LTE技術(shù)在城市軌道交通車地無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用探索

□文/趙彥芳

LTE技術(shù)在城市軌道交通車地無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用探索

□文/趙彥芳

城市軌道交通車地無線通信的穩(wěn)定性和準確性對運營安全至關(guān)重要。將LTE技術(shù)與WLAN技術(shù)進行比較，分析LTE用于城市軌道交通車地無線通信的技術(shù)優(yōu)勢。根據(jù)LTE的技術(shù)特點提出了兩套系統(tǒng)解決方案。

WLAN技術(shù)；車地無線通信；LTE技術(shù)；軌道交通

目前城市軌道交通基本上采用無線局域網(wǎng)技術(shù)（WLAN）承載基于通信的列車控制（CBTC）和乘客信息系統(tǒng)（PIS）及視頻監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）。信號系統(tǒng)是關(guān)系行車安全和提高運行效率的系統(tǒng)，PIS系統(tǒng)影響乘車環(huán)境的舒適度，CCTV系統(tǒng)需要具有多路畫面實時錄像、多路畫面實時顯示以及根據(jù)需要靈活設(shè)置圖像壓縮質(zhì)量和錄像存儲等功能。CBTC信號系統(tǒng)和PIS、CCTV系統(tǒng)采用何種車地通信方式和措施來避免干擾，以保證車地通信的可靠性、安全性、實時性、抗干擾等，是城市軌道交通建設(shè)必須研究的重要問題。

1　WLAN技術(shù)

IEEE802.11又稱為無線局域網(wǎng)標準。在無線網(wǎng)絡(luò)中，偵測碰撞十分不容易，因為是利用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Acess with Collision Avoidance）存取模式來傳輸。

WLAN定位在網(wǎng)絡(luò)的接入層。1997年，IEEE802.11標準定義了單一的MAC層和多樣的物理層，先后推出IEEE802.11a/b/g/n標準。目前在城市軌道交通行業(yè)廣泛使用IEEE802.11n標準。

WLAN承載的綜合業(yè)務(wù)一直運行在公共開放的2.4 G頻段上，存在易受干擾、維護困難、高速移動性差等問題，對軌道交通的安全運營造成了很大的影響。隨著無線承載業(yè)務(wù)越來越多，無論在帶寬還是安全性方面WLAN技術(shù)將無法滿足業(yè)務(wù)發(fā)展需求。

隨著LTE技術(shù)的發(fā)展，LTE公網(wǎng)已在全球商用，越來越多的專網(wǎng)用戶開始關(guān)注LTE在專網(wǎng)應(yīng)用的可行性。

2　LTE技術(shù)特點

LTE（Long Term Evolutiong）移動通信技術(shù)的目標，是建立一個高傳輸效率、低時延、支持增強型多媒體廣播組播業(yè)務(wù)、基于包優(yōu)化的、可演進的無線接入框架。因此LTE系統(tǒng)采用接近于全IP化的、扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，集成適用于寬帶移動通信傳輸?shù)谋姸嘞冗M技術(shù)，如正交頻分復用（OFDM）、多輸入多輸出（MIMO）、自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）等，有效提高數(shù)據(jù)速率、頻譜效率和抗干擾性，提供綜合業(yè)務(wù)承載的優(yōu)先級調(diào)度和高速移動性支持并通過抗干擾技術(shù)和安全機制保證無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的安全可靠傳輸，見表1。

表1　LTE技術(shù)的主要特點

2.1系統(tǒng)內(nèi)抗干擾

系統(tǒng)內(nèi)干擾主要來自于同頻鄰區(qū)干擾，需考慮同向前后同頻鄰區(qū)間的干擾。系統(tǒng)內(nèi)小區(qū)間的同頻干擾會對小區(qū)吞吐量、覆蓋產(chǎn)生影響。LTE系統(tǒng)由于頻段資源有限及業(yè)務(wù)容量需要高帶寬的原因，全線設(shè)計使用同頻組網(wǎng)方式。因而需要考慮同向前后同頻鄰區(qū)間的干擾。

通過調(diào)度算法、IRC等來進行小區(qū)間的干擾控制、協(xié)調(diào)和消除。

1）調(diào)度技術(shù)。下行可采用業(yè)務(wù)異頻調(diào)度來滿足小區(qū)邊緣的信噪比，保證小區(qū)邊緣的業(yè)務(wù)速率。

2）IRC。通過基帶解調(diào)IRC（Interference Rejection Combining）算法，可以將單小區(qū)來自列車方向相反方向的干擾去除，適合地鐵場景的列車分布情況，IRC算法在方案中用于上行干擾消除。

2.2可維護性

1）采用漏纜作為媒介，軌旁設(shè)備數(shù)量減少。在綜合承載的情況下，RRU布置間隔為1.2 km；在單獨承載信號的情況下，RRU的布置間隔可達到2 km。

2）TD-LTE采用扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，無線網(wǎng)絡(luò)部分只由核心網(wǎng)、BBU、RRU和車載TAU組成，網(wǎng)元整體數(shù)量減少，便于維護。

3）RRU和TAU采用工業(yè)級制造標準，適應(yīng)多種環(huán)境應(yīng)用。

2.3組網(wǎng)靈活性

1）接口協(xié)議標準化，支持多廠家設(shè)備的混合組網(wǎng)。

2）支持多種時鐘同步協(xié)議，可根據(jù)環(huán)境選擇不同同步方式。

2.4移動性

1）TD-LTE脫胎于3GPP，技術(shù)的發(fā)展源于解決高速移動環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)高速接入。

2）先進多普勒頻偏糾正技術(shù)支撐其高移動性。

3）高移動性支撐該技術(shù)能適用除城市軌道交通行業(yè)以外的城際鐵路甚至高速鐵路的業(yè)務(wù)應(yīng)用。

2.5Qos

9級Qos能保證多業(yè)務(wù)承載的帶寬合理使用，見表2。

表2　Qos

3　LTE技術(shù)與軌道交通需求匹配度的研究

1）軌道交通安全運營的重要性。要滿足軌道交通的安全運營必須實現(xiàn)多級QoS算法、專用頻率，專業(yè)抗干擾技術(shù)、高移動性、遠距離覆蓋、無縫切換技術(shù)。LTE技術(shù)良好的QoS體制保證多種業(yè)務(wù)的并發(fā)要求并且能降低小區(qū)邊緣干擾，增加小區(qū)覆蓋范圍，降低系統(tǒng)時延，用戶面數(shù)據(jù)傳輸延時＜5 ms。

2）軌道交通多業(yè)務(wù)平臺的共用。軌道交通要求CBTC、PIS、CCTV多種業(yè)務(wù)共平臺并且語音視頻聯(lián)動，現(xiàn)場可見，調(diào)度可達。LTE技術(shù)峰值速率可達到20 MHz帶寬：下行100 Mbps，上行50 Mbps。能為速度達到350 km/h的用戶提供高速的接入服務(wù)，從而滿足多業(yè)務(wù)平臺共用和語音視頻的聯(lián)動功能。

3）軌道交通的定制化服務(wù)。軌道交通要求采用多種頻寬配置方式滿足軌道交通不同業(yè)務(wù)需求情況下對頻率靈活性要求、靈活時隙配比滿足業(yè)務(wù)變化需求。LTE技術(shù)帶寬配置靈活，可支持1.4、5、10、15、20 MHz。

經(jīng)過以上研究可得出結(jié)論：LTE技術(shù)與軌道交通需求高度匹配，滿足技術(shù)需求的基礎(chǔ)上還能實現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單化，低成本建網(wǎng)，降低運營成本。

4　系統(tǒng)整體解決方案

4.1設(shè)計原則

1）可靠性原則。CBTC信號系統(tǒng)要求任何節(jié)點都是雙份，避免任何節(jié)點出錯導致故障。A/B雙網(wǎng)保證雙節(jié)點同時工作。

2）安全性原則。保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴⒉捎描b權(quán)，避免非法用戶的攻擊。

3）實時性原則。為實現(xiàn)實時對車輛的控制，數(shù)據(jù)傳輸要求實時；保證視頻傳輸?shù)那逦取⒘鲿承浴?/p>

4）高帶寬原則。視頻高清質(zhì)量要求上下行的大帶寬。

5）環(huán)境適應(yīng)性原則。充分考慮軌道設(shè)備、車輛設(shè)備的環(huán)境要求。

4.2設(shè)計思路

根據(jù)車地寬帶無線傳輸平臺傳輸內(nèi)容的不同，LTE車地無線通信網(wǎng)絡(luò)可分為兩種。

1）系統(tǒng)方案A。LTE網(wǎng)絡(luò)承載PIS信息+CCTV信息。采用的是非冗余單LTE網(wǎng)絡(luò)、上行承載CCTV信息、下行承載PIS信息，見圖1。

圖1　LTE車地無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)——PIS+CCTV

此方案中控制中心放置核心網(wǎng)設(shè)備eCNS，與PIS系統(tǒng)（含車載CCTV）相連，同時設(shè)置路由保證業(yè)務(wù)的隔離性。在車站布置LTE基站的BBU和RRU（按需配置）設(shè)備，長大區(qū)間內(nèi)設(shè)置RRU設(shè)備。LTE基站通過通信傳輸系統(tǒng)提供的通道與控制中心連接。在每列車的車頭和車尾分別設(shè)置1套車載接入設(shè)備TAU，通過車載交換機與應(yīng)用系統(tǒng)車載設(shè)備相連，接收控制中心下發(fā)的PIS圖像信息、上傳列車內(nèi)實時監(jiān)控信息。

2）系統(tǒng)方案B。LTE網(wǎng)絡(luò)完成CBTC+PIS+CCTV信息綜合承載。采用的是A、B雙網(wǎng)冗余，雙網(wǎng)完全獨立，并行工作，互不影響。A網(wǎng)承載雙向CBTC信息，上行CCTV信息，下行PIS信息，分配較大帶寬，如15MHz。B網(wǎng)只承載雙向CBTC信息作為備份網(wǎng)絡(luò)；分配較小帶寬，如5 MHz，見圖2。

圖2　LTE車地無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)——CBTC+PIS+CCTV

此方案中控制中心放置雙套核心網(wǎng)設(shè)備eCNS，主備與信號系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)（含車載CCTV）相連，同時設(shè)置路由保證業(yè)務(wù)的隔離性；在車站布置LTE基站的BBU（雙套）和RRU（按需配置）設(shè)備，長大區(qū)間內(nèi)設(shè)置RRU設(shè)備。LTE基站通過通信傳輸系統(tǒng)提供的通道與控制中心連接；在每列車的車頭和車尾分別設(shè)置1套車載接入設(shè)備TAU，通過車載交換機與應(yīng)用系統(tǒng)車載設(shè)備相連，接收控制中心下發(fā)的PIS圖像信息、上傳列車內(nèi)實時監(jiān)控信息。

5　結(jié)語

本文通過對WLAN技術(shù)和LTE技術(shù)的對比，得出LTE技術(shù)更能很好的滿足軌道交通的需求。結(jié)合LTE技術(shù)本文提到了兩種系統(tǒng)設(shè)計方案，可根據(jù)用戶的具體要求選擇。

［1］徐彥，趙篙.基于長期演進LTE技術(shù)的城市軌道交通車-地通信網(wǎng)絡(luò)研究［J］.城市軌道交通研究，2015，18（7）：58-62.

［2］譚耿.LTE技術(shù)在城市軌道交通信號系統(tǒng)中的應(yīng)用探索［J］.鐵道通信信號，2015，（6）：90-92.

U285

C

1008-3197（2016）02-78-03

2015-12-22

趙彥芳/女，1985年出生，工程師，碩士，天津市地下鐵道運營有限公司，從事地鐵設(shè)施維修養(yǎng)護工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.02.027