基于LTE技術的城市軌道交通車地通信綜合業務承載可行性分析

王先磊

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基于LTE技術的城市軌道交通車地通信綜合業務承載可行性分析

王先磊

南寧軌道交通集團有限責任公司運營分公司，廣西 南寧 530028

針對WLAN技術存在的一些主要問題，對TD-LTE技術的特點和優勢進行了簡明的陳述，并通過對城市軌道交通現有通信業務的需求分析，提出了將LTE應用于城市軌道交通車地通信綜合業務承載的一種可行性思路，為今后軌道車地通信建設提供參考。

城市軌道交通；車地通信；TD-LTE

隨著我國大城市人口的急劇膨脹，交通擁堵、阻塞和混亂的現象日益嚴重。因此，各大城市都在大力發展自己的城市軌道交通體系。目前，全國已有39個城市獲批建設地鐵，預計到2020年，全國地鐵總里程將達到6000km，投資達到4萬億。伴隨著城市軌道的發展，各種涉及安全營運、舒適坐乘的通信需求也日益增加。如何將車地無線通信等信息技術應用于城市軌道交通CBTC、列車狀態信息、CCTV、PIS等系統，營造高效、舒適、便捷的城市軌道交通體系以滿足人們不斷增長的出行需求，已經成為城市軌道交通領域令人關注的一個焦點[1]。

1 目前城市軌道交通通信系統中存在的問題

目前，城市軌道交通的車地無線通信主要采用工作在2.4GHz開放頻段的無線局域網技術（以下簡稱WLAN技術）。所有使用2.4GHz WLAN技術的設備均為信號無線車-地通信系統的干擾源，系統不可避免的會遭到民用通信產品（MiFi，WiFi，藍牙等）的干擾，而且隨著將來無線智能城市的建設以及手機上網應用的普及，將會有更多的干擾源出現。而且近期發生的城市軌道交通信號系統車地通信受到民用3G熱點設備干擾，導致列車正常運行受到較為嚴重影響的情況已逐漸顯現。表1為某城市軌道交通集團現有車地無線系統（為統一說明，本文規定列車至地面傳輸方向為上行方向，反之為下行方向）。

表1 現有車地無線系統

由表1可以看出，軌道交通車地無線通信存在著多業務對應多系統，施工建設成本較高，難度加大，也給維護管理帶來了不便。如果能找到一個綜合承載的通信平臺，將會大大降低施工和維護的成本和難度。然而，由于WLAN技術存在的一些局限性，使得利用WLAN作為車地無線通信綜合承載平臺存在諸多難點，主要有：

（1）移動速度限制。WLAN技術不是為高速移動而設計的通信技術，在高速移動的情況下，OFDM報頭開銷中頻率校正部分不能適應多普勒頻移，導致誤碼率急劇增加，甚至引起通信中斷。一些仿真和研究表明，在較低速度移動的前提下，WLAN才能同時保證較大的傳輸速率和較低的誤碼率。

（2）發射功率限制。由于CBTC、CCTV和PIS目前均采用基于IEEE 802.11的無線設備，工作在ISM（Industrial Scientific Medical）頻段，而國家無線電管理委員會對工作在這一頻段的無線設備有嚴格的功率限制（等效全向增益小于27dBm），較小的發射功率使得AP的覆蓋范圍短，這一方面需要在軌道沿線安裝大量的AP及附屬設備，使得系統的可靠性降低，一方面造成列車在運行中頻繁在AP間切換，降低通信的服務水平，影響傳輸質量。同時，無線設備發射功率的偏低也使在利用漏泄波導、漏泄電纜等傳輸媒介傳輸車地信息時，需要設計復雜的射頻鏈路，以克服較大的耦合損耗。

（3）無線干擾。ISM頻段是一個開放頻段，使用不需要無線電管理部門的批準，也無需付費，因此很多民用設備都工作在這一頻段，如WIFI、藍牙、微波爐等。它們都可能對城市軌道交通的車地無線傳輸產生干擾。2012年8月到11月，深圳地鐵2號線、5號線就多次發生由于無線干擾影響列車運營的事故[2]。

（4）多業務并發時無法按優先級調度。由于WLAN技術的固有機制，在車地無線傳輸時，無法區別對待所傳輸的各業務數據包的傳輸質量，無法在傳輸質量不理想，帶寬不足的情況下，優先保證高優先級業務的實際帶寬，而對于城市軌道交通現有的CBTC、PIS、CCTV等業務而言，CBTC是列車運行的基本條件，優先級明顯高于CCTV、PIS等業務，必須得到重點保護。

2 車地通信綜合承載業務的需求分析

（1）CBTC系統應用需求

CBTC系統無線覆蓋范圍：正線（含折返線、聯絡線）、出入段（場）線、段（場）咽喉區、段（場）車庫內、試車線。

CBTC系統具有對實時性要求高，對帶寬要求低的特點，一般都要求在無線覆蓋范圍內任意地點都應實現紅藍雙網覆蓋，上下行有效帶寬不低于各100kbps，越區切換時延不高于150ms，誤碼率不高于0.01%，丟包率不高于0.8%[3]。

（2）CCTV系統應用需求

正常情況下，一般一列列車全線需向控制中心上傳2路客室監控視頻信息，按照高清傳輸大約4Mbps的帶寬要求，則兩路上行帶寬為8Mbps，時延不高于300ms，丟包率不高于0.8%。

（3）PIS系統應用需求

PIS視頻采標清圖像質量，只有下行需求沒有上行需求，每列車業務信息承載帶寬為下行2Mbps。在AP正常覆蓋范圍內，考慮到無線小區不可能會同時存在兩列列車的情況，因此PIS圖像的下發總帶寬需求為2Mbps，時延不高于300ms，丟包率不高于0.8%。

3 TD-LTE綜合承載技術分析

TD-LTE（以下簡稱LTE）是基于OFDMA技術、由3GPP組織制定的全球通用標準，是一種專門為移動高寬帶應用設計的無線通信標準。LTE技術在設計之初就考慮了高速移動高吞吐率的需求，在20MHz帶寬組網情況下，峰值速率下行可達100Mbps，上行可達50Mbps，完全滿足城市軌道交通對綜合承載業務平臺的需求[4]。針對WLAN所面臨的幾個問題，LTE都有自己的解決方案。

表2 LTE的業務服務質量分類

（1）高速移動支持

為解決高速下的多普勒頻偏，LTE在設計上主要采用在基站側接收機利用自動頻率控制來進行頻率糾偏（AFC）。AFC通過快速測算高速帶來的頻率偏移，補償多普勒效應，改善無線鏈路的穩定性，從而提高解調性能。從LTE在高鐵上的應用來看，體驗效果應該是相當不錯的。

（2）抗干擾技術

針對無線空間中存在的干擾，LTE采用ICIC進行小區間的干擾協調，采用IRC技術進行干擾消除。ICIC通過管理無線資源使得小區間干擾得到控制，是一種考慮多小區資源使用和負載的無線資源管理功能。IRC算法同時考慮的干擾和噪聲的影響，對干擾抑制合并，是一種先進的干擾抑制算法。IRC在很大程度上提高了上行信號的接收質量，特別是對于“掉話率”、“指派成功率”等指標的改善明顯。

從用戶感知的角度來說，IRC技術應用提升了上行質量，上行傳輸速率普遍得到提高，特別是在進行大數據量上傳時，用戶體驗感知明顯得到改善。同時，IRC技術的應用還可以提升小區內平均數據的吞吐率，特別是對于小區邊緣的改善比較明顯。

（3）服務質量保障

LTE系統可以實現9個調度優先級，并且按照預定義的可能承載業務類型，對應不同的服務質量（時延、丟包率等）要求，可以定義9個QCI（服務質量類別標識）。系統根據QCI對應的優先級進行資源分配和調度，以確保在極端情況下優先保障高優先級業務的服務質量。研究表明，LTE的QOS業務承載能力可塑性很強，具備相當的開放能力。

對應城市軌道交通車地通信業務，可以將CBTC信號承載業務的優先級設置為1，具有最高的優先級較低的時延和丟包率，將CCTV業務的優先級設置為4，PIS業務的優先級設置為5，完全能滿足各種業務的實際需求。

隨著城市軌道交通服務水平和管理水平的不斷提高，城市軌道交通對車地無線通信系統的性能提出了更高的要求。LTE技術在城市軌道交通專網當中具有高度的應用價值，克服了地鐵的電磁環境，實現了大帶寬傳輸以及高速移動的重要目的，完成了多業務承載，有助于搭建可靠的地鐵車地無線通信傳輸平臺。將LTE應用于城市軌道交通通信業務的綜合承載是一項較新的研究課題，LTE在具備本文所述的優勢的同時，也有建設成本較高、組網復雜等一些具體的問題。如何充分發揮LTE固有的特點，盡量彌補其自身的弱點，將是下一步工作的重點內容。

[1]繆琦.軌道交通未來投資超十萬億[N].第一財經日報，2015-09-10（A03）.

[2]聶明星，蔣新華.基于WLAN快速移動接入仿真研究[J].計算機工程與應用，2009（27）：99-101.

[3]韓冰.大唐移動TD-LTE高速公路覆蓋方案[J].通信世界，2012（33）：35.

[4]宋譜，孫震強，李英奇.LTE無線網絡QOS業務承載能力分析[J].電信技術，2015（02）：32-37.

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