于分组交换，通过系统设计和严格的QoS机制，保证实时业务的服务质量。系统部署灵活，能够支持1.25～20?MHz间的多种系统带宽，保证将来在系统部署上的灵活性，为与PIS等系统融合，提供可靠的基础通信手段。子帧长度为0.5?ms和0.675?ms，降低了无线网络的时延。增加了小区边界比特速率，如MBMS（多媒体广播和组播业务）在小区边界可提供1?（bit/s）/Hz的数据速率。 4.2?车地通信采用LTE技术方案 车地无线通信系统采用LTE设备组网，承载ATC信号业务。系统主要由核心网设备（EPC）、基站基带处理单元（BBU）、基站射频处理单元（RRU）、网管设备、车载终端设备（TAU）、天馈系统、泄漏同轴电缆及传输网络等组成。 为了保证ATC车地信息的可靠传送，ATC业务系统对相同的信息在发端采用2份数据发送的方式，ATC业务系统在接收端获取2份数据，并且只要正确接收到其中的1份数据就可以正确获取发送bit/s端的数据。（ATC业务系统实现双份冗余及处理）。 根据ATC业务系统传送车地信息的特点，LTE网络采用A/B独立双网的冗余设计承载业务。A/B独立双网包括A/B无线双网和A/B双核心网。 A/B无线双网确保在轨旁由2张无线网络实现无线信号冗余覆盖。A/B无线网络分别采用不同的频点F1和F2。A无线网络内采用同频组网，B无线网络内也采用同频组网。A/B双核心网即是2个单独的核心网。A无线网络和A核心网组成可以实现端到端通信的LTE A网络，B无线网络和B核心网组成可以实现端到端通信的LTE B网络。无线双网的频率规划如图2所示。 轨旁主要部署RRU和泄漏同轴电缆（1.8?GHz）。BBU与RRU之间通过Ir接口光缆连接。分别部署A网和B网的核心网设备EPC，通过中心交换机实现信号系统业务的接入。在列车的车头和车尾，分别设置LTE网络车载设备，包括车载接入单元TAU、天馈系统等。车头和车尾各安装一台TAU，车头TAU工作在LTE的A网；车尾TAU工作在LTE的B网。系统整体架构如图3所示。 5?结语 “市域快线”与市区内的城轨、城际铁路、客运专线均对信号车地传输系统存在不同要求。LTE作为4G通信技术标准，将其应用在市域快线信号车地传输系统，充分发挥其适应高速移动传输和独占带宽的优势，大大提高车地传输系统的可靠性、可用性和抗干扰特性。并且有中国城市轨道交通协会发布的《城市轨道交通车地综合通信系统（LTE-M）规范》提供技术支持，更为LTE技术应用到市域快线铺平道路。 目前，采用LTE技术的移动闭塞信号系统尚没有应用于160?km/h速度的工程，但已经有应用于80?km/h的使用经验；而相关科研单位仿真测试结果表明：基于LTE技术的车地通信传输系统可以满足160?km/h下CBTC系统对车地通信传输的误块率和吞吐量要求。在以后的工程建设过程中，可以选用基于LTE的CBTC系统，进一步验证LTE技术与CBTC主系统的适用范围；为避免工程风险，可以将点式ATC系统作为后备系统，满足工程初期开通需要，同时适时推广基于LTE的CBTC系统。 素材来源：中国通号/《铁道通信信号工程技术》杂志 顶图为搜索引擎推荐 |
|
|
