LTE-M系統可靠性研究及綜合承載設計探究

馮杰，趙宗耀

（北京城建設計發展集團股份有限公司云南京建軌道交通投資建設有限公司，昆明650000）

1 引言

在社會經濟快速發展的同時，城市網絡化進程的步伐逐漸加快，網絡擁堵以及資源能耗問題越來越突出，城市軌道交通建設中的網絡應用也面臨著諸多問題。隨著軌道交通運行里程的不斷增加，網速滯后這一問題也日益凸顯。列車在高速行駛過程中，傳統的WLAN網絡通信信號不穩定，干擾源較多等問題越來越明顯，而LTE-M系統能夠有效解決WLAN存在的問題，為列車安全穩定的運行提供保障。

2 LTE-M系統簡述

2.1 運行方式

LTE-M系統是對下一個移動寬帶網絡標準的定義，分為頻分雙工（FDD）與時分雙工（TDD）2種方式。FDD主要是通過2個相對獨立的頻率信道接收與發送信息。為了有效減少不同信道之間相互干擾的情況，設置有專門的保護頻段間隔。通過成對的頻段，能夠實現信號發送與接收同時進行，因此，FDD可以有效減少信號反饋時間。TDD主要是根據時間區分發送與接收信道，在不同時隙傳輸信號，TDD對于頻段在對稱性方面沒有特殊的要求，且配置頻率比較靈活，可全面使用頻段資源。因接收與發送信號在同一頻率，加上傳播特性的影響，使信道測量減少，降低了移動終端處理的復雜。

2.2 LTE（長期演進）關鍵技術

OFDM（正交頻分復用技術）可以充分利用頻譜資源的新型多載波傳輸方式，傳統數據傳輸系統是對信號頻段進行劃分，從而形成多個不重疊的頻率子通道，這樣能夠有效減少信道之間的相互干擾，但是無法高效利用頻譜資源，OFDM可以將信道逐漸劃分為多個信道，波載之間是能夠相互重疊的，這樣能夠充分利用頻譜資源逐步實現多載波通信[1]。

MIMO（正交頻分復用技術）通常主要指的是發送端與接收端二者分別采用天線對信號進行發送與接收的一種術，該技術通過天線空間的獨立性能夠大幅度提升數據的實際傳輸速率，從而有效改進通信質量。

該技術的可靠性非常高，且同時具備FEC高效率等優勢，當檢測到發射端的數據出錯的情況下，發送端會再次傳送數據幀，從而有效還原出源數據，能夠有效減少誤碼率，也能有效保障時延以及提高信道的適應性。

3 提高LTE-M系統可靠性的有效措施

3.1 提高硬件設備可靠性

單網覆蓋方式需要的設備相對較少，系統出現故障的具體類型也比較少，在設備維護工作過程中具有明顯的優勢，系統可靠性與雙網覆蓋的方式相比較低，設備一旦失效，會出現系統故障，導致數據無法正常穩定傳輸。所以，選擇可靠性比較高的設備能夠有效避免設備突發性失效從而導致系統故障，大幅度提升系統的可靠性。

3.2 提高設備冗余度

故障樹分析法系統失效度原則，冗余設備的總失效度是各個不同設備失效度之積，也能夠充分說明設備的冗余度越高，系統的總失效度也就越低，適當地提升相對比較薄弱環節設備的冗余度，能夠有效提高LTE-M系統的整體可靠性。

3.3 強化定期維護和日常檢測

設備突然失效具有偶然性和不可預測性，為了盡可能地減少系統設備突然失效對系統造成的不利影響，在日常設備運行過程中，要加強日常檢測和定期維護，只有這樣，才能最大限度地保障系統設備的穩定性。

4 LTE-M系統綜合承載設計

4.1 系統業務需求

4.1.1 CBTC業務

CBTC（列車自動控制系統）主要是通過精準度非常高的定位設備建立雙向通行，傳輸列車的具體運行位置、速度等相關授權信息，使地面與車載之間形成連續的運行控制系統。主要是為了保障列車的實際運行安全間隔，并組織單向及雙向連續性發車，針對路線狀況和條件實現對列車的控制和調度，其主要分為地面設備與車載設備2部分。地面設備包含監控系統、區域控制器以及連鎖設備；車載設備包含自動駕駛系統以及自動防護系統，地面和車載設備之間主要通過相應的網絡進行連接。地面設備在獲取列車運行狀態與具體位置等相關信息之后，通過計算將其發送給車載設備，車載設備再結合自身的實際運行狀態計算列車的運行速度，控制列車安全平穩的運行。

4.1.2 PIS業務

城市軌道交通的出現和應用極大地緩解了城市的交通壓力，隨著人們的需求逐漸發生變化，已經不再滿足于當前的文字信息與廣播服務，逐漸轉向新聞以及節目等多樣化的服務體驗。PIS（智能交通地鐵系統）業務主要指的是控制中心將不同類型的視頻和圖像信息通過處理編輯之后根據相應的規則授權在車廂內播放，為乘客提供相關信息數據。乘客可以根據收聽到的信息乘坐地鐵，PIS業務被廣泛應用于城市軌道交通領域中[3]。

4.2 系統組網設計方案

4.2.1 控制中心子系統

控制中心子系統主要是為CBTC（列車自動控制系統）、PIS（智能交通地鐵系統）以及CCTV（閉路電視系統）提供車地寬帶無線接口、配套網管平臺以及核心網設備，核心網是LTE-M系統中非常關鍵的部分，可提供雙向數據傳輸通道，并對網絡數據進行整合與轉發，維護與管理網絡，核心網設備通過接口和業務系統之間的連接，實現不同系統之間的運行。

4.2.2 車站子系統

車站子系統主要負責基站相關設備，車站需要布置BBU（基帶處理單元）以及RRU（射頻拉遠模塊）基站設備，可通過交換機對核心網設備進行連接，一個BBU能夠同時連接多個RRU，RRU信號與系統其他信號合路敷設在小區區間，從而實現無線信號的覆蓋。

5 結語

在北京城建設計發展集團股份有限公司承建的昆明地鐵4號線工程中，引進了LTE-M的綜合業務承載無線網絡解決方案，用以解決列車行駛過程中網絡的高移動性、高帶寬、高可靠傳輸需求。在傳統WLAN網絡方式已經無法滿足當前發展需要的時期，LTE-M系統應用的出現，有效提高了系統帶寬與數據傳輸速率，減少了干擾，彌補了傳統WLAN網絡方式存在的缺陷，在今后也會得到進一步應用與發展。