基于長期演進（LTE）技術的城市軌道交通車 地通信網絡研究＊

徐 彥 趙 嵩

（1.鄭州鐵路職業技術學院機車車輛學院，450052，鄭州；2.鄭州航空工業管理學院電子通信工程系，450015，鄭州∥第一作者，講師）

我國城市軌道交通乘客信息系統（PIS）采用的車－地無線通信系統基本使用 WLAN（無線局域網）系列技術，如北京地鐵10號線PIS、西安地鐵2號線PIS等。但是，由于標準的 WLAN技術不支持快速移動，載波偵聽多路檢測技術影響系統吞吐率和QoS（業務服務質量），導致 WLAN技術存在網絡的可靠性、抗干擾性及帶寬均無法保證的問題，難以滿足城市軌道交通的通信需求。

鄭州軌道交通1號線一期工程于2013年年底通車運行。在1號線的建設過程中，曾面臨車－地信息傳遞技術制式的選擇問題。自2010年起，通過對802.11 WLAN、802.16 Wi MAX、Rail View、TD－LTE（分時長期演進）、DVB－T、MESH等多種無線技術的應用情況進行深入調研，結合國內多家通信運營商的相關技術，及時提出了引入TDLTE技術的觀點，并根據鄭州軌道交通的實際運營情況完成了技術方案研究。該方案已在鄭州軌道交通1號線一期工程最終得以實現。

1 LTE用于車－地無線通信的技術優勢

1.1 LTE技術概述

LTE技術采用正交頻分復用（OFDM）、多輸入多輸出（MI MO）、自適應調制編碼（A MC）及混合自動重傳（HARQ）等技術，在20 MHz頻譜帶寬下能夠提供下行150 Mbit／s與上行75 Mbit／s的峰值速率，同時在改善小區邊緣用戶的性能、提高小區容量和降低系統延遲等方面有顯著提升。

LTE系統同時定義了頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）兩種方式。鄭州市軌道交通1號線無線傳輸系統采用TDD－LTE制式。TDD－LTE具備頻譜申請靈活、上下行資源可調配等特點。LTE較WLAN的技術優勢如表1所示。

表1 與WLAN相比LTE技術的優勢

基于LTE技術的車－地無線通信系統的高速移動性、大帶寬性、有效實施性、先進性、系統標準化、強擴展性和包容性等優勢，可滿足城市軌道交通車輛信息系統對數據傳輸的要求。

1.2 車－地無線通信的需求分析

城市軌道交通車輛控制系統的信號和數據傳輸通過車載設備與車站或控制中心進行交換。通信信息主要分為服務類、安全類、數據類和控制類等。不同類別的信息在傳輸時有具體的技術需求，如表2所示。

表2 城市軌道交通車－地無線通信需求

2 車－地無線通信實施方案

2.1 總體架構

LTE車－地無線解決方案由控制中心級、車站級和車載級三層架構組成，如圖1所示。

（1）控制中心級子系統：為PIS提供車－地寬帶無線系統接口、核心網設備及配套網管平臺。

（2）車站級子系統：由LTE基站及配套設備構成。

（3）車載子系統：主要由車載無線設備（TAU）構成，提供車載PIS的無線傳輸接口。

TD－LTE核心網設備與PIS控制中心分線交換機互聯，實現中心PIS信息在車－地無線傳輸系統的傳輸。接口為2個標準的100 Mbit／s、1 000 Mbit／s以太網接口。接口類型為RJ45。

在車站站臺布置LTE基站的基帶處理單元（BBU）和射頻拉遠單元（RRU）設備，覆蓋站臺周邊區域，根據無線信號覆蓋的要求在區間隧道布置RRU設備延伸無線覆蓋，實現與車載無線設備之間的無線數據通信。各LTE基站通過百兆以太網接入車站網絡交換機，通過通信傳輸系統提供的通道與控制中心連接。

圖1 LTE車－地無線解決方案

正線、出入段、出入場線隧道利用商用無線覆蓋系統漏泄同軸電纜進線覆蓋，將RRU信號合路進漏泄同軸電纜中；車輛段、停車場地面及庫內采用天線覆蓋。

在每列車的車頭、車尾各設置一套TAU，通過車載交換機與車載控制器和LCD（液晶顯示）控制器相連，接收由控制中心提供的實時視頻信息以及向控制中心發送多路實時的車廂監控信息。

本方案可實現鄭州市軌道交通PIS車－地無線組網達到在線運行的每列列車上行帶寬至少為6 Mbit／s。

2.2 無線覆蓋方案

2.2.1 車站組網

基于TD－LTE技術的無線覆蓋方案在車站設置基站BBU和RRU設備。其中，BBU設置于車站弱電綜合設備室；RRU設置于隧道壁靠近漏泄電纜位置，通過合路器與POI（多系統合路平臺）輸出的商用通信系統信號合路，分別將無線信號送入商用收發兩根漏泄電纜中，實現隧道內覆蓋（如圖2所示）。為實現長區間TD－LTE無線信號覆蓋，采用在區間增設RRU、共用區間商用多頻分合路器方式。合路器也放置在隧道壁靠近漏泄電纜位置。RRU及合路器應達到IP65的標準。

TD－LTE信號與其他系統的信號合路后，共用漏泄電纜。為達到在線運行每列車上行帶寬至少6 Mbit／s的要求，需要將上下行隧道的信號獨立成2個小區。由于POI無法將LTE的多路信號隔離后與商用通信系統信號合路，故需要配置額外的合路器，與POI合路后的信號二次合路。車站組網方案如圖3所示。

圖2 RRU設備與二次合路器

圖3 車站組網方案

2.2.2 區間組網

LTE的信號與商用通信系統信號，如GSM（全球移動通信系統）、UMTS（通用移動通信系統）、CDMA（碼分多址通信）等合路后共用漏泄電纜。2根商用漏泄電纜安裝在隧道的右側（按列車前進方向）。4Pat h RRU分別連接左右兩端的2根漏泄電纜，達到2T2R的MI MO效果。

RRU盡量和BBU一起放置在車站。如果車站間距大于相鄰車站RRU的覆蓋能力，需在隧道中增加RRU，通過合路器饋入漏泄電纜的方式進行覆蓋。其他系統采用饋線跳線方式連通。

2.2.3 車輛段組網

車輛段兩個車庫內RRU掛墻安裝，左右兩側使用抱桿安裝2幅天線。BBU安裝在車輛段綜合樓機房內。RRU通過光纖連接到機房的BBU。天線使用3 m抱桿固定在樓頂平臺。

3 車－地無線通信系統TD－LTE性能測試

鄭州軌道交通1號線一期工程自2013年12月28日開通運營至今，其LTE車－地無線網絡總體運行情況良好，除個別站點因施工原因造成GPS（全球定位系統）天線被遮擋導致搜星不足問題，未出現過嚴重的問題或故障；核心網、基站及TAU設備工作正常，監測監控的各項數據指標無誤，基本符合方案設計要求，較好地保障了車地無線網絡的穩定性，極大地減少了維護工作量。車－地無線通信測試數據如表3所示。

表3 車－地無線通信數據測試表

3.1 站間吞吐量情況分析

鄭州軌道交通由于頻段資源有限及業務容量需求的原因，數據傳輸時受到的干擾情況復雜，如需要考慮同向隧道中前后同頻鄰區間的干擾、位于車站兩側雙隧道的兩個小區的相互干擾，以及多徑干擾和電磁干擾等情況。為驗證LTE技術對干擾解決的效果，完成了一次全線往返的PIS車－地無線系統TD－LTE性能測試。測試結果如圖4、圖5所示。

圖4 A站吞吐量測試結果

圖5 B站吞吐量測試結果

由圖4及圖5可知：A站雙向吞吐量為14.039 Mbit／s，地到車吞吐量為7.0 Mbit／s，車到地吞吐量為7.0 Mbit／s；B站雙向吞吐量為11.445 Mbit／s，地到車吞吐量為5.7 Mbit／s，車到地吞吐量為5.7 Mbit／s。兩者均符合LTE車－地通信技術要求。測試中，車輛在區間切換時有吞吐量降低、時延增加的情況，其他時間基本正常，丟包率均為0。

3.2 線路場強情況分析

對上行視頻監控，視頻圖像的壓縮格式采用MPEG－4或H.264，每路視頻圖像所占帶寬為512 kbit／s～1.5 Mbit／s，圖像質量要求達到 D1（720×576）。D1質量的圖像占用帶寬最高也不會超過1.5 Mbit／s。每列車暫按上傳2路視頻圖像考慮，其占用的帶寬最高為3 Mbit／s。為預留一定的上行帶寬滿足地鐵客戶的其它應用需求，按照小區邊緣預留6 Mbit／s帶寬設計，則列車無論出于小區內任何位置，可保證最少6 Mbit／s的上行速率，峰值可達8 Mbit／s左右的上行速率，保證了視頻傳輸的實時性和高質量。上行方向全線場強圖如圖6所示。

需支持單列車下行一路視頻，速率為4～6 Mbit／s；考慮到預留一定的下行帶寬滿足地鐵客戶的其它應用需求，按照小區邊緣預留8 Mbit／s帶寬設計，則列車無論出于小區內任何位置，可保證最少8 Mbit／s的下行速率，峰值可達40 Mbit／s左右的下行速率，保證視頻傳輸的實時性和高質量。下行全線場強覆蓋如圖7所示。

圖6 上行全線場強覆蓋圖

圖7 下行全線場強覆蓋圖

4 效益分析

4.1 社會效益

基于LTE的車－地無線通信技術進一步提高了軌道交通的監控水平，也提高了對乘客的服務質量，為提供優質信息服務搭建了一個嶄新的平臺。目前鄭州軌道交通1號線的乘客信息服務（如廣播、列車運行信息顯示牌等）系統已能滿足乘客對獲得綜合、實時信息（如運營服務信息、公共資訊信息、新聞娛樂信息，以及地鐵事故時應急疏散的聲音、圖像引導等）的需求。LTE作為未來無線技術的發展方向，具有更高的用戶數據速率、更高的系統容量、更好的覆蓋改善，同時可降低運營成本。

4.2 經濟效益

基于LTE的車－地無線通信系統具有更高的綜合經濟效益，主要體現在基礎建設、演進與維護成本，以及增值服務效益等幾個方面。其中，增值服務效益方面，以廣告為例，上海軌道交通在2005年時廣告收入已達2.91億元；南京地鐵1號線在開通的第一年就實現了盈利，其票務收入為1.1億元，而廣告收入達到了4 968萬元；北京地鐵2013年的廣告收入達1.8億元。因此，基于LTE的車－地無線通信系統從空間與時間兩個緯度上提升了經濟效益，降低了運營維護成本。

5 結語

通過分析鄭州軌道交通1號線基于LTE技術的車－地通信系統的方案，并對運行情況完成定期測試，證明LTE技術作為我國城市軌道交通無線通信系統應用發展的方向是合理的。其對軌道交通無線頻率標準化具有示范作用，對綜合平臺下的終端設備標準化具有促進作用。LTE技術有利于軌道交通專業的整合，節約建設資金，并能凈化區間隧道的設備及線路，降低維護成本。

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