基于LTE的乘客信息系統車地無線通信方案研究

穆瀟 夏昕

摘 要:本文對城市軌道交通乘客信息系統的車地無線通信方案及建設現狀進行了分析,發現現有方案不能完全滿足系統需要,而LTE技術是一項更適合更先進的新技術,并探討了LTE系統應用于車地無線通信的優點及實施方案。

關鍵詞:城市軌道交通乘客信息系統車地無線通信LTE

中圖分類號:TN92 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)05(b)-0004-02

乘客信息系統(PIS)是依托多媒體網絡技術,以計算機系統為核心,以車站顯示終端和車載顯示終端為媒介向乘客提供信息服務的系統。乘客信息系統車-地無線通信網絡是將地面乘客信息系統和車載乘客信息系統聯系起來的紐帶,車載乘客信息系統可以通過車-地無線通信網絡實時接收地面乘客信息系統各種信息,在車載顯示終端上播放;同時,車載乘客信息系統利用車-地無線通信網絡,將車輛上的視頻監控信息傳輸至線路控制中心,供運營及公安人員調看,提高了軌道交通的運營管理能力。乘客信息系統車地無線通信網絡的建設將乘客信息系統的功能延展到列車車廂,使乘客在移動的列車上依然可以獲取大量的實時信息,并能向列車上發布運營信息和緊急信息,提高了乘客的舒適度,提高了運營安全,提升了地鐵的形象。

另一方面,線路控制中心可以實時調看正在線路上運營列車車廂內的視頻監控圖像,為線路控制中心人員處理突發事件,提供了直觀、準確的現場資料,提升了地鐵處置車廂內突發事件的能力。

1 PIS車地無線系統建設現狀及未來需求

1.1 建設現狀

目前國內已建及在建的PIS車地無線系統主要包括無線局域網(WLAN)、數字移動電視技術(DVB-T)兩種方案。

1.1.1 無線局域網(WLAN,Wireless Local Area Network)

地鐵PIS系統中常見的車地無線方案是基于802.11g標準的無線局域網(WLAN)。WLAN作為有線局域網的延伸,遵循802.11a/b/g/n等協議,可提供地面與列車通信的手段。WLAN是在目前技術水平及國內政策支持下,唯一可以實現列車與地面之間的雙向高速通信的系統,既能夠廣播發送下行PIS信息,又能夠將車廂內的視頻監控信息上傳到中心。但目前采用的WLAN方案具有很大的局限性:WLAN網絡在固定情況下能提供高達54Mbps的數據帶寬,但在支持步速移動情況下提供11～13Mbps的數據帶寬,僅能實現標清信號的傳輸,暫不能滿足高清的要求;系統工作在ISM頻段,干擾源多,且需在隧道內安裝大量AP點,增大了維護工作量;AP功率受限,覆蓋范圍小,切換頻繁,導致系統易丟包,造成視頻畫面停滯或馬賽克。

1.1.2 數字移動電視技術(DVB-T)

數字移動電視以數字技術為支撐,通過無線數字信號發射、地面數字接收的方式進行電視節目傳播。它最大的特點是傳輸帶寬比較寬,在處于移動狀態、高速行駛的交通工具上,能保持電視信號的穩定接收和清晰播放。采用單頻網技術,可以完成無縫切換,有較好的覆蓋效果。同時,由于數字移動電視技術采用OFDM調制系統,能很好的支持移動性。但DVB-T應用于PIS系統其最大的局限性是:只能單向廣播發送下行信息,不能將車廂內的視頻監控信息上傳到中心。因此采用DVB-T進行車地無線通信的PIS系統多見于建設運營較早的線路。

1.2 系統需求分析

隨著城市軌道交通建設的飛速發展,PIS系統扮演者越來越重要的角色。目前看來,PIS車地無線系統對上行傳輸實時錄像監控信號,下行傳輸高質量的視頻信號需求是相當迫切的。

地鐵列車一般由6～8車廂組成,其中車頭、車尾還有兩個駕駛室,車輛監控方案中每節車廂放置2個攝像機,車頭車尾各一個,全車共14～18個攝像機。為保障監控效果,每個攝像機的編碼帶寬至少為2Mbps,但考慮目前-地無線通信條件,建議車輛監控以同時上傳兩路圖像為主(可輪巡或人工指定),其他攝像機監控數據車載設備本地存儲。

PIS系統車地無線通信帶寬需求如下:

下行帶寬需求:由控制中心向列車下發送2路視頻信息,D1(720x576)圖像質量,帶寬約8Mbps;

上行帶寬需求:每列列車向控制中心至少上傳2路車載CCTV的視頻信息,D1(720x576)圖像質量,每路按2Mbps計算,帶寬約為4Mbps;每列列車向控制中心上傳所有車載CCTV的視頻信息,以8輛編組,每節車廂2個攝像機計算,共計18路/車,以D1(720x576)圖像質量上傳,每路按2Mbps計算,帶寬約為36Mbps。

就目前PIS系統應用的最先進的WLAN系統而言,在高速移動情況下11～13Mbps的帶寬遠遠達不到系統需求,迫切需要采用新技術解決車地無線通信帶寬及高移動性問題。LTE技術的不斷發展與成熟為解決該問題提供了可靠的技術支持。

2 LTE技術

2.1 系統構成及特點

LTE（Long Term Evolution）以OFDM/FDMA為核心，可以被看作“準4G”技術。能夠在20MHz頻譜帶寬能夠提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率； 支持100Km半徑的小區覆蓋；為350Km/h高速移動用戶提供>100kbps的接入服務；除了20MHz的最大帶寬外，還能支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz等系統帶寬，以及“成對”與“非成對”頻段的部署，以保證將來在系統部署上的靈活性；系統延遲低，用戶平面內部單向傳輸時延低于5ms，控制平面從睡眠狀態到激活狀態遷移時間低于50ms，從駐留狀態到激活狀態的遷移時間小于100ms；具有簡單的網絡架構和軟件架構，以信道共用為基礎，以分組域業務為主要目標，系統在整體架構上將基于分組交換，可通過系統設計和嚴格的Qos機制，保證實時業務的服務質量。

總之,LTE系統采用分組傳送、延遲低、能夠在高移動情況下實現無縫覆蓋的高數據速率,較WLAN、DVB-T技術更能滿足PIS系統雙向視頻傳輸的需求。三項技術特點及應用對比見表1。

2.2 關鍵技術

LTE的關鍵技術主要有OFDM和MIMO。

2.2.1 正交頻分復用技術(OFDM)

OFDM的基本原理是將一個較寬的頻帶分成若干個彼此正交的子載波,在每個子載波上進行窄帶調制和傳輸這樣既減少了子載波間的相互干擾,同時又提高了頻譜利用率。如果各子載波所占帶寬足夠窄,它們將分別經歷平坦衰落,大大減少了符號間干擾(ISI)。OFDM技術是LTE系統的技術基礎與主要特點,具有諸多優勢,例如在頻率選擇性衰落信道中具有良好的性能,基帶接收機復雜性低,擁有較好的頻譜特性和較強的多寬帶處理能力等。

2.2.2 多輸入輸出(MIMO)

MIMO技術包含空分復用、空間分集、波束賦形等多項技術,其主要思想是在多組不相關的天線上分別發送多個數據流,把傳統通信系統中損害系統性能的多徑衰落因素轉變成對用戶通信性能有利的增強因素。該技術能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統的容量和頻譜利用率,是無線通信系統實現高數據速率傳輸和提高傳輸質量的重要途徑。

2.3 TDD-LTE和FDD-LTE

LTE作為3G技術的演進,目前主要分為TDD-LTE和FDD-LTE兩種;

FDD-LTE是在分離的兩個對稱頻率信道上進行接收和發送,用保護頻段來分離接收和發送信道。FDD必須采用成對的頻率,依靠頻率來區分上下行鏈路,其單方向的資源在時間上是連續的。FDD在支持對稱業務時,能充分利用上下行的頻譜,但在支持非對稱業務時,頻譜利用率將大大降低。

TDD-LTE用時間來分離接收和發送信道。在TDD方式的移動通信系統中,接收和發送使用同一頻率載波的不同時隙作為信道的承載,其單方向的資源在時間上是不連續的,時間資源在兩個方向上進行了分配。在支持非對稱業務時,其頻譜利用率較高。

由此可見,TDD-LTE技術是更適合PIS系統特點及中國國情的一項技術,TDD-LTE用時間來分離接收和發送信道,在采取不同配置下,上、下行帶寬能夠較好的根據需求進行分配,頻譜利用率高,對非對稱業務支持好,且由于TDD-LTE源于TD-SCDMA技術的研究,中國企業擁有更多的知識產權。

3 系統設計

基于LTE的PIS車地無線通信系統,其主要設備包括設置在控制中心的LTE交換設備、設置在車站的LTE基帶設備(BBU)、沿途隧道內的光纜、設置在區間的LTE遠端設備(RRU)及合路設備、車載的無線單元和天線等設備。LTE中心交換設備通過傳輸系統與各車站LTE基帶設備(BBU)相連,車站LTE基帶設備通過隧道內敷設的光纜與區間LTE遠端設備(RRU)相連,LTE遠端設備通過跳線及合路設備與漏纜連接。

BBU放置于車站機房內,主要作用是完成Uu接口的基帶處理功能(適合空中傳輸的信道編碼、復用、調制和擴頻等)。RRU為射頻處理單元,放置于隧道,主要功能是發送和接收射頻信號。信號從RRU射頻口輸出后經過衰減器饋入無線覆蓋系統。TDD-LTE在下行可考慮采用MIMO技術達到下行帶寬的雙倍復用,但結合地鐵建設來看,MIMO技術造成的成本壓力會很大,是否啟用MIMO可根據下行帶寬最終需求來確定。

TDD-LTE系統可以根據業務類型及帶寬需求靈活配置TDD-LTE幀的上、下行配比,如2DL:2UL、3DL:1UL等。同時,系統應按車站雙向隧道劃分小區,將地鐵在兩個運行方向上劃分成不同小區,并利用小區合并技術,減少小區數量及切換次數。這樣可以使地鐵兩個運行方向上,都獲得足夠的資源支持大數據傳輸。

4 結語

本文對目前PIS車地無線通信建設情況的進行了簡單的分析和比較,WLAN技術是目前普遍采用的一種技術,但由于該技術一直是為固定接入網服務的,導致對移動性的支持不足,當列車行進時,無法完全保證PIS系統所需帶寬。LTE作為一項逐步發展完善的技術,是更適合PIS車地間的無線通信的技術。隨著城市軌道交通領域安全壓力的逐漸加大,地鐵車廂內的視頻監控實時上傳的要求也提上了日程,車地無線帶寬需求及質量有了更高要求,基于TDD-LTE的車地無線通信系統提供了可靠的技術支持。同時,該技術在城市軌道交通領域的應用也可推動TDD-LTE技術的進一步發展與完善。

參考文獻

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