LTE車地無線通信傳輸在城市軌道交通中的應用

賈建海

摘 要：LTE是一種具有中高速移動性管理能力、較高頻譜利用率、多業務優先級調度機制的無線網絡技術，與當前城市軌道交通車地無線通信業務需求匹配度較高。因此，文章以LTE車地無線通信傳輸系統需求為切入點，闡述了LTE車地無線通信傳輸系統的應用方案，并對其應用效益進行了進一步分析。

關鍵詞：LTE;車地無線通信傳輸;城市軌道交通

0 前言

城市軌道交通迎來高速發展，截止至今，我國城市交通投資超1.228 9萬億，已開通的城市軌道交通線路超百條，里程總數近四千公里，僅2021年5月份全國45個城市軌道交通客運量就達到了22億人次。但從城市軌道交通車地無線專網解決方案上來看，其在安全性、綜合承載能力、可靠性等方面均呈現出“力不從心”。基于此，將LTE應用到城市軌道交通車地無線專網解決方案中就非常必要。

1 LTE車地無線通信傳輸系統需求

1.1 安全性

解決WLAN使用公用頻段被干擾問題，規避因公眾大量使用WLAN設備情況下信號受擾而引發的被迫停車事故。同時解決徹底無線專網傳輸中數據重傳、大量丟包等引發的PIS系統視頻馬賽克、CBCT系統制動停車問題[1]。

1.2 綜合承載能力

解決局域網無QoS保障機制導致的專網多頻點網絡分別承載服務的多網絡共存問題，提高車地無線傳輸運行維護效率，控制部署資本投入壓力。

1.3 可靠性

簡化切換接入點，維持網絡帶寬穩定，在滿足寬帶化城市軌道交通服務需求的同時，解決80 km/h高速移動場景中無法平滑越區切換導致的業務數據丟失問題。

2 LTE車地無線通信傳輸的應用方案

2.1 框架設計

如圖1所示，LTE車地無線傳輸結構是針對軌道交通安全運營綜合業務需求而定制的專用通信系統，包括服務器、路由器與調度服務器、核心交換機、無線接入系統、數傳終端與監控終端幾個模塊。其中路由器直接與列控CBTC、PSTN公話、Tetra集群、Internet相連，而無線接入系統包括CPRI、eRRU幾個部分，可以經eBBU與WAN傳輸系統相連，實現全網均配置完全冗余，可以保障單點故障下的信號系統安全。基于車地信息傳輸運送可靠性要求，針對相同的信息，在業務系統發送端選擇兩份數據發送形式，接收端也獲取同樣的兩份數據，此時，車地無線傳輸系統僅需保證其中一份數據傳輸正確性就可以完成bit/s端數據交互任務。

2.2 組網設計

LTE車地無線傳輸結構總體設計需要根據城市軌道交通應用特征，根據高架車站、地下車站不同要求，選擇適應性較強的天饋方式[2]。網絡總體架構包括車載終端、基站系統、核心網三個模塊，其中基站系統與組網實現緊密相關，包括BBU（基帶單元）、RRU（遠端射頻單元），具體如下：

如圖2所示，控制中心是LTE系統核心網設備部署空間，上端業務接口、核心網交換機可以直接相連，與傳輸系統骨干網環狀連接，進而與地面PIS系統設備相連接。核心網可以通過接口連接的方式與基站系統BBU相連，基站系統BBU主要放置在通信設備室內，經LTE骨干網與核心網建立信息交互。與此同時，沿列車行駛路線，在折返線、正線車站、車輛段出/入段、停車線等區域進行RRU部署，實現無線信號全面覆蓋。在這個基礎上，于列車編組的前后司機車廂（司機車廂車頂、下方左側與右側相對中軸線位置）內進行TAU（車載終端車載無線模塊）部署，避免漏纜、天線遮擋對車地無線傳輸效率的影響。進而在車端頭、端尾部設置一套TAU的情況下，經以太網接口，將TAU與車載交換機、車載PIS設備相連，實現車到地的點對點連接。

2.3 優化配置

在車到地點對點連接的基礎上，考慮到LTE在頻域上資源塊（RB）占用頻寬帶寬為200 kHz（含隔離帶寬），包括若干個子載波頻段，時域上每一時隙為0.5 ms，可以為7個符號傳輸提供依據。根據上述數據，可以獲得調制方式改變情況下LTE車地無線傳輸系統理論最大吞吐率計算公式為：

（1）

（1）中RB為LTE在頻域上資源塊，b為對應調制方式下LTE每一子載波攜帶信息bit數。在信道環境中，LTE自適應調制方式包括64QAM、QPSK、16QAM幾種類型，其子載波所攜帶的信息為6 bit、2 bit、4 bit;NRB表示對應帶寬下資源塊數量，在帶寬為5 MHz時資源塊數量為25個。將上述數據代入（1）中可以得出：在帶寬為5 MHz時，不考慮LTE自適應信道編碼形成信息冗余的情況下，64QAM調制方式下理論最大吞吐率為25 200 kbit/s，QPSK調制方式下理論最大吞吐率為8 400 kbit/s，16QAM調制方式下理論最大吞吐率為16 800 kbit/s。

在確定LTE車地無線通信傳輸理論最大吞吐率的情況下，可以根據城市軌道交通地下區間泄露電纜覆蓋特點，在信號系統子系統頻段為1 720 MHz～1 735 MHz/1 815 MHz～

1 830 MHz時，分析上下行同頻相鄰區對LTE車地無線傳輸的干擾。為避免干擾引發小區邊緣信噪比最大導致的信道切換延遲，可以分別在上行信道、下行信道引入調度優化算法、業務異頻調度方式，提高核心網中心數據吞吐能力。

3 LTE車地無線通信傳輸的應用效益

3.1 高強度干擾下信號屏蔽

在面對干擾源-45 dbm極高強度干擾下，LTE車地無線通信傳輸可以通過車載天線+地面漏纜布放工程化抗干擾措施，配合優化上行調度算法，將干擾控制在最低水平，在保證上行業務帶寬精確性、高效性的同時，滿足CBTC業務正常開展需要[3]。

3.2 多業務優先級承載保障

在面對列車狀態監測、傳輸CBTC、車載視頻監控乘客信息等多業務傳輸需求時，LTE車地無線通信傳輸可以提供9級QoS保障機制，根據各業務對時延、可靠性的要求，分別對軌道交通業務、低優先級業務進行定制化優先級匹配與需求帶寬控制。

3.3 高速移動下可靠傳輸

在面對每小時200公里高速移動場景下列車車地通信傳輸要求時，LTE車地無線通信傳輸可以根據軌道交通特性，適時引入基于頻偏的切換技術，通過自動頻率控制進行無線鏈路穩定性的切換，滿足高速場景下的傳輸穩定性要求。

4 總結

綜上所述，LTE車地無線通信傳輸系統可以為城市軌道交通安全、可靠運營提供技術支撐。因此，為了順利發揮LTE車地無線通信傳輸“高強度干擾下信號屏蔽”、“多業務優先級承載保障”、“高速移動下可靠傳輸”功能，各地可以LTE作為統一承載網絡，在互聯互通規范指導下，進行車地無線傳輸系統架構的組建以及網絡部署。在這個基礎上，借鑒已有LTE車地無線通信系統業務承載經驗，進一步完善多線路制式下的QoS保障機制，全面優化LTE部署方案。

參考文獻：

[1]萬建.淺析車地無線通信傳輸系統構成及原理[J].技術與市場，2019（6）：149-150.

[2]劉洋.城市軌道交通全自動運行模式下的車地無線綜合通信網絡方案分析[J].城市軌道交通研究，2019（12）：22-25.

[3]李晨晨，臧海娟.基于LTE的車地無線通信安全性增強的研究和進展[J].通信技術，2018（7）：1716-1721.