紀(jì)藝勇

【摘 要】隨著車載視頻傳輸實(shí)時(shí)性及可靠性的要求不斷提高，以及乘客信息系統(tǒng)中多媒體數(shù)據(jù)流傳輸帶寬的不斷增加，以WLAN系統(tǒng)為主的車地?zé)o線通信技術(shù)已不能完全滿足地鐵行業(yè)的需要。而LTE以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，能更好的滿足地鐵應(yīng)用中的需求。本文主要論述了LTE技術(shù)在地鐵通信系統(tǒng)車地?zé)o線中的應(yīng)用方案。

【關(guān)鍵詞】LTE 地鐵 車地?zé)o線通信系統(tǒng)

1 概述

近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，城市人口不斷膨脹，公共交通已成為各大城市的主要困擾之一，地鐵作為城市公共交通客運(yùn)系統(tǒng)的重要組成部分，以其大眾化、大載客量以及安全舒適、快捷準(zhǔn)時(shí)的特點(diǎn)成為公眾喜愛的交通工具。

在地鐵專用通信系統(tǒng)中，車地?zé)o線通信系統(tǒng)需要承載的業(yè)務(wù)主要包括CCTV和PIS等系統(tǒng)。其中CCTV系統(tǒng)是視頻監(jiān)控系統(tǒng)。車廂內(nèi)的攝像頭拍攝的實(shí)時(shí)畫面，通過(guò)車地?zé)o線通信系統(tǒng)上傳到各個(gè)車站，再通過(guò)專用傳輸系統(tǒng)傳送到控制中心，讓控制中心監(jiān)控平臺(tái)可以實(shí)時(shí)呈現(xiàn)車廂內(nèi)的畫面，有利于后臺(tái)服務(wù)人員了解車廂內(nèi)的情況。CCTV的業(yè)務(wù)主要是上行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，該業(yè)務(wù)對(duì)承載通道的帶寬有一定要求，如果帶寬不足，則可能造成畫面卡頓和黑屏現(xiàn)象。

PIS系統(tǒng)是指乘客信息系統(tǒng)，即站廳、站臺(tái)和列車內(nèi)的顯示信息，比如說(shuō)我們?cè)诘罔F站看到的到站信息、天氣、股票信息和視頻播放節(jié)目等。這些信息都是從地鐵控制中心經(jīng)過(guò)編播后下發(fā)到各個(gè)車站和車輛內(nèi)的，然后通過(guò)本地的播放模塊進(jìn)行顯示。該系統(tǒng)主要是下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，對(duì)傳輸通道帶寬也有一定要求，如果帶寬不足，則可能造成信息延遲或者畫面卡頓黑屏等現(xiàn)象。

2 LTE的關(guān)鍵技術(shù)

LTE（Long Term Evolution，長(zhǎng)期演進(jìn)）是由3GPP組織制定的UMTS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)期演進(jìn)，于2004年12月在3GPP多倫多會(huì)議上正式立項(xiàng)并啟動(dòng)。LTE系統(tǒng)引入了OFDM和MIMO等關(guān)鍵技術(shù)，顯著增加了頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率（下行峰值速率為100Mbps，上行峰值速率為50Mbps），并支持多種帶寬分配，且支持全球主流2G/3G頻段和一些新增頻段，因而頻譜分配更加靈活，系統(tǒng)容量和覆蓋也顯著提升。

2.1 OFDM

OFDM是LTE系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，他的技術(shù)原理是將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的傳輸分散到多個(gè)正交的子載波上完成他們的傳輸任務(wù)，這種分散的方式能夠降低子載波的符號(hào)速率，從而提高時(shí)延抵抗力，最終減弱符號(hào)間的干擾的功效。LTE系統(tǒng)在工作中一般會(huì)在OFDM符號(hào)前加入相應(yīng)的保護(hù)間隔，保護(hù)間隔的設(shè)置能夠有效的消除LTE系統(tǒng)符號(hào)間干擾。

2.2 MIMO

MIMO技術(shù)運(yùn)用于LTE系統(tǒng)中，主要功能是提高系統(tǒng)傳輸速率，OFDM的子載波衰落較平坦，從這點(diǎn)說(shuō)它很合適與MIMO技術(shù)結(jié)合，二者結(jié)合能很好的提高LTE系統(tǒng)的性能。MIMO一般采用多天線或者多通道技術(shù)形式，通過(guò)合理的數(shù)據(jù)處理與信息的接收完成空間信道的創(chuàng)建與完善，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?。?dāng)功率和帶寬固定時(shí)，多入多出系統(tǒng)的最大容量與其最小天線數(shù)是正相關(guān)的關(guān)系。也就是說(shuō)MIMO的多入多出系統(tǒng)的容量越大其最小天線數(shù)就越少，通過(guò)這些信息數(shù)據(jù)的分析、估計(jì)，能夠整合網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境，有效提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的速度。

3 LTE在車地?zé)o線通信中的應(yīng)用方案

3.1 網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)

控制中心級(jí)子系統(tǒng)布置核心網(wǎng)設(shè)備，負(fù)責(zé)與中心服務(wù)器、視頻服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)接口，接收視頻信息并將相關(guān)信息通過(guò)TD-LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)搅熊嚿稀?/p>

軌道子系統(tǒng)在車站站臺(tái)布置LTE基站的BBU和RRU設(shè)備，覆蓋站臺(tái)周邊區(qū)域，根據(jù)無(wú)線信號(hào)覆蓋的要求在隧道區(qū)間布置RRU設(shè)備延伸無(wú)線覆蓋，實(shí)現(xiàn)與車載無(wú)線設(shè)備之間的無(wú)線數(shù)據(jù)通信。各LTE基站通過(guò)光口接入車站傳輸設(shè)備，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、車尾各設(shè)置1套車載無(wú)線設(shè)備（TAU），通過(guò)車載交換機(jī)與車載控制器和LCD控制器相連，接收由控制中心提供的實(shí)時(shí)視頻信息和向控制中心發(fā)送實(shí)時(shí)的車廂監(jiān)控信息，如圖1所示。

3.2 系統(tǒng)組網(wǎng)方案

PIS編播中心機(jī)房部署無(wú)線核心網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)管，并通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)與各車站、停車場(chǎng)的無(wú)線基帶單元BBU通信。車輛地面服務(wù)器、PIS視頻服務(wù)器等應(yīng)用服務(wù)器通過(guò)編播中心核心交換機(jī)與無(wú)線核心網(wǎng)通信，下行方向核心網(wǎng)接收視頻組播流并將組播流通過(guò)LTE TDD無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至各列車上，上行方向核心網(wǎng)將接收的CCTV車載監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給車輛地面服務(wù)器。

各個(gè)車站和停車場(chǎng)機(jī)房部署TD-LTE分布式基站的基帶單元BBU。BBU通過(guò)光口接入車站、停車場(chǎng)傳輸設(shè)備，通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線核心網(wǎng)連接。

沿線軌道區(qū)間和停車場(chǎng)部署TD-LTE分布式基站的射頻單元RRU。RRU通過(guò)光纖鏈路遠(yuǎn)程與BBU連接，一個(gè)BBU可以管理和連接多個(gè)RRU。軌道沿線區(qū)間覆蓋可以采用與專用無(wú)線通信系統(tǒng)TETRA共用漏纜的方案，TETRA基站、TD-LTE RRU通過(guò)POI合入沿線部署的泄露電纜，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)MIMO功能的目的。停車場(chǎng)因區(qū)域面積大、縱列車線多，采用板狀定向天線方案覆蓋。

在列車頭尾司機(jī)室專用通信機(jī)柜分別部署一套TD-LTE車載無(wú)線終端（TAU），每臺(tái)TAU配置兩套的車載天線。TAU通過(guò)百兆以太網(wǎng)口接入PIS系統(tǒng)的車載交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)與列車各應(yīng)用系統(tǒng)的通信。

車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

3.3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

PIS系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)性以及視頻圖像的播放質(zhì)量要求高，需要一張可靠的車地通信網(wǎng)絡(luò)。為了減少干擾，LTE網(wǎng)絡(luò)選擇專用頻段，同時(shí)利用專有抗干擾技術(shù)降低其他無(wú)線信號(hào)的對(duì)車地通信網(wǎng)絡(luò)的影響，進(jìn)而降低對(duì)地鐵業(yè)務(wù)的影響。

3.3.1 無(wú)線頻點(diǎn)分析與規(guī)劃

2003年工信部（信部無(wú)[2003]408號(hào)，以下簡(jiǎn)稱408號(hào)）規(guī)定1785-1805MHz頻段主要用于本地公眾網(wǎng)無(wú)線接入，對(duì)確有需要的本地專用網(wǎng)也可用于無(wú)線接入。408號(hào)規(guī)定頻率指配法定主體是省級(jí)的無(wú)線電管理單位，“具體頻率指配和無(wú)線電臺(tái)站管理工作，由各省、自治區(qū)、直轄市無(wú)線電管理機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)”。

工信部無(wú)[2008]332號(hào)文件中指出拓展了1.8G頻段的業(yè)務(wù)應(yīng)用范圍，從原來(lái)僅可開展語(yǔ)音低速數(shù)據(jù)等窄帶應(yīng)用，擴(kuò)展為可同時(shí)開展無(wú)線視頻傳輸?shù)葘拵Ф嗝襟w業(yè)務(wù)。

最近，工信部【2015】65號(hào)文明確提出1.8G頻段可用于城市軌道交通專用通信網(wǎng)。

同時(shí)，朔黃重載鐵路TD-LTE車地通信項(xiàng)目，根據(jù)工信部工信無(wú)函[2010]147號(hào)文，在1.8GHz頻段，在山西、河北、內(nèi)蒙古三省區(qū)建網(wǎng)，并已開通運(yùn)營(yíng)。鄭州地鐵一號(hào)線車地?zé)o線TD-LTE項(xiàng)目，根據(jù)豫無(wú)辦（2011）31號(hào)文在1.8GHz頻段組網(wǎng)，并已經(jīng)開通運(yùn)營(yíng)。因此地鐵車地?zé)o線所用頻點(diǎn)可向當(dāng)?shù)責(zé)o線電管理部門申請(qǐng)，如圖3所示。

建議采用1.8GHz的1785-1805MHz共計(jì)20MHz頻段用于PIS車地?zé)o線TD-LTE網(wǎng)絡(luò)使用。