中鐵信（北京）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院有限公司，北京 100038

城市軌道交通具有安全、舒適、快速、環(huán)保、運(yùn)量大等特點(diǎn)，近年來我國(guó)大部分城市都在不斷發(fā)展城市軌道交通，擴(kuò)大路網(wǎng)規(guī)模。與此同時(shí)，為了保證軌道交通系統(tǒng)的正常運(yùn)營(yíng)，需要可靠的車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)提供技術(shù)支持。LTE技術(shù)著眼于無線接入框架的重新構(gòu)建，在穩(wěn)定完成通信任務(wù)的同時(shí)具有低時(shí)延的優(yōu)秀特性。將LTE技術(shù)應(yīng)用于車地?zé)o線通信中，更加符合軌道交通高寬帶、高可靠性的需求，在整個(gè)軌道交通運(yùn)營(yíng)中具有極其重要的實(shí)際意義。

1 LTE技術(shù)概述

LTE（Long Term Evolution）作為通用移動(dòng)通信系統(tǒng)（Universal Mobile Telecommunications Systems,UMTS）技術(shù)的長(zhǎng)期演進(jìn)項(xiàng)目，在技術(shù)特點(diǎn)上應(yīng)用正交頻分復(fù)用（OFDM）為核心，具有100Mbps以上的數(shù)據(jù)傳載能力，在特性上已經(jīng)基本達(dá)到了第四代（4G）通信技術(shù)的功能需求，被視作向4G通信進(jìn)化的主流傳輸方案。這種被俗稱為“3.9G”的技術(shù)現(xiàn)已被電信運(yùn)營(yíng)商廣泛應(yīng)用，具有十分可觀的應(yīng)用前景[1]。

LTE在發(fā)展的同時(shí)也經(jīng)歷了及其漫長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。在項(xiàng)目研究階段，相關(guān)研究單位明確了高寬帶、高可靠性的方案需求，對(duì)物理層結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，推演信令流程，同時(shí)對(duì)宏分級(jí)和射頻部分展開研究，并最終形成了3GPP LTE可行性報(bào)告。在工作項(xiàng)目階段，LTE的基本技術(shù)模式被定義，并在幾年時(shí)間內(nèi)陸續(xù)生成了多個(gè)Release版本。最新版本優(yōu)化了室外場(chǎng)景傳輸效率，并規(guī)范了小基站、小小區(qū)技術(shù)，自此LTE技術(shù)擁有更強(qiáng)的業(yè)務(wù)能力與更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，使得在城軌車地?zé)o線通信中應(yīng)用LTE技術(shù)也成為可能。

2 LTE技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（1）高抗干擾能力。相比于傳統(tǒng)的Wi-Fi通信傳輸方案，LTE在抗干擾方面體現(xiàn)出了極強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，北京、上海等城市在城軌運(yùn)營(yíng)期間均出現(xiàn)過乘客攜帶的便攜式網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備影響列車運(yùn)行的案例。LTE使用均勻分配時(shí)頻域方案，搭載OFDM直載波調(diào)度，能夠在極短時(shí)間內(nèi)感知干擾，并通過IRC、重傳等編碼機(jī)制，對(duì)信號(hào)資源進(jìn)行智能動(dòng)態(tài)調(diào)配，這些技術(shù)的應(yīng)用使LTE具備了極強(qiáng)的抗干擾性能[2]。

（2）高可靠性。LTE應(yīng)用完全扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分散，占地面積大，模式上可以實(shí)現(xiàn)多小區(qū)共享，并在傳輸中由多級(jí)QoS算法進(jìn)行監(jiān)督，主要包括限制P2P、ICMP優(yōu)先級(jí)、ACK確認(rèn)字符等設(shè)置，同時(shí)按業(yè)務(wù)模式對(duì)用戶進(jìn)行優(yōu)先等級(jí)劃分，智能分配傳輸對(duì)象，最大程度上解決了數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定的問題，在高可靠性的基礎(chǔ)上提高了社區(qū)服務(wù)質(zhì)量，確保了網(wǎng)絡(luò)整體的穩(wěn)定性[3]。

（3）強(qiáng)接收性。在已有的研究中，曾對(duì)列車運(yùn)行時(shí)Wi-Fi與LTE的接收性能進(jìn)行過測(cè)試，研究結(jié)果表明若在一定的車速下設(shè)定相同的接收頻率，LTE的接收性能高于Wi-Fi的接收性能[4]。當(dāng)接收功率低于-90dBm時(shí)，Wi-Fi下的接收功能已失效，而在-130dBm時(shí)，LTE仍能進(jìn)行數(shù)據(jù)的正常傳輸，并保持著較高的靈敏度。在城軌這種復(fù)雜的傳輸環(huán)境中，應(yīng)用LTE技術(shù)可以更好地滿足頻繁的數(shù)據(jù)接收需求。

（4）結(jié)構(gòu)部署簡(jiǎn)易。相比于傳統(tǒng)的Wi-Fi設(shè)備部署方案，LTE需要在軌旁部署的設(shè)備更少，同時(shí)實(shí)施方案也更加簡(jiǎn)潔[5]。對(duì)于一條正常的運(yùn)營(yíng)線路，Wi-Fi系統(tǒng)需要的設(shè)備部署量是比較大的。然而對(duì)于LTE生態(tài)，軌旁RRU設(shè)備最大發(fā)射率可達(dá)到33dBm/MHz，折算軌旁設(shè)備部署間距最遠(yuǎn)可達(dá)1.2km左右，這樣可以相對(duì)減少設(shè)備部署量，對(duì)于后期的設(shè)備維護(hù)工作也是極其有利的。

3 基于LTE技術(shù)的車地?zé)o線通信應(yīng)用

3.1 LTE車地?zé)o線通信系統(tǒng)總體架構(gòu)

在城軌的業(yè)務(wù)流程中，需主要傳遞CBTC、PIS、CCTV業(yè)務(wù)信息，架構(gòu)包含中心核心網(wǎng)、軌旁無線接入網(wǎng)（BBU+RRU+無線覆蓋）及車載無線終端。網(wǎng)絡(luò)中LTE主要在1.8GHz附近的20MHz的波普頻段內(nèi)運(yùn)行使用，在避免不同設(shè)備射頻信號(hào)交互干涉的同時(shí)，可以達(dá)到下行100Mbps、上行50Mbps的信號(hào)傳輸率和峰值信號(hào)率。

在控制中心機(jī)房中，主要部署各類中心級(jí)設(shè)備及核心網(wǎng)絡(luò)，該層級(jí)網(wǎng)絡(luò)通信依賴軌道交通內(nèi)部的專用傳輸網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的上載。無線基站BBU設(shè)備被部署在車站及車輛段中，并在軌旁和車站機(jī)房?jī)?nèi)部署無線射頻單元RRU設(shè)備及漏纜，RRU與BBU采用短程光纜連接，車載無線終端設(shè)備被部署在車輛頂端，進(jìn)行車輛狀態(tài)及車內(nèi)信息的采集與傳輸。

3.2 LTE車地?zé)o線傳輸功能測(cè)試

進(jìn)行無線傳輸功能測(cè)試時(shí)，測(cè)試在完全真實(shí)的電磁環(huán)境下進(jìn)行，以驗(yàn)證不同車速下LTE系統(tǒng)空中接口所產(chǎn)生的延時(shí)。測(cè)試鏈路中，BBU到RRU的連接為短程光纜連接，系統(tǒng)連接至LTE傳輸系統(tǒng)交換機(jī)上配置IP地址，并對(duì)BBU和TAU進(jìn)行PING測(cè)試，同時(shí)對(duì)車載TAU至RRU的空口延時(shí)進(jìn)行測(cè)試以驗(yàn)證LTE傳輸性能。測(cè)試系統(tǒng)環(huán)境簡(jiǎn)化示意圖見圖1。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)環(huán)境簡(jiǎn)化示意圖

測(cè)試中，對(duì)LTE傳輸下的空口延時(shí)進(jìn)行測(cè)算，主要參數(shù)包括平均延時(shí)和最大延時(shí)，并對(duì)丟包狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)：

式中：Lc為TAU端至RRU端的LTE空口延時(shí)；Lb為RRU端至BBU端的光纜傳輸延時(shí)；La為TAU端至BBU端的傳輸延時(shí)。

另外，測(cè)試外部環(huán)境均在氣溫10℃的情況下進(jìn)行。測(cè)試中每8s采集1次設(shè)備PING值，共進(jìn)行3次測(cè)試，統(tǒng)計(jì)全部測(cè)試結(jié)果，見表1。

表1 測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì) 單位：ms

測(cè)試結(jié)果表明，測(cè)試環(huán)境下LTE無線傳輸性能穩(wěn)定，部分延時(shí)峰值達(dá)到26.742ms，但整體傳輸延時(shí)平均值穩(wěn)定在17.478ms，測(cè)試過程中未出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，同時(shí)測(cè)試時(shí)車輛運(yùn)行速度對(duì)空口傳輸延時(shí)并沒有顯著影響。結(jié)合空口測(cè)試數(shù)據(jù)可知，基于LTE的車地?zé)o線通信能夠滿足城軌日常的業(yè)務(wù)需求，具備穩(wěn)定的業(yè)務(wù)承載能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

LTE技術(shù)憑借高可靠性、高抗干擾能力以及強(qiáng)勁的傳輸性能，能夠?yàn)槌擒墭I(yè)務(wù)提供更優(yōu)質(zhì)高效的車地?cái)?shù)據(jù)傳輸服務(wù)。與此同時(shí)，其簡(jiǎn)易的部署結(jié)構(gòu)也減少了投資成本，降低了整體運(yùn)維費(fèi)用。因此，針對(duì)該技術(shù)的研究對(duì)整個(gè)城軌事業(yè)的發(fā)展具有重要意義，LTE技術(shù)在城軌車地通信中的應(yīng)用將是城軌建設(shè)與發(fā)展的必然趨勢(shì)。未來，LTE技術(shù)在城軌中的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。