LTE技術在長春市地鐵1號線的應用

程 鑫 王天怡

（北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100037）

1 概述

乘客信息系統是依托多媒體網絡技術，以計算機系統為核心，以車站和車載顯示終端為媒介向乘客提供信息服務的系統。一方面系統通過車載設備在列車車廂進行音視頻播放。另一方面，控制中心可以實時調看列車車廂內的視頻監控圖像，提升了地鐵處置車廂內突發事件的能力。

系統要求保證圖像質量，不能出現馬賽克、中斷等現象，因此車-地無線網絡要有足夠的帶寬并且能夠保證車-地間信息的可靠傳輸。

2 技術選擇

2.1 無線帶寬需求分析

車地無線通信需要承載的業務主要包括CBTC、CCTV和PIS等。CBTC系統鑒于安全級別較高，本工程由信號系統單獨建設基于WLAN技術車地無線網絡用于承載CBTC信息，通信系統單獨建設車地無線網絡用于承載CCTV及PIS業務。

按照全線列車接收一路中心下發的信息，保證D1（720×576）的圖像質量，采用MPEG-2編碼方式，需要帶寬約為8 M；每列車上傳2路圖像信息，按MPEG-4或H.264編碼方式，每路按2 M計算，需要的帶寬約為4 M。

車地傳輸的數據主要如表1所示。

表1 無線帶寬需求

由此可知，能夠保證無線網絡的平均帶寬大于13.1 Mbit/s，即可滿足本線對帶寬需求，實現實時視頻傳輸。

2.2 系統建設現狀

目前國內的PIS車地無線主要包括數字移動電視技術（DVB-T）、無線局域網（WLAN）、LTE、EUHT等技術。

2.2.1 DVB-T技術

數字移動電視技術能滿足高清多媒體信息傳輸，它采用數字電視發射機將視頻信號傳輸到車載接收裝置。目前，國內已在建設運營較早的深圳、南京等地的城市軌道交通中有所應用。

優點：系統傳輸帶寬可以滿足實時傳輸高清視頻信號的要求，列車運行過程中可以實現無縫切換，覆蓋效果較好。

缺點：系統是單向系統，只能發送下行信息到車廂，車廂內的視頻監視信息無法上傳。為實現雙向傳輸，必須增加其他輔助系統，增加了系統的復雜性，提高了投資。

2.2.2 WLAN技術

無線局域網技術是目前應用最為廣泛的一種移動寬帶傳輸技術，其標準先后經歷802.11a、802.11g、802.11n和802.11ac標準。

該網絡目前可提供54 Mbit/s的帶寬（其中802.11n標準理論帶寬高達300 Mbit/s），穩定帶寬約為15 Mbit/s，可滿足80 km/h運行狀態下的視頻數據傳送需求。由于無線局域網技術成熟、產業化水平高，在目前國內軌道交通PIS系統建設中，已開通的線路車地無線雙向寬帶傳輸網大部分采用此技術。

2.2.3 LTE技術

LTE項目是3G的演進，改進并增強了3G的空中接入技術，采用OFDM和MIMO作為其無線網絡演進的唯一標準。在20 MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100 Mbit/s與上行50 Mbit/s的峰值速率。

目前國內有很多廠商能夠提供整套的LTE解決方案，產品成熟度較高，可選擇范圍大，但其工作頻段不能采用目前4G公用頻段，雖然工信部發布了“工業和信息化部關于重新發布1785-1805 MHz頻段無線接入系統頻率使用事宜的通知”，但仍涉及頻率申請問題。

2.2.4 EUHT技術

超高速移動通信技術（以下簡稱EUHT）是我國自主研發的全球首個能夠解決“移動寬帶一體化”的通信技術系統。目前，EUHT擁有超高速無線局域網等兩項中國通信行業標準（標準號YD/T 2394.2-2012）。EUHT已全面推進產業化，京津城際、廣州地鐵6號線的EUHT商業示范線也于2016年10月底相繼建成。上海、深圳等城市也在計劃實施以EUHT技術為基礎的智能交通方案。

2.3 車-地無線技術選擇

為保證地鐵1號線2017年6月30日開通試運營的目標，各設備系統均于2015年完成招標，中國城市軌道交通協會還并沒有發布“關于推薦城軌交通項目新建CBTC系統使用1.8G專用頻段和LTE綜合無線通信系統的通知”，因此，信號系統按WLAN技術進行招標建設。同時，工信部及國家無線電管理局從緊缺的無線頻段資源中明確1.8G作為城市軌道交通等行業專用頻段，經與長春市無委會溝通，同意批復1785-1795共10 M頻點用于地鐵建設車地無線網絡。結合信號的建設方案及LTE技術的優勢，本工程采用LTE技術組建車地無線網絡，用于承載上行CCTV業務及下行PIS業務。

3 方案設計

3.1 系統組成

系統主要由車輛段和區間的射頻單元RRU、隧道多頻分合路器、漏纜（與專用無線合用），車站的LTE基站BBU、射頻單元RRU設備、合路器POI、GPS天線、控制中心的核心網控制單元設備、無線管理工作站以及列車上的無線接入設備（含天線）等組成。

車地無線網絡構成如圖1所示。

3.2 無線覆蓋設計

本系統在隧道區間合用專用無線漏纜，在車輛段采用定向天線覆蓋。

3.2.1 車站附近隧道覆蓋

為車站的上下行隧道配置獨立的RRU，上下行隧道的漏泄同軸電纜分別連接到RRU上。

RRU的每個通道和TETRA系統使用一個合路器。

組網示意如圖2所示。

3.2.2 長區間隧道覆蓋

通過鏈路預算設計，受限于上行鏈路，RRU單邊最大覆蓋可到680 m，考慮切換帶的重疊覆蓋區域為40 m，建議RRU單邊覆蓋不超過640 m。

當兩站之間站間距大于1 280 m時，區間增加RRU。

長區間隧道組網示意如圖3、4所示。

3.2.3 車輛段覆蓋

車輛段覆蓋區域大，區域內列車數量多，數據傳輸的并發性高。采用4T4R型RRU，采用定向天線掛側墻安裝的方式進行覆蓋。

3.2.4 無線RRU設備分布設計

RRU設備分布情況如表2所示。

表2 無線RRU設備分布表

3.3 切換設計

在設計中，無線越區切換的遲滯為2 dB，無線切換時延小于50 ms，保守計算取值100 ms，列車速度按照最大80 km/h，傳播模型按照漏纜每100 m損耗4.3 dB計算，切換帶在40 m左右。系統切換過程如圖5所示：在TAU終端接入LTE系統網絡后，由網絡給TAU終端下發信號強度檢測測量消息，由TAU終端進行信號強度檢測。TAU給網絡上報測量報告消息，網絡側根據報告消息觸發切換動作，讓TAU從原先小區切換到信號強度較好的小區。

4 測試數據

1號線開通之后，對LTE車地無線傳輸性能進行了測試，測試區間為北環路站-紅咀子站，測試結果如表3所示。根據招標文件，標準要求為雙向吞吐量≥15 Mbit/s，車→地吞吐量≥6 Mbit/s，地→車吞吐量≥8 Mbit/s。測試結果表明LTE車地無線通道性能符合標準要求。

表3 車地通信測試數據

續表

以目前的數據配置，各小區均已達到設計目標：下載速率＞8 Mbit/s；上傳速率＞6 Mbit/s。除長春站北廣場和北京大街站間由于不具備施工條件未開通長春站南廣場站不連續覆蓋，其余基站丟包率指標正常、時延、站間切換正常、銜接順暢，實際直播效果良好，未出現卡屏、馬賽克等現象。

5 結語

TD-LTE技術在長春地鐵1號線乘客信息系統的成功應用和開通，進一步驗證了LTE技術數據傳輸速率高、切換更快、QoS等級保護多、運營維護量小等特點，提出的設計方案可對今后城市軌道交通無線網絡設計提供參考。根據中國城市軌道交通協會 “關于推薦城軌交通項目新建CBTC系統使用1.8G專用頻段和LTE綜合無線通信系統的通知”文件精神及LTE-M技術標準的逐步完善，未來在城市軌道交通領域LTE將發揮更大的作用。

[1]黃佳強.LTE在地鐵乘客信息系統無線傳輸中的應用[J].鐵道工程學報，2014（11）：111-115.Huang Jiaqiang.The Application of LTE in Wireless Transmission of Subway Passenger Information System[J].Journal of Railway Engineering Society，2014（11）：111-115.

[2]趙晗.基于LTE（長期演進）技術的地鐵乘客信息系統組網方案分析[J].城市軌道交通研究，2015（10）：120-123.Zhao Han.Analysis of PIS Networking Scheme Based on LTE Technology[J].Urban Mass Transit，2015（10）：120-123.

[3]夏冷，趙亮.基于LTE車地通信的市域快線信號系統研究[J].鐵路通信信號工程技術， 2017，14（3）：5-9.Xia Leng, Zhao Liang.Research on LTE-based Train-Ground Communication of Signaling Systems for Intercity Commuter Railways[J].Railway Signalling &Communication Engineering，2017，14（3）：5-9.

[4]于鑫，闞庭明，吳卉.軌道交通乘客信息系統車地無線傳輸方案設計與優化[J].鐵路計算機應用，2012，21（2）：45-48.Yu Xin，Kan Tingming，Wu Hui.Design and Optimization of Train-Ground Wireless Communication of Urban Transit Passenger Information System[J].Railway Computer Application，2012，21（2）：45-48.

[5]北京城建設計發展集團股份有限公司.長春市地鐵1號線一期工程通信系統初步設計[G].長春：北京城建設計發展集團股份有限公司，2014.

[6]東軟集團股份有限公司.長春市地鐵1號線一期工程通信系統技術規格書[G].長春：東軟集團股份有限公司，2016.

[7]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50157-2013 地鐵設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2013.

[8]中華人民共和國工業和信息化部.工信部[2015]65號 關于重新發布1785-1805MHz頻段無線接入系統頻率使用事宜的通知[S].北京：工業和信息化部，2015.