CN107197028A - 一种基于td‑lte的轨道交通无线通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于TD‑LTE的轨道交通无线通信系统，采用基于IP的扁平化网络架构，包括为应用层各业务端提供通信通道的A、B两组网络传输子系统，A、B两组网络传输子系统采用双网同时冗余承载方式工作；各传输子系统包括位于核心层的TD‑LTE核心网模块EPC和网管系统，位于接入层的分布式基站eNB，以及位于终端层的车载接入终端TAU。该系统具有完善的TD‑LTE网络间互联互通接口和功能，具备多种业务接入承载能力，能为业务应用系统提供可靠的、冗余的、可灵活重构配置的透明传输信道。
Description
技术领域
该发明属于轨道交通无线电通信技术领域，特别涉及一种基于TD-LTE的轨道交通无线通信系统。
背景技术
目前，城市轨道交通行业使用的无线通信技术主要有TETRA(陆上集群无线电)、GSM(全球移动通信系统)、CDMA(码分多址通信)、3G(第三代移动通信技术)、Wi-Fi(无线局域网)等，按应用可分为商用无线通信、专用无线通信和列车无线通信。其中专业无线通信业务主要分为三部分：以TETRA为代表的语音调度业务，保证CBTC(基于通信的列车自动控制系统)的Wi-Fi网络，车载PIS(乘客信息系统)与CCTV(闭路电视)的专业Wi-Fi网络。三种业务各自独立并单独组网，成本较高，且Wi-Fi网络存在以下问题：Wi-Fi站址多，隧道内维护困难；Wi-Fi高速移动无法保障传输质量，无QoS(业务服务质量)保障机制；Wi-Fi天然免费开放频率，干扰源多。故，从建设、运营、维护成本考虑，TETRA、CBTC系统的Wi-Fi网络及PIS与CCTV的专用Wi-Fi网络投资较高，需优化。
城市轨道交通无线通信需完成以下任务：通过通信系统承载列控信息，通过车厢和轨道的视频监控提高列车运行安全性，以车载PIS业务和车内宽带接入业务提升乘客的出行体验。面对以上需求，迫切需要提供一种基于TD-LTE无线通信的集语音、视频和数据为一体的宽带数字集群技术在轨道交通无线通信系统的应用方案，即，地铁通信系统要用TD-LTE网络为CBTC、车载PIS、车载CCTV提供通道，实现地铁通信无线传输多网合并。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种基于TD-LTE的无线通信系统，应用于轨道交通的无线通信，为业务应用系统提供可靠的、冗余的、可灵活重构配置的透明传输通道。
该TD-LTE车地无线通信系统为CBTC、车载PIS、车载CCTV和语音视频综合调度提供通道。具体技术方案如下：
一种基于TD-LTE的轨道交通无线通信系统，采用基于IP的扁平化网络架构，包括为应用层各业务端提供通信通道的A、B两组网络传输子系统，A、B两组网络传输子系统采用双网同时冗余承载方式工作；各传输子系统包括位于核心层的TD-LTE核心网模块EPC和网管系统，位于接入层的分布式基站eNB，以及位于终端层的车载接入终端TAU。
进一步的，分布式基站eNB包括车站基带处理单元BBU、位于车站通信机房内的射频拉远设备RRU和位于车站通信机房外的轨旁射频拉远设备RRU。
进一步的，TD-LTE核心网模块EPC和网管系统通过专用传输网络与车站基带处理单元BBU连接，车站基带处理单元BBU通过光纤与轨旁射频拉远设备RRU和机房内的射频拉远设备RRU连接，并通过无线电波与车载接入终端TAU进行信号传输；A组网络传输子系统和B组网络传输子系统在终端层通过车载接入终端TAU连接通信。
进一步的，车载接入终端TAU至少包括两组，分别布置在列车车头和列车车尾。
进一步的，A、B两组网络传输子系统使用TD-LTE频段为1785-1805MHz。采用A/B双网冗余覆盖设计，覆盖整个正线及试车线线路。
进一步的，A组网络传输子系统采用5MHz组网，包括A网无线接入和A网核心网；B组网络传输子系统采用15MHz组网，包括B网无线接入网和B核心网；A/B双网并行工作。
进一步的，A组网络传输子系统的上行线路承担CBTC和车辆状态检测，下行线路承担CBTC；B组网络传输子系统的上行路线承担CBTC、CCTV、车辆状态及集群调度，下行路线路承担CBTC、PIS、紧急状态及集群调度。
进一步的，应用层包括CBTC、车载PIS、车载CCTV和语音视频综合调度中的一种或多种。
进一步的，该系统所处的核心层还包括中心路由器、中心交换机，通过中心路由器实现的接入并实现不同业务之间的隔离和网络安全需求，通过中心交换机实现与网管系统、分布式基站eNB信息的交互。
进一步的，该系统所处的核心层还包括CBTC镜像存储，通过CBTC镜像存储实现CBTC数据的备份。
本发明采用基于TD-LTE的轨道交通无线通信系统主要针对传统轨道交通通信系统的通信网络进行了优化，具有的有益效果如下：
(1)基于TD-LTE技术的宽带移动通信系统，具有完善的TD-LTE网络间互联互通接口和功能，为后期接入其他系统预留了接口，并具备多种业务接入承载能力，能为业务应用系统提供可靠的、冗余的、可灵活重构配置的透明传输信道。
(2)TD-LTE技术的数据业务速率和频谱利用率高，优于窄带系统TETRA、GSM-R，也优于WIFI、WiMAX。TD-LTE技术可支持高达350km/h的移动性能，能解决城市轨道交通列车因移动性而导致的数据传输性能下降的问题。
(3)该系统具有频谱灵活性特点，可支持不同大小的频谱分配，可在不同大小的频谱中部署，包括1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz，以及20MHz，支持成对和非成对频谱。
(4)基于TD-LTE技术的宽带移动通信系统，可支持精细的资源调度颗粒度和灵活的调度策略，可以从时间和频率维度区分用户，能保证业务的服务质量(Qos)需求。
(5)采用扁平化组网方案，简化了网络架构，减少了网元数量，系统可靠性高；采用扁平化网络结构，有效地缩短了端到端的数据传输时延，更加满足城市轨道交通特别是信号系统的应用。
(6)该系统为连接列车和车站之间的应用层提供通信通道，能综合承载车辆、信号、PIS、通信等专业的车地之间的业务信息轨道交通无线通信系统中将具有广泛的应用。
附图说明
图1基于TD-LTE的轨道交通无线通信系统框架图
图2 A、B网整体业务划分和带宽划分示意图
具体实施方式
该TD-LTE车地无线通信系统包括A、B两组网络传输子系统，各传输子系统主要由TD-LTE核心网模块EPC、网管系统、分布式基站eNB、车载接入终端TAU组成，整体网络架构采用基于IP的扁平化网络结构。该系统为应用层中的CBTC、车载PIS、车载CCTV和语音视频综合调度(即集群调度)提供通道。
A、B两组网络传输子系统采用双网同时冗余承载方式工作，即A、B双网络业务不存在主备之分，同时承载业务数据，为应用层各业务端提供通信通道。各传输子系统中，TD-LTE核心网模块EPC和网管系统位于核心层，分布式基站eNB位于接入层，车载接入终端TAU位于终端层。
核心层主要包括TD-LTE核心网模块EPC和网管系统，以及中心交换机、中心路由器和CBTC镜像存储等设备。
LTE核心网模块EPC用于对整个无线网络基站设备、终端的认证管理、加密管理、入侵检测、UE ID的分配、安全性和切换、漫游控制、用户数据业务管理、路由等功能。网管系统负责对系统网络设备和车载接入终端TAU(即车载专用终端设备TAU)进行集中操作维护管理。通过中心路由器实现信号系统和PIS、CCTV等系统业务的接入，同时实现不同业务之间的隔离和网络安全需求。通过中心交换机实现与无线调度平台、网管、基站信息的交互。通过CBTC镜像存储实现信号系统数据备份。
接入层，即分布式基站eNB，主要包括位于车站通信机房内的车站基带处理单元BBU、射频拉远设备RRU，以及位于车站通信机房外的轨旁射频拉远设备RRU。
核心层和接入层之间通过RJ45电口连接。车站基带处理单元BBU通过RJ45电口接入交换机后与专用传输系统设备连接，以完成TD-LTE核心网模块EPC和网管系统与车站基带处理单元BBU所需的IP连接通道；车站基带处理单元BBU通过光纤与机房内的RRU和轨旁射频拉远设备RRU连接，并通过无线电波与车载接入终端TAU进行信号传输。
应用层主要包括CBTC业务系统、车载PIS业务系统、车载CCTV业务系统和集群调度系统。通过本发明所公开的无线通信系统，即A和B两组网络传输子系统，为应用层各业务端提供通信通道，以实现轨道交通通信无线传输的多网合并。
终端层主要包括多条正线线路和试车线线路。各列车车头和车尾分别通过相应的车载接入终端TAU连接B组网络传输子系统和A组网络传输子系统，车载终端内部的系统网络系统组成可采用现有技术实现，此处不再赘述。
下面结合具体实施例及附图进一步说明,如图1所示，基于TD-LTE的轨道交通无线通信系统由核心层、接入层、终端层和应用层组成。具体介绍如下：
该系统在控制中心专用通信机房集中放置中心设备，包括位于核心层的LTE核心网模块EPC、网管系统、相应的中心路由器、中心交换机等网络传输设备，以及CBTC镜像存储、电源系统等配套设备。
在车站通信机房内设置接入层中的BBU设备，BBU通过RJ45电口接入交换机后与专用传输系统设备连接，完成EPC与BBU所需的IP连接通道；BBU通过光纤与轨旁RRU和设备室内的RRU连接。
A组网络传输子系统和B组网络传输子系统在终端层分别通过终端层的车载接入终端TAU连接通信，实施例中通过位于列车车头和车尾的车载接入终端TAU连接通信，从而为包括CBTC业务系统、车载PIS业务系统、车载CCTV业务系统和集群调度系统的应用层各业务系统提供了通信通道。
根据业务承载需求，为了保证网络的可靠性，整体方案采用A/B双网冗余覆盖设计，使用TD-LTE频段为1785-1805MHz。A组网络传输子系统(简称A网)采用5MHz组网，包括A网无线接入和A网核心网；B组网络传输子系统(简称B网)采用15MHz组网，包括B网无线接入网和B核心网，A/B双网并行工作。
整体业务划分和带宽划分如图2所示，A(位于车头)、B(位于车尾)网覆盖整个正线及试车线线路，A网带宽为5MHz，A网上行线路承担CBTC和车辆状态检测，下行线路承担CBTC；B网带宽为15MHz，B网上行路线承担CBTC、CCTV、车辆状态及集群调度，下行路线路承担CBTC、PIS、紧急状态及集群调度。
实施例中所公开的基于TD-LTE的无线通信系统的主要性能参数如表1所示：
表1
通过上表性能参数分析可见本发明所公开的基于TD-LTE的轨道交通无线通信系统相对于传统轨道交通通信系统具有以下不同点：
(1)使用的频率资源不同：TD-LTE需要部署在授权许可的专用频率资源上(本方案为1785-1805MHz)。传统轨道交通通信系统工作在免许可共享频段，与蓝牙、Zigbee等系统使用频率资源相同，容易受到其它系统的干扰。
(2)覆盖及移动性支持能力不同：TD-LTE具备连续覆盖能力，通过切换、小区重选等比较完备的移动性管理流程，能给用户提供无缝的业务体验。传统轨道交通通信系统在设计目标是热点覆盖，不支持切换等移动性管理流程。
(3)资源调度方式不同：TD-LTE支持精细的资源调度颗粒度和灵活的调度策略，可以从时间和频率维度区分用户，能保证业务的服务质量(Qos)需求。传统轨道交通通信系统采用用户间竞争抢占的机制来调度用户，某一时刻，资源为一个用户所独占，因此用户数较多的时候更易产生碰撞，资源利用效率较低。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于TD-LTE的轨道交通无线通信系统，其特征在于，采用基于IP的扁平化网络架构，包括为应用层各业务端提供通信通道的A组网络传输子系统和B组网络传输子系统，A、B两组网络传输子系统采用双网同时冗余承载方式工作；各传输子系统包括位于核心层的TD-LTE核心网模块EPC和网管系统，位于接入层的分布式基站eNB，以及位于终端层的车载接入终端TAU。
2.如权利要求1所述的轨道交通无线通信系统，其特征在于，分布式基站eNB包括车站基带处理单元BBU、位于车站通信机房内的射频拉远设备RRU和位于车站通信机房外的轨旁射频拉远设备RRU。
3.如权利要求2所述的轨道交通无线通信系统，其特征在于，TD-LTE核心网模块EPC和网管系统通过专用传输网络与车站基带处理单元BBU连接；车站基带处理单元BBU通过光纤与轨旁射频拉远设备RRU和机房内的射频拉远设备RRU连接，并通过无线电波与车载接入终端TAU进行信号传输；A、B两组网络传输子系统在终端层通过车载接入终端TAU连接通信。
4.如权利要求3所述的轨道交通无线通信系统，其特征在于，车载接入终端TAU至少包括两组，分别布置在列车车头和列车车尾。
5.如权利要求1所述的轨道交通无线通信系统，其特征在于，A、B两组网络传输子系统使用TD-LTE频段为1785-1805MHz。
6.如权利要求1所述的轨道交通无线通信系统，其特征在于，A组网络传输子系统采用5MHz组网，包括A网无线接入和A网核心网；B组网络传输子系统采用15MHz组网，包括B网无线接入网和B核心网；A/B双网并行工作。
7.如权利要求1所述的轨道交通无线通信系统，其特征在于，A组网络传输子系统的上行线路承担CBTC和车辆状态检测，下行线路承担CBTC；B组网络传输子系统的上行路线承担CBTC、CCTV、车辆状态及集群调度，下行路线路承担CBTC、PIS、紧急状态及集群调度。
8.如权利要求1所述的轨道交通无线通信系统，其特征在于，所述应用层包括CBTC、车载PIS、车载CCTV和语音视频综合调度中的一种或多种。
9.如权利要求1所述的轨道交通无线通信系统，其特征在于，该系统所处的核心层还包括中心路由器、中心交换机，通过中心路由器实现的接入并实现不同业务之间的隔离和网络安全需求，通过中心交换机实现与网管系统、分布式基站eNB信息的交互。
10.如权利要求1所述的轨道交通无线通信系统，其特征在于，该系统所处的核心层还包括CBTC镜像存储，通过CBTC镜像存储实现CBTC数据的备份。
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