用于地铁轨道通信的基于1.8GHz的TD-LTE系统 |
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| 申请号 | CN201510979562.X | 申请日 | 2015-12-23 | 公开(公告)号 | CN105636145A | 公开(公告)日 | 2016-06-01 |
| 申请人 | 武汉烽火信息集成技术有限公司; | 发明人 | 张杨; 刘亚奇; 冯强; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种用于地 铁 轨道通信的基于1.8GHz的TD-LTE系统，涉及地铁轨道通信领域。该TD-LTE系统包括演进分组核心网EPC、车载终端设备、若干LTE基站，该TD-LTE系统工作在1.8GHz频段，EPC与地面的CBTC系统相连，若干LTE基站沿地铁轨道线路分布，并通过光纤经交换机连接到EPC；车载终端设备包括车头LTE CPE、车尾LTE CPE，车头LTE CPE、车尾LTE CPE均与车载CBTC系统相连，并通过无线网络与LTE基站连接。本发明使用1.8GHz的专用频段，从根源上规避了无线受干扰的问题，最大化地保障行车运营安全，同时也考虑到将来的轨道交通发展趋势，兼顾运营单位的长期效益。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于地铁轨道通信的基于1.8GHz的TD-LTE系统，用于与地面的基于通信的列车控制系统CBTC交互，其特征在于：该TD-LTE系统包括演进分组核心网EPC、车载终端设备、若干LTE基站，该TD-LTE系统工作在1.8GHz频段，EPC与地面的CBTC系统相连，若干LTE基站沿地铁轨道线路分布，并通过光纤经交换机连接到EPC；车载终端设备包括车头LTE客户终端设备CPE、车尾LTE CPE，车头LTE CPE、车尾LTE CPE均与车载CBTC系统相连，并通过无线网络与LTE基站连接；EPC配置、管理整个TD-LTE系统。 |
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| 说明书全文 | 用于地铁轨道通信的基于1.8GHz的TD-LTE系统技术领域[0001] 本发明涉及地铁轨道通信领域，具体是涉及一种用于地铁轨道通信的基于1.8GHz的TD-LTE系统。 背景技术[0002] 城市轨道交通有着高速度、高密度、不间断运营的特点，使得控制轨道交通运行的信号系统，在保障轨道交通安全运行、提高轨道交通通过能力等方面，起着至关重要的作用。目前，我国新建地铁线路的信号系统，绝大部分采用的是CBTC(Communication Based Train Control，基于通信的列车控制)系统，CBTC系统通过车地间大量的数据交换，使得列车可实时上传位置、报告并接收地面的移动授权等控制信息，实现列车移动闭塞或虚拟闭塞控制。 [0003] CBTC系统有以下特点： [0004] (1)建立了大容量连续双向车地通信通道； [0005] (2)地面及车载设备均采用安全计算机，实时处理列车状态、控制命令，实现连续的间隔控制、进路控制、速度防护、自动驾驶等； [0007] (4)设备集成度高、结构简单，可靠性、可维修性较高。 [0008] CBTC系统包括ATS(Automatic Train Supervision，列车自动监控系统)、CBI(计算机联锁系统)、ATP(列车自动保护)、ATO(列车自动运行)、DCS(数据通信系统)等，其中，建立车地通信网络的数据通信系统是CBTC系统中的关键，是保证CBTC系统高可靠、高效运行的重要基础。 [0009] 数据通信系统由地面有线网、车地无线网、车载有线网三部分组成，其中，车地无线网部分普遍采用的是基于IEEE 802.11系列标准的2.4GHz无线局域网技术，频率范围为2.4GHz-2.4835GHz。然而，我国频段管理中，明确规定了2.4GHz为不受保护的免执照频段。 在该频段范围内，符合发射功率限制的各类无线电通信设备及工业、科学和医疗等非无线通信设备均可使用。由于各类应用和用户大量集中，导致了无线干扰的普遍存在。 [0010] 2012年11月，深圳地铁蛇口线、环中线多趟列车在运行途中发生多起突然紧急停驶事故，造成系统无法正常运行，大量乘客滞留。调查结果为：乘客随身携带的wifi路由器干扰了数据通信系统的车地无线网，导致数据通信系统无法完成正常的信息传输，因而出现列车紧急停驶事故。事后经过多方调查，发现凡采用2.4GHz固定信道的CBTC系统均具有此安全隐患，无线干扰问题已经成为影响轨道交通安全运营的瓶颈，制约了轨道交通信号系统的发展。 发明内容[0011] 本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种用于地铁轨道通信的基于1.8GHz的TD-LTE系统，使用1.8GHz的专用频段，从根源上规避了无线受干扰的问题，最大化地保障了行车运营安全，同时也充分考虑到将来的轨道交通发展趋势，兼顾运营单位的长期效益。 [0012] 本发明提供一种用于地铁轨道通信的基于1.8GHz的TD-LTE系统，用于与地铁轨道沿线的基于通信的列车控制系统CBTC交互，该TD-LTE系统包括演进分组核心网EPC、车载终端设备、若干LTE基站，该TD-LTE系统工作在1.8GHz频段，EPC与地面的CBTC系统相连，若干LTE基站沿地铁轨道线路分布，并通过光纤经交换机连接到EPC；车载终端设备包括车头LTE客户终端设备CPE、车尾LTE CPE，车头LTE CPE、车尾LTE CPE均与车载CBTC系统相连，并通过无线网络与LTE基站连接；EPC配置、管理整个TD-LTE系统。 [0013] 在上述技术方案的基础上，所述EPC通过千兆以太网的光纤、交换机/路由器与所有的LTE基站相连，根据需求配置地面的CBTC系统。 [0014] 在上述技术方案的基础上，所述车头LTE CPE、车尾LTE CPE内部运行路由选择算法，根据无线状态、切换状态或者EPC指令来进行自动路由选择，选择无线环境好的一个进行传输，保证不同业务的服务质量QoS。 [0015] 在上述技术方案的基础上，所述TD-LTE系统的QoS粒度从传统的单用户设备UE细化到UE的单业务，从源、目的IP地址、端口号、协议类型参数区分业务，为之分配不同的QoS，保证高优先级业务的传输带宽和传输延时。 [0017] 与现有技术相比，本发明的优点如下： [0018] (1)本发明中的TD-LTE系统使用1.8GHz的专用频段，不存在外部系统的频率干扰；支持高速移动性，能够应对未来10年可能出现的高速城市轨道交通；具有较高的通用性和市场基础，能够延长系统的使用周期，得到更好的投资收益比；能对不同的业务进行优先级区分，分配相匹配的QoS(Quality of Service，服务质量)等级，对业务、维护、告警等数据流进行分级。因此，基于1.8GHz的TD-LTE系统不仅从根源上规避了无线受干扰的问题，最大化地保障了行车运营安全，同时也充分考虑到将来的轨道交通发展趋势，兼顾运营单位的长期效益。 [0019] (2)本发明中的TD-LTE系统在地铁列车的车头、车尾各安装一台LTE CPE，车头LTE CPE与车尾LTE CPE协同工作，车头LTE CPE、车尾LTE CPE内部运行路由选择算法，根据无线状态、切换状态或者EPC指令来进行自动路由选择，利用两台LTE CPE不可能同在切换区的特点，选择无线环境较好的一个进行传输，保证不同业务的QoS(Quality of Service，服务质量)，保证数据安全和完整性，提高系统性能。 [0020] (3)本发明将TD-LTE系统中的QoS粒度从传统的单UE(用户设备)细化到单业务，从源、目的IP地址、端口号、协议类型等参数区分业务，为之分配不同的QoS，保证高优先级业务的传输带宽和传输延时。在无线环境较好的情况下，所有业务能够正常传输，但是当进入重叠覆盖区，因为两个基站的下行信号互为干扰，重叠覆盖区的的传输流量将受到很大抑制，此时为了保证QoS优先级级别高的业务传输，将降低或者停止低优先级级别的业务，等系统无线信号恢复，流量增加时，将自动回复低优先级业务的传输。 [0022] (5)地铁轨道中的列车做线性化的运动，其上下行链路的估计可以进行简化，从而加快信道调度的算法，使得UE能够以最快的速度调高调制阶数、分配充分的无线资源块，达到最优传输带宽。 [0023] (6)增加前转功能，使得在切换时发生的数据包传输异常得以恢复，切换前未发出或者发送异常的数据包会前转到新的基站继续发送，并保证数据的顺序不混乱，能显著提高LTE基站上下行传输的丢包率指标，使得数据完成性和安全性得到明显提高，能够有效提高TD-LTE系统的性能。附图说明 具体实施方式[0025] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。 [0026] 参见图1所示，本发明实施例提供一种用于地铁轨道通信的基于1.8GHz的TD-LTE(Time Division Long Term Evolution，分时长期演进)系统，用于与地面的CBTC系统交互，该TD-LTE系统包括EPC(Evolved Packet Core，演进分组核心网)、车载终端设备、若干LTE基站，该TD-LTE系统工作在1.8GHz频段，EPC与地面的CBTC系统相连，若干LTE基站沿地铁轨道线路分布，并通过光纤经交换机连接到EPC，每个LTE基站将BBU(Building Baseband Unit，室内基带处理单元)、RRU(Remote Radio Unit，远端射频模块)集成到一体化机箱内；车载终端设备包括车头LTE CPE(Customer Premise Equipment，客户终端设备)、车尾LTE CPE，车头LTE CPE、车尾LTE CPE均与车载CBTC系统相连，并通过无线网络与LTE基站连接； EPC配置、管理整个TD-LTE系统，例如：EPC通过千兆以太网的光纤、交换机/路由器与所有的LTE基站相连，根据需求配置地面的CBTC系统。 [0027] 本发明实施例中的TD-LTE系统在地铁列车的车头、车尾各安装一台LTE CPE，车头LTE CPE与车尾LTE CPE协同工作，车头LTE CPE、车尾LTE CPE内部运行路由选择算法，根据无线状态、切换状态或者EPC指令来进行自动路由选择，利用两台LTE CPE不可能同在切换区的特点，选择无线环境较好的一个进行传输，保证不同业务的QoS(Quality of Service，服务质量)，保证数据安全和完整性，提高系统性能。 [0028] 本发明实施例将TD-LTE系统的QoS粒度从传统的单UE细化到单业务，从源、目的IP地址、端口号、协议类型等参数区分业务，为之分配不同QoS，保证高优先级业务的传输带宽和传输延时。在无线环境较好的情况下，所有业务能够正常传输，但是当进入重叠覆盖区，因为两个基站的下行信号互为干扰，重叠覆盖区的的传输流量将受到很大抑制，此时为了保证QoS优先级级别高的业务传输，将降低或者停止低优先级级别的业务，等系统无线信号恢复，流量增加时，将自动回复低优先级业务的传输。 [0029] 传统LTE系统采用BBU(Building Baseband Unit，室内基带处理单元)+RRU(Remote Radio Unit，远端射频模块)的基站架构，通常室内分布系统采用电缆的电分布方式，而BBU+RRU方案则采用光纤传输的分布方式。基带BBU集中放置在机房，RRU可安装至楼层，BBU与RRU之间采用光纤传输，RRU再通过同轴电缆及功分器(耦合器)等连接至天线，即主干采用光纤，支路采用同轴电缆。本发明实施例中的TD-LTE系统中的LTE基站将BBU、RRU集成到一个机箱内部，减小设备体积，便于设备在轨道内部布设；采用全铝压铸机箱，提高设备散热能力，适应轨道封闭应用环境。 [0030] TD-LTE技术是第3代移动通信技术的进一步演进，引入了OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址)与多天线技术等空口增强技术。结合目前的地铁运营环境和今后的发展，本发明实施例中基于1.8GHz的TD-LTE系统具备以下优点： [0031] (1)使用专用频段，不存在外部系统的频率干扰； [0032] (2)支持高速移动性，能够应对未来10年可能出现的高速城市轨道交通； [0033] (3)具有较高的通用性和市场基础，能够延长系统的使用周期，得到更好的投资收益比； [0034] (4)能对不同的业务进行优先级区分，分配相匹配的QoS(Quality of Service，服务质量)等级，对业务、维护、告警等数据流进行分级。 [0035] 综上，可以看出：基于1.8GHz的TD-LTE系统不仅从根源上规避了无线受干扰的问题，最大化地保障了行车运营安全，同时也充分考虑到将来的轨道交通发展趋势，兼顾运营单位的长期效益。 [0036] 本发明实施例是专门针对地铁轨道通信设计的解决方案，通过充分研究和分析地铁应用的特点，有针对性地对传统LTE系统进行了优化和改进，使之更加契合地铁环境，在地铁环境下提供更加优良的业务性能，具体技术指标的对比参见表1所示，传统LTE系统采用BBU+RRU的基站架构，基于1.8GHz的TD-LTE系统采用一体化的基站架构，将BBU、RRU集成到一体化机箱内；传统LTE系统的QoS粒度体现在UE(用户设备)上，切换速度中等，切换丢包较多；基于1.8GHz的TD-LTE系统的QoS粒度体现在UE的单业务上，切换速度较快，切换丢包较少；传统LTE系统的无线连接、信道调度复杂，适应多种环境；基于1.8GHz的TD-LTE系统的无线连接、信道调度简单，速度明显提高；传统LTE系统的网管仅监控LTE基站，基于1.8GHz的TD-LTE系统的网管同时监控LTE基站和CPE。 [0037] 表1、基于1.8GHz的TD-LTE系统与传统LTE系统的技术指标对比 [0038]技术指标 基于1.8GHz的TD-LTE系统 传统LTE系统 基站架构 一体化 BBU+RRU QoS粒度 UE的单业务 单UE(用户设备) 切换速度 快 中 切换丢包 少 多 无线、信道调度 简单，速度提高 复杂，适应多种环境 网管监控 LTE基站和CPE LTE基站 [0039] 地铁轨道中的列车做线性化的运动，其上下行链路的估计可以进行简化，从而加快信道调度的算法，使得UE(用户设备)能够以最快的速度调高调制阶数、分配充分的无线资源块，达到最优传输带宽。增加前转功能，使得在切换时发生的数据包传输异常得以恢复，切换前未发出或者发送异常的数据包会前转到新的基站继续发送，并保证数据的顺序不混乱，能显著提高LTE基站上下行传输的丢包率指标，使得数据完成性和安全性得到明显提高，能够有效提高TD-LTE系统的性能。 |
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