孫寰宇,顧向鋒

(1.鄭州市軌道交通有限公司,鄭州 450002;

2.中國通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計院有限公司第四分公司,鄭州 450002)

基于LTE技術(shù)的車地?zé)o線通信組網(wǎng)方案研究

孫寰宇1,顧向鋒2

(1.鄭州市軌道交通有限公司,鄭州 450002;

2.中國通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計院有限公司第四分公司,鄭州 450002)

基于軌道交通車地?zé)o線通信技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀分析,結(jié)合軌道交通現(xiàn)場條件和乘客信息系統(tǒng)對車地?zé)o線通信的需求,提出適用于軌道交通的TD-LTE技術(shù)組網(wǎng)方案,并進(jìn)一步在鄭州市軌道交通1號線一期工程實驗驗證。該方案能夠解決現(xiàn)有地鐵行業(yè)車地通信的瓶頸,能夠達(dá)到凈化隧道區(qū)間、減少隧道設(shè)備、降低維護(hù)工作量的目的,有利于其他系統(tǒng)接入。

軌道交通;TD-LTE;乘客信息系統(tǒng);車地?zé)o線通信;無線局域網(wǎng)

隨著城市軌道交通系統(tǒng)的不斷發(fā)展,其安全性、舒適性和高效性得到社會的普遍關(guān)注。車地?zé)o線通信系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著軌道交通運行中車廂內(nèi)與外界信息交互的“橋梁”作用。除了承載傳統(tǒng)的語音業(yè)務(wù),還需要承載乘客出行信息、視頻監(jiān)視信息、寬帶集群、多媒體廣告信息、電視信息以及CBTC等業(yè)務(wù),在提高地鐵運營效率、公共安全管理以及改善乘客出行體驗方面都起著重要的作用。

目前國內(nèi)建設(shè)的城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)采用的技術(shù)基本為802.11系列無線局域網(wǎng)技術(shù)(WLAN)[1],WLAN作為一種寬帶無線接入網(wǎng)技術(shù),其網(wǎng)絡(luò)化、寬帶化等特點具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。但目前采用的WLAN技術(shù)方案具有很大的局限性:WLAN網(wǎng)絡(luò)在固定情況下能提供高達(dá)54 Mbps的數(shù)據(jù)帶寬,但在支持步速移動情況下提供11～13 Mbps的數(shù)據(jù)帶寬,僅能實現(xiàn)標(biāo)清信號的傳輸,暫不能滿足高清的要求[2]; WLAN天線覆蓋范圍較小,軌旁AP在直線隧道一般每間隔200 m布設(shè)1個,系統(tǒng)越區(qū)切換頻繁,導(dǎo)致系統(tǒng)易丟包,造成視頻畫面停滯或馬賽克系統(tǒng)工作[3]; WLAN工作在2.4G頻段,干擾源多,對運營安全要求較高的無線傳輸系統(tǒng)會導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸中斷,進(jìn)而影響車輛的正常運行[4]。

隨著寬帶無線技術(shù)的不斷發(fā)展,新技術(shù)的出現(xiàn),尤其是第四代移動通信技術(shù)LTE的日漸成熟[5],使軌道交通無線網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一、達(dá)到更好的傳輸效果成為可能。

1 乘客信息系統(tǒng)車地通信需求

1.1 業(yè)務(wù)需求

乘客信息系統(tǒng)(PIS)依托多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù),以計算機系統(tǒng)為核心,以車站和車載顯示終端為媒介向乘客提供下列信息服務(wù)。

(1)安防業(yè)務(wù)

提供車地高清視頻傳輸業(yè)務(wù),實時監(jiān)控車廂內(nèi)一舉一動,為公安系統(tǒng)提供實時動態(tài)圖像傳輸,以應(yīng)對緊急突發(fā)事件。

在緊急情況下,本著運營安全信息優(yōu)先使用的原則,可提供動態(tài)輔助性提示。車載設(shè)備負(fù)責(zé)接收系統(tǒng)無線傳輸?shù)男畔?經(jīng)處理后轉(zhuǎn)發(fā)給車輛專業(yè),以便其在列車客室內(nèi)音、視頻播放,使乘客通過正確的服務(wù)信息引導(dǎo),安全、便捷地乘坐地鐵。能實時傳輸監(jiān)控、檢測、車廂內(nèi)管理數(shù)據(jù)等信息,監(jiān)控行車狀態(tài)。

(2)乘運業(yè)務(wù)

乘客信息系統(tǒng)在正常情況下,提供乘車須知、地鐵首末車服務(wù)時間、列車到站時間、列車時刻表、管理者公告等運營信息及政府公告、出行參考、媒體新聞、賽事直播。

(3)增值業(yè)務(wù)

提供高清廣告等公共媒體實時信息投放平臺,目前細(xì)分時間段的廣告投放是重要的廣告盈利模式。

1.2 帶寬需求

PIS系統(tǒng)各種業(yè)務(wù)著眼于在移動狀態(tài)下提供高清,實時監(jiān)控,車輛管理信息及測試診斷信息,增值業(yè)務(wù)等;因此,對車地?zé)o線的需求的落腳點是“高移動性+穩(wěn)定寬帶”。

地鐵列車一般由6～8節(jié)車廂組成,車輛監(jiān)控方案中每節(jié)車廂放置2個攝像機,車頭車尾各1個,全車共14～18個攝像機。

對于上行信息,每列列車向控制中心至少上傳2路車載安全監(jiān)控視頻系統(tǒng)視頻信息,視頻圖像的壓縮格式采用MPEG-4或H.264,圖像質(zhì)量要求達(dá)到D1(720×576),每路按2 Mbps計算,帶寬約為4 Mbps;每列列車向控制中心上傳14路車載視頻系統(tǒng)信息,以D1(720×576)圖像質(zhì)量上傳,每路按2 Mbps計算,帶寬約為28 Mbps。

對于下行信息,由控制中心向列車下發(fā)2路高清數(shù)字視頻信息,視頻編碼采用MPEG-2、MPEG-4或 H.264格式,帶寬約為8 Mbps。

根據(jù)上述信息類型的分析后,車地傳輸?shù)膸捯话阈枰?下行帶寬為8 Mbps,如果每列車上傳2路視頻圖像上行帶寬為4 Mbps,當(dāng)14路監(jiān)控同時上傳時上行帶寬至少為28 Mbps。

1.3 高速移動性需求

地鐵列車最高運行速度一般為80 km/h,車輛構(gòu)造速度為90 km/h。車地?zé)o線傳輸網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)充分考慮列車在高速情況下的切換問題,采取有效措施減少切換時間和降低因切換帶來的數(shù)據(jù)損失,以保證在車上的實時播放不中斷(切換時間應(yīng)少于50 ms),且播放質(zhì)量不受影響。

1.4 QoS需求

PIS系統(tǒng)無線帶寬應(yīng)有QoS分級控制。所傳圖像要順暢清晰,不能出現(xiàn)畫面中斷或者跳播現(xiàn)象。

2 TD-LTE技術(shù)介紹

TD-LTE是一種新一代寬帶移動通信技術(shù),是我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA的后續(xù)演進(jìn)技術(shù), TD-LTE目前已成為3GPP里面唯一的基于TDD技術(shù)的4G LTE標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。

2.1 TD-LTE的關(guān)鍵技術(shù)

基于TDD的雙工技術(shù)、基于OFDM的多址接入技術(shù)和基于MIMO的多天線技術(shù)是TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)的三大關(guān)鍵技術(shù)。[6]

(1)基于TDD的雙工技術(shù)

TDD時間切換的雙工方式是在一個幀結(jié)構(gòu)中定義了它的雙工過程,它是用時間來分離接收和發(fā)送信道。在TDD方式的移動通信系統(tǒng)中,接收和發(fā)送使用同一頻率載波的不同時隙作為信道的承載,其單方向的資源在時間上是不連續(xù)的,時間資源在兩個方向上進(jìn)行了分配,基站和移動臺之間必須協(xié)同一致才能順利工作。

(2)基于OFDM的多址接入技術(shù)

正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)的基本原理是將一個較寬的頻帶分成若干個彼此正交的子載波,在每個子載波上進(jìn)行窄帶調(diào)制和傳輸,這樣既減少了子載波間的相互干擾,同時又提高了頻譜利用率[7]。OFDM技術(shù)是LTE系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)與主要特點,具有諸多優(yōu)勢,例如在頻率選擇性衰落信道中具有良好的性能,基帶接收機復(fù)雜性低,擁有較好的頻譜特性和較強的多寬帶處理能力等。

(3)基于MIMO的多天線技術(shù)

多輸入輸出(MIMO)技術(shù)包含空分復(fù)用、空間分集、波束賦形等多項技術(shù),其主要思想是在多組不相關(guān)的天線上分別發(fā)送多個數(shù)據(jù)流,把傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中損害系統(tǒng)性能的多徑衰落因素轉(zhuǎn)變成對用戶通信性能有利的增強因素。該技術(shù)能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率,是無線通信系統(tǒng)實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率傳輸和提高傳輸質(zhì)量的重要途徑。

2.2 TD-LTE與WLAN比較分析

LTE技術(shù)具有高數(shù)據(jù)速率、分組傳送、延遲降低、廣域覆蓋和移動支持能力強等優(yōu)勢,主要有以下特點。

(1)在20 MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100 Mbps、上行50 Mbps的峰值速率。0～120 km/h移動場景下平均吞吐速率達(dá)到70 Mbps,上行速率26 Mbps,下行速率44 Mbps。

(2)下行鏈路頻譜利用率可達(dá)到5 bps/Hz,上行鏈路頻譜利用率可達(dá)到2.5 bps/Hz。

(3)支持成對或非成對頻譜,可靈活配置1.4～20 MHz間的多種系統(tǒng)帶寬。TDD LTE可以調(diào)整上下行流量。

(4)扁平網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),網(wǎng)元節(jié)點少,用戶面?zhèn)鬏敃r延＜10 ms,控制面信令傳輸時延＜100 ms。

(5)嚴(yán)格的QoS機制保證多種不同質(zhì)量要求的業(yè)務(wù)并發(fā)的服務(wù)質(zhì)量。

(6)采用頻偏補償機制,有效克服多普勒效應(yīng),確保高速移動場景下的無線鏈路質(zhì)量。

(7)切換時參考頻率偏移變化,提高切換成功率,保證高速切換場景下的帶寬穩(wěn)定。

(8)多RRU共小區(qū),減少由于切換帶來的時延、抖動、丟包,保證高速切換場景下的帶寬穩(wěn)定。

目前軌道交通車地通信主要通過WLAN承載,存在安全性差、覆蓋難、切換頻繁、移動場景帶寬低、干擾源多等問題,需要一套穩(wěn)定的車地通信系統(tǒng),實現(xiàn)車-地間的信號和數(shù)據(jù)的傳輸。

TD-LTE與WLAN技術(shù)對比見表1。

表1 TD-LTE與WLAN技術(shù)對比

3 地鐵TD-LTE車地?zé)o線解決方案

采用先進(jìn)的4G TD-LTE技術(shù)的寬帶多媒體數(shù)字傳輸系統(tǒng)提供了從芯片、終端、網(wǎng)絡(luò)到應(yīng)用的端到端解決方案,為行業(yè)客戶提供了在一張網(wǎng)絡(luò)內(nèi)、使用一個頻率,在一部終端上同時提供專業(yè)級的寬帶數(shù)據(jù)傳輸、高清視頻上傳及分發(fā)調(diào)度等豐富的多媒體通信手段,同時在網(wǎng)絡(luò)的安全性、可靠性、可擴展性及定制化等方面具有強大的技術(shù)優(yōu)勢。

TD-LTE寬帶多媒體技術(shù)可根據(jù)軌道交通應(yīng)用場景特點對空口性能做相關(guān)優(yōu)化工作,增加了小區(qū)覆蓋,保證視頻數(shù)據(jù)的實時、清晰播放,降低信號傳輸時延保證信號業(yè)務(wù)的高優(yōu)先級和可靠的快速傳輸,支持超過120 km/h的高速運動場景下相關(guān)業(yè)務(wù)的有效性,通過完善的QoS保障機制,區(qū)分優(yōu)先級保證高優(yōu)先級的QoS要求,可同時支持乘客信息系統(tǒng)和信號系統(tǒng)業(yè)務(wù)的并發(fā),打造新一代的統(tǒng)一平臺的車地?zé)o線系統(tǒng)。

為驗證新一代無線通信技術(shù)TD-LTE在城市軌道交通車地傳輸?shù)膽?yīng)用,通過鄭州地鐵1號線部署一張TD-LTE網(wǎng)絡(luò),用于承載具有寬帶數(shù)據(jù)要求的PIS系統(tǒng)和車載CCTV車地?zé)o線傳輸網(wǎng)絡(luò)。通過實際應(yīng)用驗證車地?zé)o線(TD-LTE)傳輸網(wǎng)在城市軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用方案的合理性、功能完備性、技術(shù)先進(jìn)性。

3.1 網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)

基于TD-LTE技術(shù)PIS系統(tǒng)車地?zé)o線解決方案由3層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)組成,分別為控制中心子系統(tǒng)、車站子系統(tǒng)、區(qū)間覆蓋子系統(tǒng)和車載子系統(tǒng),如圖1所示。

控制中心子系統(tǒng),主要實現(xiàn)PIS系統(tǒng)的編輯、播放、管理及控制等功能,通過PIS系統(tǒng)交換機與TDLTE核心網(wǎng)設(shè)備互聯(lián),使用GE/FE光口或電口連接,實現(xiàn)中心PIS信息在車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)的傳輸。

車站子系統(tǒng)主要由基站、傳輸設(shè)備和配套設(shè)施構(gòu)成,在車站站臺布置TD-LTE基站的BBU和RRU設(shè)備,覆蓋站臺周邊區(qū)域,根據(jù)無線信號覆蓋的要求在隧道區(qū)間布置RRU設(shè)備延伸無線覆蓋,實現(xiàn)與車載無線設(shè)備之間的無線數(shù)據(jù)通信。各基站通過百兆以太網(wǎng)接入車站網(wǎng)絡(luò)交換機,通過通信傳輸系統(tǒng)提供的通道與控制中心連接。

地鐵正線、出入段、出入場線隧道利用商用泄漏電纜進(jìn)行無線覆蓋,將RRU信號合路進(jìn)泄漏電纜中,車輛段、停車場地面及庫內(nèi)采用天線覆蓋。

在每列車的車頭、車尾各設(shè)置1套車載無線設(shè)備(TAU),通過車載交換機與車載LCD控制器相連,接收由控制中心提供的實時視頻信息和向控制中心發(fā)送多路實時的車廂監(jiān)控信息。

圖1 TD-LTE車地?zé)o線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.2 無線覆蓋方案

基于TD-LTE的PIS車地?zé)o線通信系統(tǒng)采用BBU+RRU方式進(jìn)行無線覆蓋,如圖2所示。在車站設(shè)置基站基帶設(shè)備(BBU)和射頻單元(RRU),BBU可設(shè)于車站設(shè)備室,RRU可設(shè)于隧道入端,TD-LTE信號通過合路器與POI(多系統(tǒng)接入平臺)輸出的商用通信系統(tǒng)信號合路,合路后的無線信號送入商用漏泄電纜中,實現(xiàn)隧道內(nèi)覆蓋。為實現(xiàn)隧道長區(qū)間TD-LTE無線信號覆蓋,采用在區(qū)間增設(shè)RRU方式,TD-LTE信號通過區(qū)間多頻分合路器合路,合路后的無線信號送入?yún)^(qū)間漏泄電纜中?；趯嶋H情況考慮,站間距按1.2 km規(guī)劃,大于1.2 km的地方需要增加RRU,大于2.4 km的地方需要增加2個RRU。

4Path RRU分別連接隧道區(qū)間左右兩端的2根商用漏纜,達(dá)到2T2R的MIMO效果。TD-LTE系統(tǒng)可以根據(jù)業(yè)務(wù)類型及帶寬需求靈活配置TD-LTE幀的上、下行配比,如2DL∶2UL、3DL∶1UL等。同時,系統(tǒng)應(yīng)按車站雙向隧道劃分小區(qū),將地鐵在兩個運行方向上劃分成不同小區(qū),并利用小區(qū)合并技術(shù),減少小區(qū)數(shù)量及切換次數(shù)。這樣可以使地鐵兩個運行方向上,都獲得足夠的資源支持大數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 TD-LTE無線覆蓋示意

4 工程經(jīng)濟性研究

基于LTE的車地?zé)o線通信系統(tǒng)相對于采用WLAN的傳統(tǒng)車地?zé)o線通信系統(tǒng)具有更高的綜合經(jīng)濟效益。主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)建設(shè)與維護(hù)成本和增值服務(wù)效益等幾個方面。

從目前LTE的設(shè)備商務(wù)水平看,比WLAN略高,但是由于LTE技術(shù)可以支持大型組網(wǎng),它的三層式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)使得LTE解決方案可以共用最上層的核心網(wǎng)設(shè)備,針對軌道交通而言,一個城市會建設(shè)多個地鐵線路,而LTE的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)體制使多個地鐵線路共用一個平臺成為可能。另外,LTE車地?zé)o線通信系統(tǒng)可實現(xiàn)一張網(wǎng)絡(luò)同時承載PIS、CCTV、寬帶集群、CBTC,寬帶集群同時支持語音及視頻調(diào)度,這樣就避免了多張網(wǎng)絡(luò)獨立建設(shè)與共存的問題,大大減少了投資建設(shè)成本。

同時隨著LTE全球商用化的進(jìn)程進(jìn)一步加快,全球各大設(shè)備供應(yīng)商的全力投入以及產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境的快速發(fā)展,整體設(shè)備和終端成本會有較大的降低,預(yù)計到2014年設(shè)備成本會迅速降低到一個與工業(yè)級WLAN相當(dāng)?shù)乃?。因此LTE的固定成本整體看并不比WLAN高很多,甚至?xí)萕LAN低。

可變成本主要是安裝成本、維護(hù)成本和運營成本構(gòu)成,由于WLAN的1個AP覆蓋的范圍只有150～200 m,一條軌道線路基本要按照200～600個AP進(jìn)行部署,而LTE由于遠(yuǎn)覆蓋的技術(shù)一個基站可以覆蓋1500 m,一條軌道線路只需要20～60個AP進(jìn)行部署,即可保證整條線路的覆蓋,因此在施工安裝的成本上會遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于WLAN;同時LTE基站設(shè)備采用分布架構(gòu),軌旁設(shè)備為射頻單元,可通過遠(yuǎn)程網(wǎng)管監(jiān)控管理,無需進(jìn)行軌旁設(shè)備的巡檢維護(hù),而且WLAN的設(shè)備數(shù)量比LTE的基站多10倍,因此巡檢維護(hù)、故障維修都沒有LTE容易,耗電量也比LTE高,需要配置更多的人力維護(hù)和增加更多的電費成本,因此運營成本和維護(hù)成本會隨著后續(xù)地鐵線路的運營急速增加。

增值服務(wù)效益方面,由于采用LTE的車地?zé)o線同系統(tǒng)具有高用戶數(shù)據(jù)速率、高系統(tǒng)容量的特點。除了全程提供乘車指引及咨詢服務(wù)、車上實時娛樂信息傳遞、到站換乘等列車咨詢、地鐵周邊設(shè)施及方位信息等基本業(yè)務(wù)外,網(wǎng)絡(luò)可以承載更加豐富的多媒體增值服務(wù),如實時電視轉(zhuǎn)播、互動廣告、品牌傳播等。

5 結(jié)論

TD-LTE作為目前最為先進(jìn)的4G無線技術(shù),具有高帶寬、高質(zhì)量、高可靠、高抗干擾能力等優(yōu)良特性,與傳統(tǒng)WLAN技術(shù)相比更為適合應(yīng)用于軌道交通車地?zé)o線通信領(lǐng)域。同時,TD-LTE車地?zé)o線通信系統(tǒng)使用專用頻段,抗干擾能力強,可以共用商用通信系統(tǒng)的泄漏電纜,施工難度小,設(shè)備維護(hù)工作量少。為充分利用該系統(tǒng)的多業(yè)務(wù)承載能力,可綜合考慮地鐵內(nèi)其他業(yè)務(wù)的應(yīng)用,如車輛信息管理系統(tǒng)、車輛檢測信息系統(tǒng)、預(yù)警監(jiān)視、寬帶集群和CBTC等。

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Research on Networking Plan for Train-Ground Wireless Communication System Based on LTE Technology

SUN Huan-yu1,GU Xiang-feng2
(1.Zhengzhou Metro Co.,Ltd.,Zhengzhou 450002,China;2.The 4th Branch,China International Telecommunication Construction Group Design Institute Co.,Ltd.,Zhengzhou 450002,China)

Based on analysis of present application status of train-ground wireless communication technology in rail transit,considering the field condition of rail transit,and in combination with the wireless communication requirement of passenger information system,this paper proposed the networking plan suitable for rail transit based on TD-LTE technology.And then the experimental validation of this networking plan was carried out with the first-phase project of Zhengzhou urban rail transit Line 1.Finally this paper come to the conclusion that this networking plan can solve the bottleneck problem of trainground communication of rail transit at present,can achieve the goals of purifying the tunnels,reducing tunnel equipment and decreasing maintenance work,and can be good for the access of other systems.

rail transit;TD-LTE;passenger information system;train-ground wireless communication; wireless local area network

U239.5;U285.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.039

1004-2954(2014)08-0159-04

2013-12-04

孫寰宇(1975—),男,工程師,2006年畢業(yè)于武漢大學(xué),工學(xué)碩士,E-mail:sunhuanyu@126.com。