基于特殊頻段的LTE系統在城市軌道交通中的應用

馬汀

摘要：近幾年無線技術飛速發展，LTE系統在城市軌道交通中也在逐步推進，但頻率資源的限制使得LTE系統無法得到全方位的應用。本文提出了5GHz的特殊頻段LTE系統思路，并針對城市軌道交通專用無線網絡的具體業務進行了研究，對其他類似的工程設計提供參考作用。

關鍵詞：LTE；軌道交通；特殊頻段

中圖分類號：U285 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）02-0033-03

1 概述

城市軌道交通中的無線系統大致可分為三類，專用無線網絡、公安無線網絡和民用無線網絡。專用無線網絡主要為地鐵專網服務，用戶為地鐵運營人員；公安無線網絡為地面公安無線在地鐵區域的延伸，用戶為公安人員；民用無線網絡為公眾移動運營商（中國移動、中國聯通、中國電信等）無線系統在地鐵區域的延伸，用戶為手機客戶。

根據國家無線電管理的相關規定，LTE系統在地鐵專用無線網絡中可申請的頻率范圍僅為1785～1805MHz共20MHz頻寬。隨著城市軌道交通的飛速發展，無線業務需求日益豐富，高速增長的無線帶寬需求與有限的頻率資源之間的矛盾日益凸顯，利用特殊的5GHz頻段的LTE（也稱為LTE-U）成為一種新思路。本文將基于佛山地鐵2號線一期工程研究LTE-U在專用無線網絡的應用。

2 項目背景

2.1 項目概況

佛山城市軌道交通2號線一期工程整體呈東西方向，起點為南莊站，終點為廣州南站，正線線路總長為32.4 km，共設車站17座、車輛段及綜合維修基地一座、停車場一座、控制中心一座。

2.2 頻率資源現狀

工信部在2015年通過《關于重新發布1785-1805 MHz頻段無線接入系統頻率使用事宜的通知》（工信部無201565號）發布了關于LTE系統的應用范圍，明確城市軌道交通可采用1.8GHz的 LTE系統應用于無線通信，具體頻率資源的申請事宜可與當地無線電主管部門充分溝通，確定合理的無線方案。同時，近幾年中國軌道交通協會也通過各種渠道推動LTE在城市軌道交通中的應用，在條件允許的情況下盡量申請到1785～1805MHz的全部20MHz頻段。

經過與無線電主管部門的多次溝通，了解到當地頻率資源的現狀，1790～1795MHz的5MHz已批復其他用戶。同時，考慮到與其他公眾移動運營商的頻段相鄰，易相互干擾，針對1785～1790MHz以及1800～1805MHz范圍的頻率資源原則上不建議過度使用。綜合上述情況，1.8GHz頻段資源緊張，對于方案的穩定存在不確定性，于是著手考慮基于5GHz頻段的LTE-U在本工程中的應用研究。

3 無線方案設計

3.1 業務需求

專用無線業務涉及面較廣，主要用戶為地鐵運營人員，包含了信號車地無線系統、集群專網無線系統、PIS車地無線系統和車載視頻監控等。

信號車地無線系統在整個信號系統中起著關鍵作用，承載了列車間距防護、列車速度防護、列車自動運行與調度等多項功能，確保行車安全，同時又能高效運行、便于管理人員靈活調度指揮。信號車地無線系統主要傳送地面與列車之間的各類數據信息，主要包含列車控制信息、列車地理位置信息、鑒權信息等。所有數據均要求獨立高可靠性的冗余通道、低速率的實時數據傳輸以及最高的優先級。

集群專網無線系統為固定用戶、移動用戶之間提供迅速、高質量的無線通信保障。其中固定用戶包括控制中心調度員、車輛段/停車場調度員、車站車控室值班員等，移動用戶包括站務人員、列車司機、檢修人員等。集群專網無線系統主要提供無線語音調度、日常通話等功能，確保行車安全、提高列車運行效率、在緊急情況下提供必要保障。該業務要求低速的準實時數據的可靠傳輸、較高優先級邏輯需求以及高可靠性的通道。

PIS車地無線系統主要承載列車車廂內廣告、新聞、咨詢發布，同時進行必要的乘客指引信息播放。無線傳輸的數據主要為圖片、文字、視頻等信息。 該業務要求直播為主、錄播為輔。直播數據要求實時性強、切換穩定無卡頓。錄播要考慮在車輛段/停車場列車車庫內的靜態工況下大批量數據的穩定傳輸。該業務要求緊急信息數據優先級高、限制錄播數據帶寬、保證組播數據通道。

車載視頻監控系統用于實時監控列車車廂內的情況，并在緊急情況下為應急調度指揮提供實時的車內高清動態圖像信息。無線數據主要為視頻信息。該業務要求大量的多路實時視頻數據傳輸，帶寬壓力主要集中在上行帶寬，且數據優先級較高，盡量避免重傳。

其他的無線業務主要體現為列車車況信息，一般為低速率的數據信息，對實時性要求較高。

信號車地無線系統和集群專網無線系統主要承載低速數據，實時性、可靠性要求較高，一般采用WLAN或 LTE制式承載 信號車地無線系統業務， 采用TETRA或LTE制式承載集群專網無線業務。 信號車地無線系統和集群專網無線系統涉及行車安全，與調度指揮息息相關，地鐵公司往往考慮選用產品成熟度高、行業內廣泛采用并認可的無線制式， 基于此背景，本文將重點研究 LTE- U制式承載非關鍵業務、帶寬需求較高的 PIS車地無線系統、車載視頻監控系統等解決方案。

3.2 總體方案

LTE-U網絡由有線承載網、無線承載網。有線承載網由專用通信系統傳輸網絡提供，專用通信系統傳輸網絡采用環網結構，以控制中心為切點組建兩個傳輸環網。無線承載網由LTE核心網、車站/段場基站以及車載設備組成。各類無線業務數據在控制中心通過交換機連接至LTE核心網，經由有線承載網、無線承載網、車載網絡與列車進行數據交互。總體組網架構如圖1所示。

3.3 業務承載方案

LTE-U網絡主要承載車載PIS信息、車載CCTV信息以及列車車況信息。

3.3.1 車載PIS

LTE-U網絡提供車載PIS業務，由地面將文字、圖像以及視頻信息通過無線方式傳送到列車車廂內播放。具體如下：

（1）要求支持單播或組播通信；

（2）要求能夠傳輸圖像分辨率為高清的視頻，傳輸速率占用下行帶寬4-8Mbps；

（3）要求傳輸時延不超過500ms的概率不小于98%；

（4）要求丟包率不大于1%。

3.3.2 車載CCTV

LTE-U網絡提供車載CCTV業務的車地無線傳輸，可用于控制中心管理人員或公安干警實時監控列車車廂。在緊急情況下，為公安、消防人員提供實時的高清圖像，為打擊犯罪、指揮救災等工作提供輔助。

車載CCTV業務要求針對全線各列車所有攝像機攝取的畫面進行實時調看或歷史查詢。本工程采用列車6節編組，每節車廂需要上傳一路高清視頻，圖像分辨率采用1080P全高清制式、H.264/H.265編碼，碼流不超過3Mbps，幀率不低于30幀/秒。單列車需要占用上行帶寬18Mbps。

3.3.3 列車車況信息

列車車況信息一般為低速率的數據信息，需要占用上行帶寬1-3Mbps。

綜合上述業務需求，單列車的無線通信帶寬要求上行不小于21Mbps、下行不小于8Mbps。

3.4 無線覆蓋方案

（1）正線區間。正線區間可以采用波導管和天線兩種無線覆蓋方式。波導管無線覆蓋均勻，方向性集中，能夠適應正線區間的彎度和坡度的變化，但造價較高，施工安裝難度大。天線造價低，安裝方便，施工難度小，但傳播距離受隧道變化影響較大。綜合考慮技術難點以及造價，建議正線區間采用天線方式進行無線覆蓋。

天線主要采用定向天線，在地下段應安裝在隧道較高處，盡量與列車車頂天線平齊；天線在高架段應安裝在疏散平臺下方的托架處或自行立桿安裝，具備條件的情況下可以安裝在接觸網立柱上。

（2）車輛段/停車場。車輛段/停車場范圍較大，通過多個基站組建無線分布系統進行場強覆蓋，天線采用全向天線與定向天線相結合的方式。

3.5 無線鏈路計算

考慮到單個無線小區僅有單列列車同行，無線小區邊緣速率需求按照上行21Mbps下行8Mbps進行計算。列車速率按照80Km/h考慮，LTE-U基站考慮單載波組網，鏈路預算表如表1所示。

由上表可知單個無線小區的覆蓋半徑為370米，考慮到小區之間的切換以及設計余量，站間距可按照600米建設，大于600米的兩車站之間需要增加1套基站設備。

4 結語

專用無線網絡是城市軌道交通中必不可少的重要組成部分，為車-地之間提供穩定的數據傳輸通道，為信息的相互傳遞保駕護航。本文基于佛山地鐵2號線一期工程，結合當前LTE無線頻率的現狀，對特殊頻段的LTE-U系統在軌道交通的應用提出了新的思路，并進行了業務分析、網絡架構規劃、無線覆蓋方案設計等研究，為城市軌道交通專用無線網絡的設計提供參考。

參考文獻

[1]張成國，李文明.長期演進（LTE）技術在地鐵無線通信中的應用[J].城市軌道交通研究，2015，（01）：112-117.

[2]唐霈.城市軌道交通PIS車地無線傳輸方案研究[J].信息通信，2014，（12）：177-178.

[3]沈嘉，索士強，全海洋，等.3GPP長期演進（LTE）技術原理與系統設計[M].人民郵電出版社，2008.