□文/趙彥芳

LTE技術(shù)在城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用探索

□文/趙彥芳

城市軌道交通車地?zé)o線通信的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性對(duì)運(yùn)營(yíng)安全至關(guān)重要。將LTE技術(shù)與WLAN技術(shù)進(jìn)行比較，分析LTE用于城市軌道交通車地?zé)o線通信的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。根據(jù)LTE的技術(shù)特點(diǎn)提出了兩套系統(tǒng)解決方案。

WLAN技術(shù)；車地?zé)o線通信；LTE技術(shù)；軌道交通

目前城市軌道交通基本上采用無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)（WLAN）承載基于通信的列車控制（CBTC）和乘客信息系統(tǒng)（PIS）及視頻監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）。信號(hào)系統(tǒng)是關(guān)系行車安全和提高運(yùn)行效率的系統(tǒng)，PIS系統(tǒng)影響乘車環(huán)境的舒適度，CCTV系統(tǒng)需要具有多路畫(huà)面實(shí)時(shí)錄像、多路畫(huà)面實(shí)時(shí)顯示以及根據(jù)需要靈活設(shè)置圖像壓縮質(zhì)量和錄像存儲(chǔ)等功能。CBTC信號(hào)系統(tǒng)和PIS、CCTV系統(tǒng)采用何種車地通信方式和措施來(lái)避免干擾，以保證車地通信的可靠性、安全性、實(shí)時(shí)性、抗干擾等，是城市軌道交通建設(shè)必須研究的重要問(wèn)題。

1　WLAN技術(shù)

IEEE802.11又稱為無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，偵測(cè)碰撞十分不容易，因?yàn)槭抢肅SMA/CA（Carrier Sense Multiple Acess with Collision Avoidance）存取模式來(lái)傳輸。

WLAN定位在網(wǎng)絡(luò)的接入層。1997年，IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)定義了單一的MAC層和多樣的物理層，先后推出IEEE802.11a/b/g/n標(biāo)準(zhǔn)。目前在城市軌道交通行業(yè)廣泛使用IEEE802.11n標(biāo)準(zhǔn)。

WLAN承載的綜合業(yè)務(wù)一直運(yùn)行在公共開(kāi)放的2.4 G頻段上，存在易受干擾、維護(hù)困難、高速移動(dòng)性差等問(wèn)題，對(duì)軌道交通的安全運(yùn)營(yíng)造成了很大的影響。隨著無(wú)線承載業(yè)務(wù)越來(lái)越多，無(wú)論在帶寬還是安全性方面WLAN技術(shù)將無(wú)法滿足業(yè)務(wù)發(fā)展需求。

隨著LTE技術(shù)的發(fā)展，LTE公網(wǎng)已在全球商用，越來(lái)越多的專網(wǎng)用戶開(kāi)始關(guān)注LTE在專網(wǎng)應(yīng)用的可行性。

2　LTE技術(shù)特點(diǎn)

LTE（Long Term Evolutiong）移動(dòng)通信技術(shù)的目標(biāo)，是建立一個(gè)高傳輸效率、低時(shí)延、支持增強(qiáng)型多媒體廣播組播業(yè)務(wù)、基于包優(yōu)化的、可演進(jìn)的無(wú)線接入框架。因此LTE系統(tǒng)采用接近于全I(xiàn)P化的、扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，集成適用于寬帶移動(dòng)通信傳輸?shù)谋姸嘞冗M(jìn)技術(shù)，如正交頻分復(fù)用（OFDM）、多輸入多輸出（MIMO）、自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）等，有效提高數(shù)據(jù)速率、頻譜效率和抗干擾性，提供綜合業(yè)務(wù)承載的優(yōu)先級(jí)調(diào)度和高速移動(dòng)性支持并通過(guò)抗干擾技術(shù)和安全機(jī)制保證無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的安全可靠傳輸，見(jiàn)表1。

表1　LTE技術(shù)的主要特點(diǎn)

2.1系統(tǒng)內(nèi)抗干擾

系統(tǒng)內(nèi)干擾主要來(lái)自于同頻鄰區(qū)干擾，需考慮同向前后同頻鄰區(qū)間的干擾。系統(tǒng)內(nèi)小區(qū)間的同頻干擾會(huì)對(duì)小區(qū)吞吐量、覆蓋產(chǎn)生影響。LTE系統(tǒng)由于頻段資源有限及業(yè)務(wù)容量需要高帶寬的原因，全線設(shè)計(jì)使用同頻組網(wǎng)方式。因而需要考慮同向前后同頻鄰區(qū)間的干擾。

通過(guò)調(diào)度算法、IRC等來(lái)進(jìn)行小區(qū)間的干擾控制、協(xié)調(diào)和消除。

1）調(diào)度技術(shù)。下行可采用業(yè)務(wù)異頻調(diào)度來(lái)滿足小區(qū)邊緣的信噪比，保證小區(qū)邊緣的業(yè)務(wù)速率。

2）IRC。通過(guò)基帶解調(diào)IRC（Interference Rejection Combining）算法，可以將單小區(qū)來(lái)自列車方向相反方向的干擾去除，適合地鐵場(chǎng)景的列車分布情況，IRC算法在方案中用于上行干擾消除。

2.2可維護(hù)性

1）采用漏纜作為媒介，軌旁設(shè)備數(shù)量減少。在綜合承載的情況下，RRU布置間隔為1.2 km；在單獨(dú)承載信號(hào)的情況下，RRU的布置間隔可達(dá)到2 km。

2）TD-LTE采用扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)部分只由核心網(wǎng)、BBU、RRU和車載TAU組成，網(wǎng)元整體數(shù)量減少，便于維護(hù)。

3）RRU和TAU采用工業(yè)級(jí)制造標(biāo)準(zhǔn)，適應(yīng)多種環(huán)境應(yīng)用。

2.3組網(wǎng)靈活性

1）接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，支持多廠家設(shè)備的混合組網(wǎng)。

2）支持多種時(shí)鐘同步協(xié)議，可根據(jù)環(huán)境選擇不同同步方式。

2.4移動(dòng)性

1）TD-LTE脫胎于3GPP，技術(shù)的發(fā)展源于解決高速移動(dòng)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)高速接入。

2）先進(jìn)多普勒頻偏糾正技術(shù)支撐其高移動(dòng)性。

3）高移動(dòng)性支撐該技術(shù)能適用除城市軌道交通行業(yè)以外的城際鐵路甚至高速鐵路的業(yè)務(wù)應(yīng)用。

2.5Qos

9級(jí)Qos能保證多業(yè)務(wù)承載的帶寬合理使用，見(jiàn)表2。

表2　Qos

3　LTE技術(shù)與軌道交通需求匹配度的研究

1）軌道交通安全運(yùn)營(yíng)的重要性。要滿足軌道交通的安全運(yùn)營(yíng)必須實(shí)現(xiàn)多級(jí)QoS算法、專用頻率，專業(yè)抗干擾技術(shù)、高移動(dòng)性、遠(yuǎn)距離覆蓋、無(wú)縫切換技術(shù)。LTE技術(shù)良好的QoS體制保證多種業(yè)務(wù)的并發(fā)要求并且能降低小區(qū)邊緣干擾，增加小區(qū)覆蓋范圍，降低系統(tǒng)時(shí)延，用戶面數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)＜5 ms。

2）軌道交通多業(yè)務(wù)平臺(tái)的共用。軌道交通要求CBTC、PIS、CCTV多種業(yè)務(wù)共平臺(tái)并且語(yǔ)音視頻聯(lián)動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)可見(jiàn)，調(diào)度可達(dá)。LTE技術(shù)峰值速率可達(dá)到20 MHz帶寬：下行100 Mbps，上行50 Mbps。能為速度達(dá)到350 km/h的用戶提供高速的接入服務(wù)，從而滿足多業(yè)務(wù)平臺(tái)共用和語(yǔ)音視頻的聯(lián)動(dòng)功能。

3）軌道交通的定制化服務(wù)。軌道交通要求采用多種頻寬配置方式滿足軌道交通不同業(yè)務(wù)需求情況下對(duì)頻率靈活性要求、靈活時(shí)隙配比滿足業(yè)務(wù)變化需求。LTE技術(shù)帶寬配置靈活，可支持1.4、5、10、15、20 MHz。

經(jīng)過(guò)以上研究可得出結(jié)論：LTE技術(shù)與軌道交通需求高度匹配，滿足技術(shù)需求的基礎(chǔ)上還能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，低成本建網(wǎng)，降低運(yùn)營(yíng)成本。

4　系統(tǒng)整體解決方案

4.1設(shè)計(jì)原則

1）可靠性原則。CBTC信號(hào)系統(tǒng)要求任何節(jié)點(diǎn)都是雙份，避免任何節(jié)點(diǎn)出錯(cuò)導(dǎo)致故障。A/B雙網(wǎng)保證雙節(jié)點(diǎn)同時(shí)工作。

2）安全性原則。保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?、采用鑒權(quán)，避免非法用戶的攻擊。

3）實(shí)時(shí)性原則。為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)車輛的控制，數(shù)據(jù)傳輸要求實(shí)時(shí)；保證視頻傳輸?shù)那逦?、流暢性?/p>

4）高帶寬原則。視頻高清質(zhì)量要求上下行的大帶寬。

5）環(huán)境適應(yīng)性原則。充分考慮軌道設(shè)備、車輛設(shè)備的環(huán)境要求。

4.2設(shè)計(jì)思路

根據(jù)車地寬帶無(wú)線傳輸平臺(tái)傳輸內(nèi)容的不同，LTE車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)可分為兩種。

1）系統(tǒng)方案A。LTE網(wǎng)絡(luò)承載PIS信息+CCTV信息。采用的是非冗余單LTE網(wǎng)絡(luò)、上行承載CCTV信息、下行承載PIS信息，見(jiàn)圖1。

圖1　LTE車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)——PIS+CCTV

此方案中控制中心放置核心網(wǎng)設(shè)備eCNS，與PIS系統(tǒng)（含車載CCTV）相連，同時(shí)設(shè)置路由保證業(yè)務(wù)的隔離性。在車站布置LTE基站的BBU和RRU（按需配置）設(shè)備，長(zhǎng)大區(qū)間內(nèi)設(shè)置RRU設(shè)備。LTE基站通過(guò)通信傳輸系統(tǒng)提供的通道與控制中心連接。在每列車的車頭和車尾分別設(shè)置1套車載接入設(shè)備TAU，通過(guò)車載交換機(jī)與應(yīng)用系統(tǒng)車載設(shè)備相連，接收控制中心下發(fā)的PIS圖像信息、上傳列車內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控信息。

2）系統(tǒng)方案B。LTE網(wǎng)絡(luò)完成CBTC+PIS+CCTV信息綜合承載。采用的是A、B雙網(wǎng)冗余，雙網(wǎng)完全獨(dú)立，并行工作，互不影響。A網(wǎng)承載雙向CBTC信息，上行CCTV信息，下行PIS信息，分配較大帶寬，如15MHz。B網(wǎng)只承載雙向CBTC信息作為備份網(wǎng)絡(luò)；分配較小帶寬，如5 MHz，見(jiàn)圖2。

圖2　LTE車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)——CBTC+PIS+CCTV

此方案中控制中心放置雙套核心網(wǎng)設(shè)備eCNS，主備與信號(hào)系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)（含車載CCTV）相連，同時(shí)設(shè)置路由保證業(yè)務(wù)的隔離性；在車站布置LTE基站的BBU（雙套）和RRU（按需配置）設(shè)備，長(zhǎng)大區(qū)間內(nèi)設(shè)置RRU設(shè)備。LTE基站通過(guò)通信傳輸系統(tǒng)提供的通道與控制中心連接；在每列車的車頭和車尾分別設(shè)置1套車載接入設(shè)備TAU，通過(guò)車載交換機(jī)與應(yīng)用系統(tǒng)車載設(shè)備相連，接收控制中心下發(fā)的PIS圖像信息、上傳列車內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控信息。

5　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)WLAN技術(shù)和LTE技術(shù)的對(duì)比，得出LTE技術(shù)更能很好的滿足軌道交通的需求。結(jié)合LTE技術(shù)本文提到了兩種系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可根據(jù)用戶的具體要求選擇。

［1］徐彥，趙篙.基于長(zhǎng)期演進(jìn)LTE技術(shù)的城市軌道交通車-地通信網(wǎng)絡(luò)研究［J］.城市軌道交通研究，2015，18（7）：58-62.

［2］譚耿.LTE技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用探索［J］.鐵道通信信號(hào)，2015，（6）：90-92.

U285

C

1008-3197（2016）02-78-03

2015-12-22

趙彥芳/女，1985年出生，工程師，碩士，天津市地下鐵道運(yùn)營(yíng)有限公司，從事地鐵設(shè)施維修養(yǎng)護(hù)工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.02.027