LTE技術在地鐵無線通信中的應用

范新偉

（中國移動通信集團設計院有限公司重慶分公司 重慶市渝北區 401121）

LTE技術在地鐵無線通信中的應用

范新偉

（中國移動通信集團設計院有限公司重慶分公司 重慶市渝北區 401121）

本文主要結合筆者多年工作經驗闡述了LTE技術的基本原理、城市軌道交通無線通信的現狀以及LTE技術在地鐵無線通信中的應用，希望能夠為同行借鑒和參考。

LTE；地鐵；無線通信；上行；下行

引言

隨著無線通信技術的不斷發展，無線通信技術被廣泛的運用在地鐵無線通信中。目前運用于地鐵交通的無線通信技術主要有3G技術、GSM技術、TETRA技術以及WiFi技術等。隨著軌道交通行業對無線通信要求的不斷提高以及無線通信技術的不斷發展，LTE已經開始逐漸被嘗試運用到地鐵無線通信中并且取得了一定的效果，LTE的改進目標是實現更高的數據速率、更短的時延、更低的成本，更高的系統容量以及改進的覆蓋范圍。LTE是當前世界眾多通信組織、研究機構、設備廠商、通信運營商選擇向4G發展的演進方向。

1 LTE技術內涵

1.1 LTE主要技術參數

LTE就是3GPP Long Term Evolution的縮寫，指3GPP長期演進。LTE也被通俗的稱為3.9G，具有100Mbps的數據下載能力，被視作從3G向4G演進的主流技術。LTE系統采用“扁平”的無線訪問網絡結構，無RNC節點。實現了全IP路由，網絡結構趨近于IP寬帶網（internet）。LTE主要技術參數如表1。

表1 LTE主要技術參數

1.2 LTE基本原理

1.2.1 正交頻分復用（OFDM）基本技術

頻分復用/頻分多址（FDM/FDMA）傳輸方式：其實是一種傳統的技術，將較寬的頻帶分成若干較窄的子載波進行并行發送時最樸素的實現寬帶傳輸的方法頻譜效率低：為了避免子載波間的干擾，在相鄰子載波間保留足夠間隔。FDM/FDMA不能像頻譜效率更高的TDM/TDMA和CDM/CDMA技術一樣能夠成為無線通信的核心傳輸技術。

OFDM傳輸方式是將高速串行數據調制在一組等差頻率集合且正交的復正弦波（子載波）上并行發射接收端用同樣的一組子載波對輸入信號進行相關后得到解調信號引入FFT（快速傅里葉變換）數字信號處理技術。FFT允許將FDM的各個子載波重疊排列，重疊子載波排列大大提高頻譜效率。FFT同時保證各個子載波之間的正交性。OFDM的多載波傳輸方式頻譜效率高：由于正確的頻率采樣（對應于時域相關積分）后無子載波間干擾，OFDM允許相鄰正交子載波間的頻譜有交疊比傳統FDM頻譜效率高OFDM接收無符號間干擾和子載波間干擾，循環前綴（CP）的加入保證了時域截窗內的子載波為完整的整倍數周期波形保證了無符號間干擾；FFT技術能夠保證子載波間的正交性從而避免了子載波間干擾。帶寬擴展性強，由于OFDM系統的信號帶寬取決于使用的子載波數量，因此OFDM系統具有很好的帶寬擴展性，小到幾百kHz，大到幾百MHz，都比較容易實現，FFT大小尺寸帶來的系統復雜度增加相對并不明顯。如圖1～2分別為傳統FDM頻譜和OFDM頻譜。

圖1 傳統FDM頻譜圖

圖2 OFDM頻譜圖

1.2.2 下行OFDMA正交頻分多址技術

OFDMA傳輸技術是OFDM調制技術和多用戶子載波分配結合的傳輸技術。每個用戶使用一個二維時頻子載波集進行傳輸，其帶寬可靈活動態分配，同時避免了符號間干擾，子載波間干擾和多用戶接入干擾。但是缺陷是峰均比高，不適合終端信號波形。

1.2.3 OFDMA的多用戶時頻二維頻譜

OFDMA的多載波傳輸方式將頻譜劃分為時頻二維資源：頻域的子載波和時域的符號間隔。多用戶資源分配以資源塊（180kHz×0.5ms）為顆粒度在時隙和頻域上靈活分配，以滿足不同用戶混合業務的需求。

1.2.4 上行SC-FDMA單載波頻分多址

上行采用SC-FDMA作為多址接入及信號調制技術。OFDMA的劣勢是調制輸出信號的峰均比較高，使得功放效率降低，不適合上行終端的信號傳輸。SC-FDMA對調制信號先進行離散付立葉變換，再對輸出結果在連續的子載波子集上做OFDM調制從而降低信號峰均比，同時保持了OFDMA抗多徑和無多用戶接入干擾的優勢。

2 城市地鐵無線通信現狀

軌道交通的大力發展使軌道交通四通八達，有效的緩解了地面交通的擁堵，但隨著軌道交通的覆蓋率越來越高，信息化程度越來越高，專網已經成為構建服務于軌道交通行業的信息化平臺核心需求。軌道交通在時間、時速、列車交匯等多方面都需要進行精準把控，且在調度、溝通、實時匯報等方面需要大量使用語音、視頻等數據傳輸，這對整體軌道交通行業的寬帶專網有著極高的要求。

目前地鐵語音調度使用TETRA系統，而列控、PIS（旅客信息系統）等相關的數據業務使用WiFi系統。顯然，多種網絡共存將使網絡運維相當困難，維護成本較高，且TETRA屬于窄帶數字集群系統，只能支持語音集群業務，不能支持視頻監控、數據采集等寬帶數據業務。在地鐵行業，除了語音調度，客戶還需要視頻調度、以及大數據業務調度，但這些業務通過現有的窄帶專網解決方案無法實現。在這種情況下，地鐵通過部署WiFi系統來承載這些數據業務，然而WiFi的網絡覆蓋范圍小（只有100～200m），迫使在地鐵沿線需要密集部署，引入大量維護工作。此外，除了系統復雜度提升外，安全性問題也時時刺激著人們的神經，WIFI自身無QoS保障機制，且采用免費開放頻段，干擾源多，極易受到干擾，影響地鐵的安全運營，極端情況下會造成整個地鐵系統停運，如2012年11月在深圳發生的多次列車停運事故，就是由于承載CBTC（基于無線通信的列車自動控制系統）的WLAN系統受到同頻段的無線系統干擾導致。另外，移動性是軌道交通行業專網的核心需求點，雖然通過雙網結構部署可使WiFi在一般場景中滿足移動性的需求，但在高速移動場景中WiFi則無法滿足。

3 地鐵無線通信運用LTE技術的優勢

將LTE技術運用到地鐵無線通信中，可為地鐵客戶及乘客實現安全運營、敏捷調度和便捷乘運。

（1）運用LTE通信技術，具備比WiFi更好的信道結構和更佳的接收性能，通過采用系統化的專業抗干擾技術和多級QoS算法，支持高可靠性的無損切換和快速及時的無縫切換，以及基于非競爭的快速隨機接入，保證各類業務在切換過程中的連續性和QoS（時延，丟包率）。此外，eLTE支持200km/h下的可靠通信，確保地鐵安全運營。

（2）軌道交通對運營的安全性要求極高，且在調度溝通等方面需要大量視頻、語音和數據傳輸。運用LTE通信技術既可支持語音調度，也可支持視頻調度，實現調度可視化，現場可見，指揮可達，方便快速決策。另外，通過對車站、車廂、軌旁進行全面的高清實時視頻監控，遇到突發事件可快速掌控現場，助力地鐵客戶實現敏捷調度。

（3）LTE通信技術運用到地鐵無線通信中，可以得到較高的下行速率和上行效率，一張網絡即可承載PIS、車載視頻監控、CBTC和寬帶集群等豐富的地鐵業務應用需求，可幫助地鐵客戶構建流暢的寬帶信息傳遞平臺和卓越的寬帶網絡性能，為乘客提供實時的新聞、換乘信息、在線廣告等，增加旅行便利，實現便捷乘運。

4 案例分析

2013年11月29日，華為在鄭州發布全球首個eLTE城市軌道交通解決方案，并分享了該方案在鄭州地鐵一號線的成功商用歷程。這是全球第一條基于4G LTE技術的地鐵綜合業務無線解決方案。該項目歷時近兩年，雙方共同對解決方案進行多次嚴密論證，最終決定采用基于LTE技術的華為eLTE移動寬帶解決方案。通過采用該解決方案，鄭州地鐵公司在列車調度、公共安全管理和改善乘客出行體驗等方面提供全新的服務，為提升地鐵運行效率和用戶乘車體驗帶來創新性突破。在列車調度方面，通過eLTE作為有效的通信傳輸手段，調度中心可以對列車運行狀態進行實時監控，獲取列車運行中的旅客流量等實時信息，這些將作為調度中心調配車次的重要參考依據。在公共安全管理方面，基于eLTE的寬帶傳輸和低時延性能，在車廂和車站內進行的視頻拍攝可以及時將情況同步傳輸到管理中心。在緊急情況下，公安、消防部門可根據車廂和車站等視頻信息進行有效的安全決策，及時發布緊急疏散提示，提升對突發事件的快速響應能力。在提升乘客出行體驗方面，利用eLTE進行承載，通過車站和車內的高清視頻終端可為乘客實時提供新聞、廣告、電視節目等，增添出行趣味，并增加地鐵客戶的運營收入。

5 結語

隨著城市軌道交通的不斷發展，無線通信將會更加廣泛的運用在地鐵運輸中，隨著無線通信技術的不斷發展，可以預見，集語音、視頻和數據為一體的LTE寬帶數字集群技術必將成為地鐵運營調度和應急指揮的必然選擇。在移動寬帶浪潮的推動下，與其它各行各業的信息化過程一樣，軌道交通車地通信也將步入LTE時代。

[1]肖健華，金志虎，楊寶國，何玉軍，吳少勇，楊瑾，康仙慧.軌道交通車地無線通信技術研討[J].城市軌道交通研究，2014（01）：78～79.

[2]夏景輝，孫寰宇.TD-LTE車-地無線寬帶集群解決方案[J].現代城市軌道交通，2013（06）：34～35.

[3]李文偉，陳寶仁，吳謙，賴木波.TD-LTE電力無線寬帶專網技術應用研究[J].電力系統通信，2012（11）：65～66.

TN929.5

A

1004-7344（2016）14-0274-02

2016-4-29

范新偉（1981-），男，工程師，本科，主要從事通信工程勘察設計方面工作。