免授權長期演進系統輔助城市軌道交通長期演進系統進行綜合承載的研究

吳 可

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，100070，北京//助理工程師)

濟南市軌道交通R1線工程已于日前完成頻率申請工作，其批準頻寬為10 MHz(1 790 MHz～1 800 MHz)。根據實際頻率申請情況，其車地無線通信系統方案已由LTE-M(城市軌道交通長期演進)系統綜合承載方案變為LTE-M系統只承載CBTC(列車控制系統)業務，其他業務由Wlan(無線局域網絡)系統承載。濟南市的實際情況引發了筆者對城市軌道交通車地無線綜合承載系統的思考，并產生了使用LTE-U(免授權頻譜長期演進)系統輔助LTE-M系統進行綜合承載的想法。

1 LTE-M系統

LTE-M系統是在現有LTE(長期演進)系統基礎上結合城市軌道交通特點發展而來的城市軌道交通專用車地無線通信系統，主要對基于通信的CBTC、PIS(乘客信息系統)、IMS(視頻監控系統)、集群調度等業務進行綜合承載。根據《LTE-M系統綜合承載信息分類與要求規范》中的規定，列車不同運行等級下的傳輸速率需求如表1所示。本表按一個小區下6列車計算；表中GOA 1/2為有人駕駛，GOA 3/4為無人駕駛。

由表1可知，在GOA 3/4運行等級下，LTE-M系統至少需要27.9 Mbit/s傳輸速率才能滿足城市軌道交通車地無線通信系統綜合承載的需求，其中A網6 Mbit/s，B網21.9 Mbit/s。

若由LTE-M系統承載所有業務，由表1和表2可知，LTE-M系統組網方案應選用A網5 MHz+B網15 MHz方能滿足基本傳輸速率需求。表2中子幀配比按SA1(第1類上下行子幀配比)配置。

根據工信部無管局【2015】 65號文規定，城市軌道交通LTE-M系統可使用1 785～1 805 MHz頻段下共20 MHz頻寬進行建設。根據我國無線頻譜資源分配規劃，1 785～1 805 MHz頻段緊鄰LTE FDD(頻分雙工LTE系統)上行頻段和中國移動DCS 1800系統(1 800 MHz數字蜂窩系統)的下行頻段，因此在使用時需考慮以上兩個頻段對LTE-M系統的邊緣速率產生的干擾。

表1 列車不同運行等級下傳輸速率需求表

表2 某設備廠家LTE系統傳輸速率測試數據表

LTE FDD上行頻段和中國移動DCS 1800系統下行頻段與LTE-M系統間的干擾情況詳見表3。

表3 LTE FDD上行頻段和中國移動DCS 1800系統下行頻段與LTE-M系統間的干擾情況分析表

若單獨使用LTE-M系統進行城市軌道交通車地無線綜合承載系統建設，在考慮干擾的因素下，其小區邊緣傳輸速率只能滿足綜合承載的基本需求。因此，需要尋找一種新的方案進行城市軌道交通車地無線綜合承載的建設。

2 LTE-U系統

LTE-U系統是一種將LTE技術應用在5 GHz 的免授權頻譜為用戶提供運營商級網絡服務的無線接入系統。其系統架構與現行LTE系統的差別只是工作在不同頻段，所以技術上更容易實現。

由于LTE-U系統工作在5 GHz免授權頻段上，所以面臨與Wi-Fi(無線保真)系統之間存在干擾的問題。其根本原因在于LTE-U系統采用OFDMA(正交頻分多址技術)信道接入技術進行通信，而Wi-Fi系統采用CSMA/CA(帶有沖突避免的載波監聽多路訪問技術)信道接入方式進行通信。

OFDMA技術具有載波的獨占性，使得LTE-U系統的傳輸性能基本不受影響。CSMA/CA接入技術具有異步性和分散性等特點，用戶終端或AP(網絡節點)在使用載波進行傳輸之前，需要對所有載波進行監聽，以尋找空閑載波進行傳輸，如載波均被占用，則推遲傳輸。這使得Wi-Fi系統成為一個具有競爭性的系統，受載波使用情況干擾較大。

由此可知，載波使用權是二者存在沖突的原因。目前有以下幾種技術可以予以解決。

(1) LBT(載波監聽)機制。將LBT機制應用在LTE-U系統中，當LTE-U系統需要傳送數據時，首先對所有Wi-Fi載波進行監聽，選擇空閑載波完成數據的傳輸，如無空閑載波，則LTE-U系統進行短時間避讓，直到出現空閑載波。目前，通過對LTE-U系統空中接口的修改，已可達到ms級監測。LBT機制能夠一定程度上解決LTE-U系統與Wi-Fi系統在5 GHz免授權頻段上的載波沖突問題，但其工作原理決定了LTE-U系統數據傳輸上的被動性，因此LBT機制在更加注重數據傳輸實時性的軌道交通領域并不適用。

(2) 功率控制技術。當LTE-U系統進行上行數據傳輸時，可以對其UE(移動臺)的上行功率進行控制，在保證UE上行發送數據質量的前提下，減少對Wi-Fi系統的干擾，使CSMA/CA機制認為該載波處于空閑可傳輸狀態，以達到兩個系統在同一載波上進行傳輸的目的。功率控制技術是一種單向保證Wi-Fi系統數據傳輸質量的技術手段，對LTE-U系統的數據傳輸質量無法進行優化。因此，在城市軌道交通領域的實際應用中，功率控制技術僅可作為輔助手段增加LTE-U系統與Wi-Fi系統共存的公平性。

(3) CSAT(載波監聽自適應傳輸)技術。CSAT技術是一種基于自適應占空比的共存技術，也是一種使用時分復用技術針對通信媒介進行偵測的技術，其工作原理如圖1所示。CSAT技術也是一種與LBT技術相結合的共存技術，其基本模塊為一個占空比周期。

圖1 自適應占空比共存方案

Wi-Fi系統設定接入時間并接入時，LTE-U系統只對載波進行監聽，不進行數據傳輸；當Wi-Fi系統結束接入時，LTE-U系統監聽到載波全部空閑，此時開啟數據傳輸，并設定與Wi-Fi系統相同的接入時間。采用CSAT技術時，LTE-U系統為自適應傳輸狀態，在保證LTE-U和Wi-Fi系統數據傳輸不中斷的前提下，理論上可以完全互不干擾。CSAT技術可對LTE-U系統和Wi-Fi系統的數據傳輸進行統籌管理，在城市軌道交通領域的實際應用中，能夠保證LTE-U系統與Wi-Fi系統之間的絕對平衡。

綜上所述，LTE-U系統與Wi-Fi系統共存且互不干擾是可以實現的，其主要實現手段就是采用CSAT技術對LTE-U系統與Wi-Fi系統數據傳輸時間進行統籌管理，實現載波利用最大化，并輔助運用功率控制技術以減少可能發生的干擾。但以上兩種共存技術的應用尚需一些國際標準的制定。

3 LTE-U在城市軌道交通中的應用

隨著LTE技術的逐漸成熟，LTE-M系統在城市軌道交通行業的應用也越來越多，但綜合全國城市軌道交通項目的頻率申請情況來看，絕大部分只在地上區間申請到了5～10 MHz頻率供城市軌道交通行業使用，遠遠無法滿足城市軌道交通車地無線綜合承載系統的實際使用需求。因此，使用LTE-U系統對LTE-M系統進行輔助承載成為了建設車地無線綜合承載系統的一種優化選擇。

將LTE-M系統與LTE-U系統相結合進行城市軌道交通車地無線綜合承載系統建設的主要實現手段為CA(Carrier Aggregation，載波聚合技術)。上文對LTE-U系統的網絡架構進行了分析，其與現行LTE系統的網絡架構基本一致，故只需額外設置工作在5 GHz頻段的RRU(遠端射頻模塊)即可接入城市軌道交通LTE-M系統。如圖2所示，將LTE-M系統使用的1.8 GHz頻段與LTE-U系統使用的5 GHz頻段進行載波聚合，在5 GHz頻段同時部署下行鏈路和上行鏈路進行數據傳輸，但所有控制層流量由部署于1.8 GHz的LTE-M系統提供，由此完成對LTE-U系統的控制。

圖2 載波聚合方案

在城市軌道交通車地無線綜合承載系統的實際建設中，由LTE-M系統負責A網和C網CBTC業務的傳送，LTE-U系統進行B網業務的傳送，通過LTE-M系統的控制信號對LTE-U系統的數據傳送進行控制，同時使用CSAT技術以與Wi-Fi系統實現和諧共存。

將LTE-M系統與LTE-U系統相結合進行城市軌道交通車地無線綜合承載系統建設的優勢主要有以下幾點：① 解決LTE-M系統頻點資源不足問題，能夠用少量頻寬實現車地無線綜合承載；② 增加頻率帶寬，在地面區間使用LTE-U系統進行輔助承載時可提高PIS視頻清晰度，及增加車載IMS調看路數；③ 在車輛段的試車線區域，可使用LTE-U系統劃分獨立頻段對試車線上的車輛進行控制。

因車輛段同時具有正線及試車線兩種線路特點，故系統建設方案以車輛段為例，將LTE-M系統與LTE-U系統相結合，進行城市軌道交通車地無線綜合承載系統建設的系統方案如圖3所示。

圖3 LTE-U系統輔助LTE-M系統進行綜合承載系統方案圖

本方案實現了系統的全冗余，不僅對EPC及交換機做了冗余備份，同時對CBTC業務設置了互為獨立的LTE-M雙系統進行承載，以保證行車安全的可靠性。

在正線區域，CBTC業務采用LTE-M系統組建A網和C網兩張相對獨立的數據傳輸網，以保證CBTC業務傳輸的可靠性和安全性；采用LTE-U系統構建的B網承載IMS、PIS、集群調度等非CBTC業務，以保證大帶寬業務的高質量傳輸。

在試車線區域，對CBTC系統進行了雙網承載，優先以LTE-U系統中試車線專屬頻點進行承載，當LTE-U系統信號差以致無法滿足傳輸需求時，由工作在1.8 GHz的LTE-M系統進行補盲承載。

4 結語

對單獨LTE-M系統使用授權頻段進行城市軌道交通車地無線綜合無線系統建設存在的問題進行了分析，并簡要介紹了使用LTE-U系統輔助LTE-M系統進行綜合承載所存在的問題和優勢。顯而易見，利用LTE-U系統輔助承載LTE-M系統進行綜合承載的建設技術上還存在一定不足，但是其優勢也是極具誘惑力的，即有利于打破目前城市軌道交通行業綜合承載建設的瓶頸。為此應積極追蹤LTE-U技術的最新動態，期待其最終能進入城市軌道交通行業，提升服務品質，降低服務風險。