LTE技術(shù)在地鐵通信工程中應(yīng)用探討

黃健

【摘 要】隨著時(shí)代的進(jìn)步及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無線通信技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)入了4G時(shí)代，不再局限于文字和音頻信息，縱觀國內(nèi)外地鐵交通事故的發(fā)生，讓通信監(jiān)控設(shè)備及對(duì)乘客的監(jiān)督管理改善起著重要的支撐作用，以便應(yīng)對(duì)突發(fā)事件。本文主要對(duì)LTE技術(shù)在地鐵通信領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行分析，以期為地鐵通信的進(jìn)步及完善提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】地鐵無線通信；LTE技術(shù)；應(yīng)用

前言：

LTE技術(shù)在技術(shù)層面上是增強(qiáng)空中接入及技術(shù)改進(jìn)，也是由3G的基礎(chǔ)上向4G過渡的一項(xiàng)技術(shù)。與傳統(tǒng)的3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)比較，4G具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)下載、傳輸速率、容量及覆蓋率。主要采取了OFDM和MIMO，被認(rèn)為是3G向4G時(shí)代的主流技術(shù)。

一、LTE技術(shù)在地鐵無線通信中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（一）LTE的抗干擾技術(shù)

WIFI在干擾檢測(cè)方面只能提供帶寬級(jí)的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)與反饋，這樣難免會(huì)出現(xiàn)不精確的數(shù)據(jù)，而LTE運(yùn)用導(dǎo)頻設(shè)計(jì)均勻分配時(shí)頻域，以2ms快速調(diào)度響應(yīng)跟蹤信道時(shí)頻域變化。同時(shí)還可以同步反饋多個(gè)終端，提升了干擾檢測(cè)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，及時(shí)根據(jù)干擾情況進(jìn)行調(diào)整資源，被檢測(cè)到之后，LTE根據(jù)終端的信道狀況分配子帶頻率資源，LTE也可以通過AMC自動(dòng)調(diào)整編制和編碼策略。

（二）LTE的高移動(dòng)性

WIFI由于覆蓋范圍小，比較適用于固定場所，由于地鐵車輛時(shí)移動(dòng)的，在地鐵車輛上應(yīng)用WIFI技術(shù)，導(dǎo)致頻繁地選擇和關(guān)聯(lián)新AP時(shí)會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間。LTE技術(shù)則不同，它采用無縫切換算法，大大縮短了延時(shí)，這種高移動(dòng)性也滿足了地鐵在高速移動(dòng)的時(shí)候仍然能連接網(wǎng)絡(luò)。

（三）LTE的高可靠性

在可靠性上，WIFI的數(shù)據(jù)傳輸無優(yōu)先級(jí)，它采用基于用戶競爭的QoS算法，沒有絕對(duì)的用戶優(yōu)先級(jí)，在這種情況下，出現(xiàn)一個(gè)同頻干擾源，丟包率就有60%，當(dāng)出現(xiàn)兩個(gè)同頻干擾源時(shí)，丟包率高達(dá)100%，這無法滿足地鐵任一級(jí)別業(yè)務(wù)。而LTE采用的是9級(jí)QoS算法，按照優(yōu)先級(jí)進(jìn)行傳輸，優(yōu)先傳輸高優(yōu)先級(jí)，盡量傳輸?shù)蛢?yōu)先級(jí)的，這種多級(jí)QoS算法便保證了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的有效傳輸。

二、LTE技術(shù)在地鐵無線通信中的應(yīng)用分析

（一）LTE的信道和接收性能

LTE需要綜合運(yùn)用CBTC、CCTV、PIS多種通信業(yè)務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)CCTV視頻快速上傳，使調(diào)度員、值班員可實(shí)時(shí)監(jiān)控列車內(nèi)部情況，可以滿足PIS實(shí)時(shí)高清播放需求。在承載工作進(jìn)行過程中，有以下幾個(gè)問題需要注意：A、B兩網(wǎng)相互獨(dú)立、并行工作；A網(wǎng)分配較大帶寬，承載雙向CBTC，上行CCTV，下行PIS；B網(wǎng)分配較小寬帶，承載雙向CBTC信息作為備份。經(jīng)測(cè)試和分析，在相同的接收功率情況下，LTE技術(shù)相較于WIFI可以支持更快的列車速度，在相同的列車速度下，LTE技術(shù)靈敏度更高。

（二）LTE的地鐵業(yè)務(wù)帶寬分析

帶寬是用來保障圖像質(zhì)量的，在地鐵的通信應(yīng)用中，包括CCTV、CBTC、PIS三種業(yè)務(wù)。在CBTC系統(tǒng)中符合列車需求的傳輸帶寬為：在最不利情況下傳輸帶寬不能小于1Mbit/s。為了保證在列車高速移動(dòng)時(shí)滿足上網(wǎng)需求，LTE網(wǎng)絡(luò)要為PIS和CCTV預(yù)留15M帶寬，分別給CBTC系統(tǒng)和語音視頻調(diào)度系統(tǒng)預(yù)留3M和7M帶寬，總計(jì)需要帶寬25M才能完全滿足地鐵通信業(yè)務(wù)需求。

（三）LTE技術(shù)的設(shè)計(jì)原則

在設(shè)計(jì)LTE技術(shù)，只有滿足以下幾個(gè)基本原則，才會(huì)真正地滿足地鐵的網(wǎng)絡(luò)需求。

①可靠性原則。為了保證有突發(fā)事件時(shí)，網(wǎng)絡(luò)和信息傳輸不受影響，CBTC信號(hào)系統(tǒng)要求任何節(jié)點(diǎn)都有備份；

②安全性原則。這是為了數(shù)據(jù)在傳輸過程中不丟失，或者能抵御其他不良信息的攻擊，保證其安全性；

③實(shí)時(shí)性原則。能夠保證數(shù)據(jù)、信息的實(shí)時(shí)傳輸，對(duì)于車廂內(nèi)的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；

④高帶寬原則。為了防止視頻卡頓、信息傳播速度慢、不能實(shí)時(shí)更新等情況，需要有高帶寬來滿足地鐵對(duì)網(wǎng)絡(luò)速度的要求；

⑤環(huán)境適應(yīng)性原則。無線的布置要考慮到乘客的上網(wǎng)需求，做到網(wǎng)絡(luò)覆蓋所有乘客。

（四）效益分析

LTE技術(shù)一定程度上提高了地鐵的監(jiān)控水平，為保障列車的安全提供了實(shí)時(shí)信息，也為乘客提供了一個(gè)更好的乘車體驗(yàn)，乘客可以在列車行駛過程中查看到服務(wù)信息、公共資訊、娛樂新聞等。此外，LTE 技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸上有更快的速率，有更充足的系統(tǒng)容量，有更低的運(yùn)營成本。可以說，LTE技術(shù)的運(yùn)用既降低了成本，又提高了經(jīng)濟(jì)效益。

三、LTE技術(shù)應(yīng)用于CBTC分析

（一）LTE技術(shù)的安全機(jī)制

用戶的所有操作是在安全密匙生產(chǎn)和相互認(rèn)證的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，LTE的密匙生產(chǎn)過程是通過對(duì)所有密匙進(jìn)行計(jì)算得出加密密匙和完整性密匙，再由這兩種密匙得出一個(gè)父密匙KASME，由父密匙產(chǎn)生各層所需的子密匙，這樣便形成了防止上下級(jí)密匙泄露的密匙分層系統(tǒng)。LTE的密匙協(xié)商過程采用的是Milenage算法，目前為止，這種算法還未被攻破過，這種算法具有AKA鑒權(quán)過程中五元組鑒權(quán)機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)用戶設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)方面的雙向鑒權(quán)。它的優(yōu)勢(shì)在于，其具有128bit的密匙長度很難被破解，并且它的雙向鑒權(quán)可以抵抗不良偽基站的攻擊，它能夠很好地滿足CBTC的安全需求。

（二）LTE技術(shù)的時(shí)延

在高速移動(dòng)的地鐵中，為了保證信號(hào)接收的及時(shí)性和通信質(zhì)量，一定需要有嚴(yán)格的數(shù)據(jù)時(shí)延控制。目前LTE對(duì)時(shí)延的控制是：用戶面單項(xiàng)傳輸要小于5ms；把控制面從睡眠狀態(tài)喚醒到激活狀態(tài)小于50ms，把控制面從駐留狀態(tài)遷移到激活狀態(tài)時(shí)間小于100ms；用戶網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)間不能超過100ms。在芬蘭的LTE網(wǎng)絡(luò)測(cè)試中，平均時(shí)延僅有23ms。這些指標(biāo)表明，LTE網(wǎng)絡(luò)傳輸速度非常快，能滿足大部分地鐵通信的需求，比如VoIP、高清IPTV或者視頻流媒體。

（三）LTE技術(shù)的丟包率

所謂丟包率，顧名思義就是在數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)，丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)量占總數(shù)據(jù)包的比率。目前最穩(wěn)定的美國VERIZON4G網(wǎng)絡(luò)被測(cè)試過，結(jié)果顯示，在美國這樣一個(gè)4G網(wǎng)絡(luò)非常成熟的國家，LTE的丟包率竟然高達(dá)30%。由此可見，LTE在保證數(shù)據(jù)完整傳輸上存在比較大的問題，丟包率過大難以符合CBTC 的安全穩(wěn)定要求。

四、地鐵的LTE需求

（一）車載CCTV安全需求

發(fā)生緊急情況時(shí)，LTE能傳送地鐵高清視頻，使調(diào)度員能對(duì)車廂內(nèi)的各種情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。況且LTE可以優(yōu)先運(yùn)行安全信息，以確保行車安全。車載CCTV圖像轉(zhuǎn)發(fā)給各個(gè)車廂，通過車廂內(nèi)的PIS屏可顯示正確的引導(dǎo)信息，安全、正確地乘坐地鐵。

（二）車載PIS實(shí)時(shí)高清需求

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及和不斷發(fā)展，人們對(duì)視頻的觀看體驗(yàn)要求越來越高，而在地鐵上，也需要有流暢的地鐵影音服務(wù)來滿足乘客的這一需求，車載PIS可以通過LTE提供實(shí)時(shí)的重大新聞、賽事進(jìn)行、電視節(jié)目的播放，滿足高清視頻的無延時(shí)播放需求，滿足乘客的娛樂需求，提高了PIS的媒體實(shí)時(shí)性。

（三）增值業(yè)務(wù)需求

LTE可以按時(shí)間段和高峰人流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的廣告投放，這種廣告投放模式和運(yùn)營方式更加科學(xué)高效，也極大地提高了廣告投放效率，并且降低了運(yùn)營成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益，可見LTE是一個(gè)比較完善的公共媒體實(shí)時(shí)信息投放平臺(tái)。此外，LTE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)集多種功能于一體的綜合音視頻集群通信系統(tǒng)，在語音調(diào)度的基礎(chǔ)上，增加遠(yuǎn)程監(jiān)控、視頻會(huì)議、智能分析、視頻調(diào)度等多種功能，很大程度上增加了調(diào)度的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

五、結(jié)語

LTE技術(shù)在地鐵通信工程中的應(yīng)用取得很大進(jìn)步，大大減少了延時(shí)和數(shù)據(jù)的丟包率，提高了傳輸效率，保證信號(hào)接收的及時(shí)性及通信質(zhì)量。同時(shí)也滿足了當(dāng)前乘客對(duì)地鐵影音服務(wù)的需求，LTE技術(shù)所具備的眾多優(yōu)勢(shì)，相信在未來的地鐵通信領(lǐng)域得到更為廣闊的應(yīng)用市場。