基于LTE的地鐵無線通信業務的應用研究

李長進

（南京地鐵運營有限責任公司，江蘇 南京 210012）

0 引 言

城市軌道交通無線通信業務有如下3種需求：對車廂進行實時監控，從而提高列車運行過程中的安全性；通過車載PIS業務和車內寬帶接入業務提升乘客的出行體驗；通過承載列車列控信息，對列車的運行狀況進行實時監控。基于LTE（Long Term Evolution）無線通信的集語音、視頻和數據為一體的寬帶數字集群技術可以滿足高寬帶、高可靠性業務需求。

1 傳統車地無線與LTE技術對比

基于WLAN的傳統車地無線具有如下幾種問題。（1）信號覆蓋距離短、信號穩定性差，特別是高速場景下的業務可靠性差。（2）列車在AP之間頻繁切換造成的頻繁漫游，容易造成實時視頻流的中斷和產生馬賽克。（3）網絡安全問題。使用公共的WLAN頻段，容易受到公共頻道干擾，存在一定的網絡安全甚至是行車安全隱患。（4）產生管理問題。線路多、隧道區間長導致AP設備多，設備管理和維護難度增大。

軌道交通車地無線業務需求場景中：CBTC為上下行低速數據業務，業務需求需要提供雙向、連續、高可靠的車地無線傳輸通信；乘客PIS業務則以下行數據為主，向乘客提供各類信息節目播放；車載CCTV業務則以上行數據傳輸為主，將列車實時監控圖像上傳到控制中心供調度指揮人員查看。通過業務場景的分析可知，需要為車地之間的數據、圖像、視頻等多種業務提供實時性和高可靠性的無線傳輸通道。地鐵車地無線業務的優先級一般如表1所示。

表1 地鐵無線承載業務優先級

LTE（Long Term Evolution）是由3GPP組織制定的UMTS（通用移動通信系統）技術標準的長期演進。由于引入了OFDM（正交頻分復用）和MIMO（多輸入多輸出）等關鍵通信技術，大大增加了數據的傳輸速率和頻譜效率[1]。在20 MHz頻譜帶寬下能提供下行100 Mb/s、上行50 Mb/s的峰值速率，國內軌道交通行業可供劃分使用的LTE頻段為1.785～1.805 GHz[2]。

LTE車地無線具有如下3個優點[3]。

第一，LTE提供有效的抗干擾技術，能夠確保無線業務體驗和行車安全。相比WIFI，LTE有著更好的信道結構，頻點之間的相互干擾大大減少；LTE有著更好的接收靈敏度，傳統WIFI低于-90 dBm時基本無法滿足數據要求，LTE低至-120 dBm時仍能滿足數據要求；LTE技術有著系統化的抗干擾技術。

第二，LTE可實現高移動性、無縫切換，保證業務連續性。LTE下，設計時速能達到430 km/h，能夠滿足目前車地無線通信的所有場景，同時做到無縫切換、無數據丟失，切換時延小于50 ms。

第三，LTE具備多級QoS算法，保證網絡關鍵數據的可靠傳輸，其帶寬基于業務需求按需分配，擁塞時確保最高優先級用戶業務的QoS，如CBTC業務。

2 基于LTE車地無線的應用

本系統基于南京地鐵寧高城際線系統方案，介紹LTE車地無線通信技術在南京地鐵的首次應用。系統主要由核心網設備EPC、網管系統、基站eNB及車載接入終端TAU組成，整體網絡架構基于IP的扁平化網絡結構。其中，EPC、網管系統設置在控制中心通信機房，通過專用傳輸網絡與位于車站通信機房的BBU連接，BBU通過光纖與機房內的RRU和軌旁R RU連接。

根據地鐵無線業務的承載需求，同時基于網絡的可靠性保證的考慮，寧高城際線LTE系統采用了A/B雙網冗余的系統設計，其中A網分配5 MHz頻譜帶寬組網，包括無線接入A網和核心A網；B網絡分配15 MHz頻譜帶寬組網，包括無線接入B網和核心B網，A、B雙網并行工作。A、B網覆蓋整個正線及試車線線路，整體業務劃分和帶寬劃分如圖1所示。

圖1 承載業務和帶寬劃分

在地鐵控制中心的專用通信機房集中放置中心設備，包括LTE核心網子系統EPC、網管子系統OMC、路由器和交換機等網絡傳輸設備及電源系統等配套設備。信號系統列控CTBC信息和PIS、車載CCTV等承載業務的接入通過路由器來匯聚實現，并滿足不同承載業務之間的網絡安全和隔離。與無線調度平臺、網管、基站信息的交互則通過交換機接入實現。

在車站、車輛段通信室內設置分布式基站的BBU設備，BBU通過RJ45電口接入交換機后與專用傳輸系統設備連接，完成EPC與BBU所需的IP連接通道；BBU通過光纖與設備室的RRU和軌旁的RRU連接。

在區間線路上按照需要在設備室或軌旁設置射頻單元RRU設備，包括了RRU設備、相關的光纖及漏泄電纜，進行區間的信號覆蓋。采用與800M Tetra合用漏纜的方式，因此每個通信設備室會部署RRU設備與機房內的TETRA設備進行前端合路，合路后的信號接入軌旁的漏纜中；對于長區間，需要加設RRU設備的，將RRU直接設置在軌旁，通過帶通合路器接入到漏纜中，確保800 MHz信號的接入，或與Tetra光纖直放站合路后接入漏纜中。

在列車兩端的設備柜內分別設置一套TAU設備，與承載業務系統的車載設備通過車載交換機相連，從而實現乘客信息系統PIS的音視頻下發、車載CCTV監控視頻的上傳以及列控CBTC控制信息和列車狀態信息的傳輸。圖2為A/B雙網覆蓋示意圖。

圖2 A/B雙網覆蓋示意圖

由圖2可知，基于LTE技術的車地無線雙網冗余覆蓋設計，雙網同時冗余承載方式工作，A、B雙網絡業務不存在主備之分，同時承載業務數據；能夠滿足多場景情況全覆蓋，能夠確保網絡運行狀態，保證無線信號質量；特別是信號系統列控CBTC數據的優先可靠，核心網、基站設備及車載無線終端重要單板均采用冗余配置，能保證單板故障時的快速切換，具備業務可靠性高、移動業務接入性強、抗干擾能力強、終端掉線率低、維護方便等優點，能夠滿足軌道交通各個業務場景需求。

3 結 論

LTE寬帶無線技術是今后軌道交通無線技術發展的趨勢，本文結合地鐵無線通信常見業務，對比傳統無線和LTE技術的特點，闡述了地鐵無線應用場景的需求和基于LTE技術的應用實現。隨著我國軌道交通行業的蓬勃發展，LTE技術在地鐵中的應用將會更加廣泛。