秦小虎

（重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司，重慶 401120）

信息技術(shù)

基于LTE技術(shù)的城市軌道交通車地通信綜合業(yè)務(wù)承載可行性分析

秦小虎

（重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司，重慶 401120）

本文針對WLan技術(shù)存在的一些主要問題，對TD-LTE技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢進(jìn)行了簡明的陳述，并通過對城市軌道交通現(xiàn)有通信業(yè)務(wù)的需求分析，提出了將LTE應(yīng)用于城市軌道交通車地通信綜合業(yè)務(wù)承載的一種可行性思路，為今后軌道車地通信建設(shè)提供參考。

城市軌道交通；車地通信；TD-LTE

隨著我國大城市人口的急劇膨脹，交通擁堵、阻塞和混亂的現(xiàn)象日益嚴(yán)重，因此，各大城市都在大力發(fā)展自己的城市軌道交通體系。目前，全國已有39個(gè)城市獲批建設(shè)地鐵，預(yù)計(jì)到2020年，全國地鐵總里程將達(dá)到6000km，投資達(dá)到4萬億。伴隨著城市軌道的發(fā)展，各種涉及安全營運(yùn)、舒適坐乘的通信需求也日益增加。如何將車地?zé)o線通信等信息技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通CBTC、列車狀態(tài)信息、CCTV、PIS等系統(tǒng)，營造高效、舒適、便捷的城市軌道交通體系以滿足人們不斷增長的出行需求，已經(jīng)成為城市軌道交通領(lǐng)域令人關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。

1 目前城市軌道交通通信系統(tǒng)中存在的問題

目前，城市軌道交通的車地?zé)o線通信主要采用工作在2.4GHz開放頻段的無線局域網(wǎng)技術(shù)（以下簡稱WLan技術(shù)）。表1為重慶市軌道交通集團(tuán)現(xiàn)有車地?zé)o線系統(tǒng)（為統(tǒng)一說明，本文規(guī)定列車至地面?zhèn)鬏敺较驗(yàn)樯闲蟹较?，反之為下行方向）?/p>

由表1可以看出，重慶市軌道交通車地?zé)o線通信存在著多業(yè)務(wù)對應(yīng)多系統(tǒng)，施工建設(shè)成本較高，難度加大，也給維護(hù)管理帶來了不便。如果能找到一個(gè)綜合承載的通信平臺，將會大大降低施工和維護(hù)的成本和難度。然而，由于WLan技術(shù)存在的一些局限性，使得利用WLan作為車地?zé)o線通信綜合承載平臺存在諸多難點(diǎn)，主要有：

（1）移動速度限制。WLan技術(shù)不是為高速移動而設(shè)計(jì)的通信技術(shù)，在高速移動的情況下，OFDM報(bào)頭開銷中頻率校正部分不能適應(yīng)多普勒頻移，導(dǎo)致誤碼率急劇增加，甚至引起通信中斷。一些仿真和研究表明，在較低速度移動的前提下，WLan才能同時(shí)保證較大的傳輸速率和較低的誤碼率。

（2）發(fā)射功率限制。由于CBTC、CCTV和PIS目前均采用基于IEEE802.11的無線設(shè)備，工作在ISM（Industrial Scientific Medical）頻段，而國家無線電管理委員會對工作在這一頻段的無線設(shè)備有嚴(yán)格的功率限制（等效全向增益小于27dBm），較小的發(fā)射功率使得AP的覆蓋范圍短，這一方面需要在軌道沿線安裝大量的AP及附屬設(shè)備，使得系統(tǒng)的可靠性降低，一方面造成列車在運(yùn)行中頻繁在AP間切換，降低通信的服務(wù)水平，影響傳輸質(zhì)量。同時(shí)，無線設(shè)備發(fā)射功率的偏低也使在利用漏泄波導(dǎo)、漏泄電纜等傳輸媒介傳輸車地信息時(shí)，需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的射頻鏈路，以克服較大的耦合損耗。

（3）無線干擾。ISM頻段是一個(gè)開放頻段，使用不需要無線電管理部門的批準(zhǔn)，也無需付費(fèi)，因此很多民用設(shè)備都工作在這一頻段，如WIFI、藍(lán)牙、微波爐等，它們都可能對城市軌道交通的車地?zé)o線傳輸產(chǎn)生干擾。2012年8月到11月，深圳地鐵2號線、5號線就多次發(fā)生由于無線干擾影響列車運(yùn)營的事故。

（4）多業(yè)務(wù)并發(fā)時(shí)無法按優(yōu)先級調(diào)度。由于WLan技術(shù)的固有機(jī)制，在車地?zé)o線傳輸時(shí)，無法區(qū)別對待所傳輸?shù)母鳂I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的傳輸質(zhì)量，無法在傳輸質(zhì)量不理想，帶寬不足的情況下，優(yōu)先保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的實(shí)際帶寬，而對于城市軌道交通現(xiàn)有的CBTC、PIS、CCTV等業(yè)務(wù)而言，CBTC是列車運(yùn)行的基本條件，優(yōu)先級明顯高于CCTV、PIS等業(yè)務(wù)，必須得到重點(diǎn)保護(hù)。

2 車地通信綜合承載業(yè)務(wù)的需求分析

（1）CBTC系統(tǒng)應(yīng)用需求

CBTC系統(tǒng)無線覆蓋范圍：正線（含折返線、聯(lián)絡(luò)線）、出入段（場）線、段（場）咽喉區(qū)、段（場）車庫內(nèi)、試車線。

CBTC系統(tǒng)具有對實(shí)時(shí)性要求高，對帶寬要求低的特點(diǎn)，一般都要求在無線覆蓋范圍內(nèi)任意地點(diǎn)都應(yīng)實(shí)現(xiàn)紅藍(lán)雙網(wǎng)覆蓋，上下行有效帶寬不低于各100kbps，越區(qū)切換時(shí)延不高于150ms，誤碼率不高于0.01%，丟包率不高于0.8%。

（2）CCTV系統(tǒng)應(yīng)用需求

正常情況下，一般一列列車全線需向控制中心上傳2路客室監(jiān)控視頻信息，按照高清傳輸大約4Mbps的帶寬要求，則兩路上行帶寬為8Mbps，時(shí)延不高于300ms，丟包率不高于0.8%。

（3）PIS系統(tǒng)應(yīng)用需求

PIS視頻采標(biāo)清圖像質(zhì)量，只有下行需求沒有上行需求，每列車業(yè)務(wù)信息承載帶寬為下行2Mbps。在AP正常覆蓋范圍內(nèi)，考慮到無線小區(qū)不可能會同時(shí)存在兩列列車的情況，因此PIS圖像的下發(fā)總帶寬需求為2Mbps，時(shí)延不高于300ms，丟包率不高于0.8%。

3 TD-LTE綜合承載技術(shù)分析

TD-LTE（以下簡稱LTE）是基于OFDMA技術(shù)、由3GPP組織制定的全球通用標(biāo)準(zhǔn)，是一種專門為移動高寬帶應(yīng)用設(shè)計(jì)的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。LTE技術(shù)在設(shè)計(jì)之初就考慮了高速移動高吞吐率的需求，在20MHz帶寬組網(wǎng)情況下，峰值速率下行可達(dá)100Mbps，上行可達(dá)50Mbps，完全滿足城市軌道交通對綜合承載業(yè)務(wù)平臺的需求。針對WLan所面臨的幾個(gè)問題，LTE都有自己的解決方案。

（1）高速移動支持

為解決高速下的多普勒頻偏，LTE在設(shè)計(jì)上主要采用在基站側(cè)接收機(jī)利用自動頻率控制來進(jìn)行頻率糾偏（AFC）。AFC通過快速測算高速帶來的頻率偏移，補(bǔ)償多普勒效應(yīng)，改善無線鏈路的穩(wěn)定性，從而提高解調(diào)性能。從LTE在高鐵上的應(yīng)用來看，體驗(yàn)效果應(yīng)該是相當(dāng)不錯(cuò)的。

表1 現(xiàn)有車地?zé)o線系統(tǒng)

（2）抗干擾技術(shù)

針對無線空間中存在的干擾，LTE采用ICIC進(jìn)行小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)，采用IRC技術(shù)進(jìn)行干擾消除。ICIC通過管理無線資源使得小區(qū)間干擾得到控制，是一種考慮多小區(qū)資源使用和負(fù)載的無線資源管理功能。IRC算法同時(shí)考慮的干擾和噪聲的影響，對干擾抑制合并，是一種先進(jìn)的干擾抑制算法。IRC在很大程度上提高了上行信號的接收質(zhì)量，特別是對于“掉話率”、“指派成功率”等指標(biāo)的改善明顯。

從用戶感知的角度來說，IRC技術(shù)應(yīng)用提升了上行質(zhì)量，上行傳輸速率普遍得到提高，特別是在進(jìn)行大數(shù)據(jù)量上傳時(shí)，用戶體驗(yàn)感知明顯得到改善。同時(shí)，IRC技術(shù)的應(yīng)用還可以提升小區(qū)內(nèi)平均數(shù)據(jù)的吞吐率，特別是對于小區(qū)邊緣的改善比較明顯。

表2 LTE的業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量分類

（3）服務(wù)質(zhì)量保障

LTE系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)9個(gè)調(diào)度優(yōu)先級，并且按照預(yù)定義的可能承載業(yè)務(wù)類型，對應(yīng)不同的服務(wù)質(zhì)量（時(shí)延、丟包率等）要求，可以定義9個(gè)QCI（服務(wù)質(zhì)量類別標(biāo)識）。系統(tǒng)根據(jù)QCI對應(yīng)的優(yōu)先級進(jìn)行資源分配和調(diào)度，以確保在極端情況下優(yōu)先保障高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。研究表明，LTE的QoS業(yè)務(wù)承載能力可塑性很強(qiáng)，具備相當(dāng)?shù)拈_放能力。

對應(yīng)城市軌道交通車地通信業(yè)務(wù)，可以將CBTC信號承載業(yè)務(wù)的優(yōu)先級設(shè)置為1，具有最高的優(yōu)先級較低的時(shí)延和丟包率，將CCTV業(yè)務(wù)的優(yōu)先級設(shè)置為4，PIS業(yè)務(wù)的優(yōu)先級設(shè)置為5，完全能滿足各種業(yè)務(wù)的實(shí)際需求。

結(jié)語

將LTE應(yīng)用于城市軌道交通通信業(yè)務(wù)的綜合承載是一項(xiàng)較新的研究課題，LTE在具備本文所述的優(yōu)勢的同時(shí)，也有建設(shè)成本較高、組網(wǎng)復(fù)雜等一些具體的問題。如何充分發(fā)揮LTE固有的特點(diǎn)，盡量彌補(bǔ)其自身的弱點(diǎn)，將是下一步工作的重點(diǎn)內(nèi)容。重慶市軌道交通集團(tuán)目前正嘗試將LTE技術(shù)應(yīng)用于新建地鐵線路之上，這必將進(jìn)一步加快促進(jìn)重慶城市軌道通信業(yè)務(wù)的發(fā)展。

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