免授權(quán)長期演進系統(tǒng)輔助城市軌道交通長期演進系統(tǒng)進行綜合承載的研究

吳 可

(北京全路通信信號研究設(shè)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(jù)實際頻率申請情況，其車地無線通信系統(tǒng)方案已由LTE-M(城市軌道交通長期演進)系統(tǒng)綜合承載方案變?yōu)長TE-M系統(tǒng)只承載CBTC(列車控制系統(tǒng))業(yè)務(wù)，其他業(yè)務(wù)由Wlan(無線局域網(wǎng)絡(luò))系統(tǒng)承載。濟南市的實際情況引發(fā)了筆者對城市軌道交通車地無線綜合承載系統(tǒng)的思考，并產(chǎn)生了使用LTE-U(免授權(quán)頻譜長期演進)系統(tǒng)輔助LTE-M系統(tǒng)進行綜合承載的想法。

1 LTE-M系統(tǒng)

LTE-M系統(tǒng)是在現(xiàn)有LTE(長期演進)系統(tǒng)基礎(chǔ)上結(jié)合城市軌道交通特點發(fā)展而來的城市軌道交通專用車地無線通信系統(tǒng)，主要對基于通信的CBTC、PIS(乘客信息系統(tǒng))、IMS(視頻監(jiān)控系統(tǒng))、集群調(diào)度等業(yè)務(wù)進行綜合承載。根據(jù)《LTE-M系統(tǒng)綜合承載信息分類與要求規(guī)范》中的規(guī)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(qū)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(tǒng)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(tǒng)綜合承載的需求，其中A網(wǎng)6 Mbit/s，B網(wǎng)21.9 Mbit/s。

若由LTE-M系統(tǒng)承載所有業(yè)務(wù)，由表1和表2可知，LTE-M系統(tǒng)組網(wǎng)方案應(yīng)選用A網(wǎng)5 MHz+B網(wǎng)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(jù)工信部無管局【2015】 65號文規(guī)定，城市軌道交通LTE-M系統(tǒng)可使用1 785～1 805 MHz頻段下共20 MHz頻寬進行建設(shè)。根據(jù)我國無線頻譜資源分配規(guī)劃，1 785～1 805 MHz頻段緊鄰LTE FDD(頻分雙工LTE系統(tǒng))上行頻段和中國移動DCS 1800系統(tǒng)(1 800 MHz數(shù)字蜂窩系統(tǒng))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(tǒng)的邊緣速率產(chǎn)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(shè)備廠家LTE系統(tǒng)傳輸速率測試數(shù)據(jù)表

LTE FDD上行頻段和中國移動DCS 1800系統(tǒng)下行頻段與LTE-M系統(tǒng)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(tǒng)下行頻段與LTE-M系統(tǒng)間的干擾情況分析表

若單獨使用LTE-M系統(tǒng)進行城市軌道交通車地無線綜合承載系統(tǒng)建設(shè)，在考慮干擾的因素下，其小區(qū)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(shè)。

2 LTE-U系統(tǒng)

LTE-U系統(tǒng)是一種將LTE技術(shù)應(yīng)用在5 GHz 的免授權(quán)頻譜為用戶提供運營商級網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的無線接入系統(tǒng)。其系統(tǒng)架構(gòu)與現(xiàn)行LTE系統(tǒng)的差別只是工作在不同頻段，所以技術(shù)上更容易實現(xiàn)。

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

OFDMA技術(shù)具有載波的獨占性，使得LTE-U系統(tǒng)的傳輸性能基本不受影響。CSMA/CA接入技術(shù)具有異步性和分散性等特點，用戶終端或AP(網(wǎng)絡(luò)節(jié)點)在使用載波進行傳輸之前，需要對所有載波進行監(jiān)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(tǒng)成為一個具有競爭性的系統(tǒng)，受載波使用情況干擾較大。

由此可知，載波使用權(quán)是二者存在沖突的原因。目前有以下幾種技術(shù)可以予以解決。

(1) LBT(載波監(jiān)聽)機制。將LBT機制應(yīng)用在LTE-U系統(tǒng)中，當LTE-U系統(tǒng)需要傳送數(shù)據(jù)時，首先對所有Wi-Fi載波進行監(jiān)聽，選擇空閑載波完成數(shù)據(jù)的傳輸，如無空閑載波，則LTE-U系統(tǒng)進行短時間避讓，直到出現(xiàn)空閑載波。目前，通過對LTE-U系統(tǒng)空中接口的修改，已可達到ms級監(jiān)測。LBT機制能夠一定程度上解決LTE-U系統(tǒng)與Wi-Fi系統(tǒng)在5 GHz免授權(quán)頻段上的載波沖突問題，但其工作原理決定了LTE-U系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸上的被動性，因此LBT機制在更加注重數(shù)據(jù)傳輸實時性的軌道交通領(lǐng)域并不適用。

(2) 功率控制技術(shù)。當LTE-U系統(tǒng)進行上行數(shù)據(jù)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(fā)送數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下，減少對Wi-Fi系統(tǒng)的干擾，使CSMA/CA機制認為該載波處于空閑可傳輸狀態(tài)，以達到兩個系統(tǒng)在同一載波上進行傳輸?shù)哪康摹９β士刂萍夹g(shù)是一種單向保證Wi-Fi系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的技術(shù)手段，對LTE-U系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量無法進行優(yōu)化。因此，在城市軌道交通領(lǐng)域的實際應(yīng)用中，功率控制技術(shù)僅可作為輔助手段增加LTE-U系統(tǒng)與Wi-Fi系統(tǒng)共存的公平性。

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

圖1 自適應(yīng)占空比共存方案

Wi-Fi系統(tǒng)設(shè)定接入時間并接入時，LTE-U系統(tǒng)只對載波進行監(jiān)聽，不進行數(shù)據(jù)傳輸；當Wi-Fi系統(tǒng)結(jié)束接入時，LTE-U系統(tǒng)監(jiān)聽到載波全部空閑，此時開啟數(shù)據(jù)傳輸，并設(shè)定與Wi-Fi系統(tǒng)相同的接入時間。采用CSAT技術(shù)時，LTE-U系統(tǒng)為自適應(yīng)傳輸狀態(tài)，在保證LTE-U和Wi-Fi系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸不中斷的前提下，理論上可以完全互不干擾。CSAT技術(shù)可對LTE-U系統(tǒng)和Wi-Fi系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸進行統(tǒng)籌管理，在城市軌道交通領(lǐng)域的實際應(yīng)用中，能夠保證LTE-U系統(tǒng)與Wi-Fi系統(tǒng)之間的絕對平衡。

綜上所述，LTE-U系統(tǒng)與Wi-Fi系統(tǒng)共存且互不干擾是可以實現(xiàn)的，其主要實現(xiàn)手段就是采用CSAT技術(shù)對LTE-U系統(tǒng)與Wi-Fi系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸時間進行統(tǒng)籌管理，實現(xiàn)載波利用最大化，并輔助運用功率控制技術(shù)以減少可能發(fā)生的干擾。但以上兩種共存技術(shù)的應(yīng)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(yīng)用

隨著LTE技術(shù)的逐漸成熟，LTE-M系統(tǒng)在城市軌道交通行業(yè)的應(yīng)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(qū)間申請到了5～10 MHz頻率供城市軌道交通行業(yè)使用，遠遠無法滿足城市軌道交通車地無線綜合承載系統(tǒng)的實際使用需求。因此，使用LTE-U系統(tǒng)對LTE-M系統(tǒng)進行輔助承載成為了建設(shè)車地無線綜合承載系統(tǒng)的一種優(yōu)化選擇。

將LTE-M系統(tǒng)與LTE-U系統(tǒng)相結(jié)合進行城市軌道交通車地無線綜合承載系統(tǒng)建設(shè)的主要實現(xiàn)手段為CA(Carrier Aggregation，載波聚合技術(shù))。上文對LTE-U系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行了分析，其與現(xiàn)行LTE系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基本一致，故只需額外設(shè)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(tǒng)。如圖2所示，將LTE-M系統(tǒng)使用的1.8 GHz頻段與LTE-U系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸，但所有控制層流量由部署于1.8 GHz的LTE-M系統(tǒng)提供，由此完成對LTE-U系統(tǒng)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(tǒng)的實際建設(shè)中，由LTE-M系統(tǒng)負責A網(wǎng)和C網(wǎng)CBTC業(yè)務(wù)的傳送，LTE-U系統(tǒng)進行B網(wǎng)業(yè)務(wù)的傳送，通過LTE-M系統(tǒng)的控制信號對LTE-U系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送進行控制，同時使用CSAT技術(shù)以與Wi-Fi系統(tǒng)實現(xiàn)和諧共存。

將LTE-M系統(tǒng)與LTE-U系統(tǒng)相結(jié)合進行城市軌道交通車地無線綜合承載系統(tǒng)建設(shè)的優(yōu)勢主要有以下幾點：① 解決LTE-M系統(tǒng)頻點資源不足問題，能夠用少量頻寬實現(xiàn)車地無線綜合承載；② 增加頻率帶寬，在地面區(qū)間使用LTE-U系統(tǒng)進行輔助承載時可提高PIS視頻清晰度，及增加車載IMS調(diào)看路數(shù)；③ 在車輛段的試車線區(qū)域，可使用LTE-U系統(tǒng)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(tǒng)建設(shè)方案以車輛段為例，將LTE-M系統(tǒng)與LTE-U系統(tǒng)相結(jié)合，進行城市軌道交通車地無線綜合承載系統(tǒng)建設(shè)的系統(tǒng)方案如圖3所示。

圖3 LTE-U系統(tǒng)輔助LTE-M系統(tǒng)進行綜合承載系統(tǒng)方案圖

本方案實現(xiàn)了系統(tǒng)的全冗余，不僅對EPC及交換機做了冗余備份，同時對CBTC業(yè)務(wù)設(shè)置了互為獨立的LTE-M雙系統(tǒng)進行承載，以保證行車安全的可靠性。

在正線區(qū)域，CBTC業(yè)務(wù)采用LTE-M系統(tǒng)組建A網(wǎng)和C網(wǎng)兩張相對獨立的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)，以保證CBTC業(yè)務(wù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩裕徊捎肔TE-U系統(tǒng)構(gòu)建的B網(wǎng)承載IMS、PIS、集群調(diào)度等非CBTC業(yè)務(wù)，以保證大帶寬業(yè)務(wù)的高質(zhì)量傳輸。

在試車線區(qū)域，對CBTC系統(tǒng)進行了雙網(wǎng)承載，優(yōu)先以LTE-U系統(tǒng)中試車線專屬頻點進行承載，當LTE-U系統(tǒng)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(tǒng)進行補盲承載。

4 結(jié)語

對單獨LTE-M系統(tǒng)使用授權(quán)頻段進行城市軌道交通車地無線綜合無線系統(tǒng)建設(shè)存在的問題進行了分析，并簡要介紹了使用LTE-U系統(tǒng)輔助LTE-M系統(tǒng)進行綜合承載所存在的問題和優(yōu)勢。顯而易見，利用LTE-U系統(tǒng)輔助承載LTE-M系統(tǒng)進行綜合承載的建設(shè)技術(shù)上還存在一定不足，但是其優(yōu)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(yè)綜合承載建設(shè)的瓶頸。為此應(yīng)積極追蹤LTE-U技術(shù)的最新動態(tài)，期待其最終能進入城市軌道交通行業(yè)，提升服務(wù)品質(zhì)，降低服務(wù)風險。