王先磊

?

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

王先磊

南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司運(yùn)營(yíng)分公司，廣西 南寧 530028

針對(duì)WLAN技術(shù)存在的一些主要問(wèn)題，對(duì)TD-LTE技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了簡(jiǎn)明的陳述，并通過(guò)對(duì)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(chē)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(chē)地通信建設(shè)提供參考。

城市軌道交通；車(chē)地通信；TD-LTE

隨著我國(guó)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(guó)已有39個(gè)城市獲批建設(shè)地鐵，預(yù)計(jì)到2020年，全國(guó)地鐵總里程將達(dá)到6000km，投資達(dá)到4萬(wàn)億。伴隨著城市軌道的發(fā)展，各種涉及安全營(yíng)運(yùn)、舒適坐乘的通信需求也日益增加。如何將車(chē)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(chē)狀態(tài)信息、CCTV、PIS等系統(tǒng)，營(yíng)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(zhǎng)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]。

1 目前城市軌道交通通信系統(tǒng)中存在的問(wèn)題

目前，城市軌道交通的車(chē)地?zé)o線通信主要采用工作在2.4GHz開(kāi)放頻段的無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱WLAN技術(shù)）。所有使用2.4GHz WLAN技術(shù)的設(shè)備均為信號(hào)無(wú)線車(chē)-地通信系統(tǒng)的干擾源，系統(tǒng)不可避免的會(huì)遭到民用通信產(chǎn)品（MiFi，WiFi，藍(lán)牙等）的干擾，而且隨著將來(lái)無(wú)線智能城市的建設(shè)以及手機(jī)上網(wǎng)應(yīng)用的普及，將會(huì)有更多的干擾源出現(xiàn)。而且近期發(fā)生的城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)車(chē)地通信受到民用3G熱點(diǎn)設(shè)備干擾，導(dǎo)致列車(chē)正常運(yùn)行受到較為嚴(yán)重影響的情況已逐漸顯現(xiàn)。表1為某城市軌道交通集團(tuán)現(xiàn)有車(chē)地?zé)o線系統(tǒng)（為統(tǒng)一說(shuō)明，本文規(guī)定列車(chē)至地面?zhèn)鬏敺较驗(yàn)樯闲蟹较?，反之為下行方向）?/p>

表1 現(xiàn)有車(chē)地?zé)o線系統(tǒng)

由表1可以看出，軌道交通車(chē)地?zé)o線通信存在著多業(yè)務(wù)對(duì)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(lái)了不便。如果能找到一個(gè)綜合承載的通信平臺(tái)，將會(huì)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(chē)地?zé)o線通信綜合承載平臺(tái)存在諸多難點(diǎn)，主要有：

（1）移動(dòng)速度限制。WLAN技術(shù)不是為高速移動(dòng)而設(shè)計(jì)的通信技術(shù)，在高速移動(dòng)的情況下，OFDM報(bào)頭開(kāi)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(dòng)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IEEE 802.11的無(wú)線設(shè)備，工作在ISM（Industrial Scientific Medical）頻段，而國(guó)家無(wú)線電管理委員會(huì)對(duì)工作在這一頻段的無(wú)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(chē)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(wú)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(chē)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(wú)線干擾。ISM頻段是一個(gè)開(kāi)放頻段，使用不需要無(wú)線電管理部門(mén)的批準(zhǔn)，也無(wú)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(duì)城市軌道交通的車(chē)地?zé)o線傳輸產(chǎn)生干擾。2012年8月到11月，深圳地鐵2號(hào)線、5號(hào)線就多次發(fā)生由于無(wú)線干擾影響列車(chē)運(yùn)營(yíng)的事故[2]。

（4）多業(yè)務(wù)并發(fā)時(shí)無(wú)法按優(yōu)先級(jí)調(diào)度。由于WLAN技術(shù)的固有機(jī)制，在車(chē)地?zé)o線傳輸時(shí)，無(wú)法區(qū)別對(duì)待所傳輸?shù)母鳂I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的傳輸質(zhì)量，無(wú)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(jí)業(yè)務(wù)的實(shí)際帶寬，而對(duì)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(chē)運(yùn)行的基本條件，優(yōu)先級(jí)明顯高于CCTV、PIS等業(yè)務(wù)，必須得到重點(diǎn)保護(hù)。

2 車(chē)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(wú)線覆蓋范圍：正線（含折返線、聯(lián)絡(luò)線）、出入段（場(chǎng)）線、段（場(chǎng)）咽喉區(qū)、段（場(chǎng)）車(chē)庫(kù)內(nèi)、試車(chē)線。

CBTC系統(tǒng)具有對(duì)實(shí)時(shí)性要求高，對(duì)帶寬要求低的特點(diǎn)，一般都要求在無(wú)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%[3]。

（2）CCTV系統(tǒng)應(yīng)用需求

正常情況下，一般一列列車(chē)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(méi)有上行需求，每列車(chē)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(wú)線小區(qū)不可能會(huì)同時(shí)存在兩列列車(chē)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(jiǎn)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(mén)為移動(dòng)高寬帶應(yīng)用設(shè)計(jì)的無(wú)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(dòng)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(duì)綜合承載業(yè)務(wù)平臺(tái)的需求[4]。針對(duì)WLAN所面臨的幾個(gè)問(wèn)題，LTE都有自己的解決方案。

表2 LTE的業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量分類

（1）高速移動(dòng)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(dòng)頻率控制來(lái)進(jìn)行頻率糾偏（AFC）。AFC通過(guò)快速測(cè)算高速帶來(lái)的頻率偏移，補(bǔ)償多普勒效應(yīng)，改善無(wú)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(lái)看，體驗(yàn)效果應(yīng)該是相當(dāng)不錯(cuò)的。

（2）抗干擾技術(shù)

針對(duì)無(wú)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(guò)管理無(wú)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(wú)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(duì)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(hào)的接收質(zhì)量，特別是對(duì)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(lái)說(shuō)，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(duì)于小區(qū)邊緣的改善比較明顯。

（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(jí)，并且按照預(yù)定義的可能承載業(yè)務(wù)類型，對(duì)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(shí)）。系統(tǒng)根據(jù)QCI對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)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(jí)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_(kāi)放能力。

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

隨著城市軌道交通服務(wù)水平和管理水平的不斷提高，城市軌道交通對(duì)車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)的性能提出了更高的要求。LTE技術(shù)在城市軌道交通專網(wǎng)當(dāng)中具有高度的應(yīng)用價(jià)值，克服了地鐵的電磁環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了大帶寬傳輸以及高速移動(dòng)的重要目的，完成了多業(yè)務(wù)承載，有助于搭建可靠的地鐵車(chē)地?zé)o線通信傳輸平臺(tái)。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(shì)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(wèn)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。

[1]繆琦.軌道交通未來(lái)投資超十萬(wàn)億[N].第一財(cái)經(jīng)日?qǐng)?bào)，2015-09-10（A03）.

[2]聶明星，蔣新華.基于WLAN快速移動(dòng)接入仿真研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2009（27）：99-101.

[3]韓冰.大唐移動(dòng)TD-LTE高速公路覆蓋方案[J].通信世界，2012（33）：35.

[4]宋譜，孫震強(qiáng)，李英奇.LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)QOS業(yè)務(wù)承載能力分析[J].電信技術(shù)，2015（02）：32-37.

TN929.5

A

1009-6434（2016）01-0023-02