基于LTE的乘客信息系統(tǒng)車地?zé)o線通信方案研究

穆瀟 夏昕

摘 要:本文對(duì)城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)的車地?zé)o線通信方案及建設(shè)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有方案不能完全滿足系統(tǒng)需要,而LTE技術(shù)是一項(xiàng)更適合更先進(jìn)的新技術(shù),并探討了LTE系統(tǒng)應(yīng)用于車地?zé)o線通信的優(yōu)點(diǎn)及實(shí)施方案。

關(guān)鍵詞:城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)車地?zé)o線通信LTE

中圖分類號(hào):TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2012)05(b)-0004-02

乘客信息系統(tǒng)(PIS)是依托多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù),以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心,以車站顯示終端和車載顯示終端為媒介向乘客提供信息服務(wù)的系統(tǒng)。乘客信息系統(tǒng)車-地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)是將地面乘客信息系統(tǒng)和車載乘客信息系統(tǒng)聯(lián)系起來的紐帶,車載乘客信息系統(tǒng)可以通過車-地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)接收地面乘客信息系統(tǒng)各種信息,在車載顯示終端上播放;同時(shí),車載乘客信息系統(tǒng)利用車-地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò),將車輛上的視頻監(jiān)控信息傳輸至線路控制中心,供運(yùn)營(yíng)及公安人員調(diào)看,提高了軌道交通的運(yùn)營(yíng)管理能力。乘客信息系統(tǒng)車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)將乘客信息系統(tǒng)的功能延展到列車車廂,使乘客在移動(dòng)的列車上依然可以獲取大量的實(shí)時(shí)信息,并能向列車上發(fā)布運(yùn)營(yíng)信息和緊急信息,提高了乘客的舒適度,提高了運(yùn)營(yíng)安全,提升了地鐵的形象。

另一方面,線路控制中心可以實(shí)時(shí)調(diào)看正在線路上運(yùn)營(yíng)列車車廂內(nèi)的視頻監(jiān)控圖像,為線路控制中心人員處理突發(fā)事件,提供了直觀、準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)資料,提升了地鐵處置車廂內(nèi)突發(fā)事件的能力。

1 PIS車地?zé)o線系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀及未來需求

1.1 建設(shè)現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)已建及在建的PIS車地?zé)o線系統(tǒng)主要包括無線局域網(wǎng)(WLAN)、數(shù)字移動(dòng)電視技術(shù)(DVB-T)兩種方案。

1.1.1 無線局域網(wǎng)(WLAN,Wireless Local Area Network)

地鐵PIS系統(tǒng)中常見的車地?zé)o線方案是基于802.11g標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)(WLAN)。WLAN作為有線局域網(wǎng)的延伸,遵循802.11a/b/g/n等協(xié)議,可提供地面與列車通信的手段。WLAN是在目前技術(shù)水平及國(guó)內(nèi)政策支持下,唯一可以實(shí)現(xiàn)列車與地面之間的雙向高速通信的系統(tǒng),既能夠廣播發(fā)送下行PIS信息,又能夠?qū)④噹麅?nèi)的視頻監(jiān)控信息上傳到中心。但目前采用的WLAN方案具有很大的局限性:WLAN網(wǎng)絡(luò)在固定情況下能提供高達(dá)54Mbps的數(shù)據(jù)帶寬,但在支持步速移動(dòng)情況下提供11～13Mbps的數(shù)據(jù)帶寬,僅能實(shí)現(xiàn)標(biāo)清信號(hào)的傳輸,暫不能滿足高清的要求;系統(tǒng)工作在ISM頻段,干擾源多,且需在隧道內(nèi)安裝大量AP點(diǎn),增大了維護(hù)工作量;AP功率受限,覆蓋范圍小,切換頻繁,導(dǎo)致系統(tǒng)易丟包,造成視頻畫面停滯或馬賽克。

1.1.2 數(shù)字移動(dòng)電視技術(shù)(DVB-T)

數(shù)字移動(dòng)電視以數(shù)字技術(shù)為支撐,通過無線數(shù)字信號(hào)發(fā)射、地面數(shù)字接收的方式進(jìn)行電視節(jié)目傳播。它最大的特點(diǎn)是傳輸帶寬比較寬,在處于移動(dòng)狀態(tài)、高速行駛的交通工具上,能保持電視信號(hào)的穩(wěn)定接收和清晰播放。采用單頻網(wǎng)技術(shù),可以完成無縫切換,有較好的覆蓋效果。同時(shí),由于數(shù)字移動(dòng)電視技術(shù)采用OFDM調(diào)制系統(tǒng),能很好的支持移動(dòng)性。但DVB-T應(yīng)用于PIS系統(tǒng)其最大的局限性是:只能單向廣播發(fā)送下行信息,不能將車廂內(nèi)的視頻監(jiān)控信息上傳到中心。因此采用DVB-T進(jìn)行車地?zé)o線通信的PIS系統(tǒng)多見于建設(shè)運(yùn)營(yíng)較早的線路。

1.2 系統(tǒng)需求分析

隨著城市軌道交通建設(shè)的飛速發(fā)展,PIS系統(tǒng)扮演者越來越重要的角色。目前看來,PIS車地?zé)o線系統(tǒng)對(duì)上行傳輸實(shí)時(shí)錄像監(jiān)控信號(hào),下行傳輸高質(zhì)量的視頻信號(hào)需求是相當(dāng)迫切的。

地鐵列車一般由6～8車廂組成,其中車頭、車尾還有兩個(gè)駕駛室,車輛監(jiān)控方案中每節(jié)車廂放置2個(gè)攝像機(jī),車頭車尾各一個(gè),全車共14～18個(gè)攝像機(jī)。為保障監(jiān)控效果,每個(gè)攝像機(jī)的編碼帶寬至少為2Mbps,但考慮目前-地?zé)o線通信條件,建議車輛監(jiān)控以同時(shí)上傳兩路圖像為主(可輪巡或人工指定),其他攝像機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)車載設(shè)備本地存儲(chǔ)。

PIS系統(tǒng)車地?zé)o線通信帶寬需求如下:

下行帶寬需求:由控制中心向列車下發(fā)送2路視頻信息,D1(720x576)圖像質(zhì)量,帶寬約8Mbps;

上行帶寬需求:每列列車向控制中心至少上傳2路車載CCTV的視頻信息,D1(720x576)圖像質(zhì)量,每路按2Mbps計(jì)算,帶寬約為4Mbps;每列列車向控制中心上傳所有車載CCTV的視頻信息,以8輛編組,每節(jié)車廂2個(gè)攝像機(jī)計(jì)算,共計(jì)18路/車,以D1(720x576)圖像質(zhì)量上傳,每路按2Mbps計(jì)算,帶寬約為36Mbps。

就目前PIS系統(tǒng)應(yīng)用的最先進(jìn)的WLAN系統(tǒng)而言,在高速移動(dòng)情況下11～13Mbps的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到系統(tǒng)需求,迫切需要采用新技術(shù)解決車地?zé)o線通信帶寬及高移動(dòng)性問題。LTE技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟為解決該問題提供了可靠的技術(shù)支持。

2 LTE技術(shù)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成及特點(diǎn)

LTE（Long Term Evolution）以O(shè)FDM/FDMA為核心，可以被看作“準(zhǔn)4G”技術(shù)。能夠在20MHz頻譜帶寬能夠提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率； 支持100Km半徑的小區(qū)覆蓋；為350Km/h高速移動(dòng)用戶提供>100kbps的接入服務(wù)；除了20MHz的最大帶寬外，還能支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz等系統(tǒng)帶寬，以及“成對(duì)”與“非成對(duì)”頻段的部署，以保證將來在系統(tǒng)部署上的靈活性；系統(tǒng)延遲低，用戶平面內(nèi)部單向傳輸時(shí)延低于5ms，控制平面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)遷移時(shí)間低于50ms，從駐留狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時(shí)間小于100ms；具有簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和軟件架構(gòu)，以信道共用為基礎(chǔ)，以分組域業(yè)務(wù)為主要目標(biāo)，系統(tǒng)在整體架構(gòu)上將基于分組交換，可通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的Qos機(jī)制，保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。

總之,LTE系統(tǒng)采用分組傳送、延遲低、能夠在高移動(dòng)情況下實(shí)現(xiàn)無縫覆蓋的高數(shù)據(jù)速率,較WLAN、DVB-T技術(shù)更能滿足PIS系統(tǒng)雙向視頻傳輸?shù)男枨?。三?xiàng)技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用對(duì)比見表1。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

LTE的關(guān)鍵技術(shù)主要有OFDM和MIMO。

2.2.1 正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)

OFDM的基本原理是將一個(gè)較寬的頻帶分成若干個(gè)彼此正交的子載波,在每個(gè)子載波上進(jìn)行窄帶調(diào)制和傳輸這樣既減少了子載波間的相互干擾,同時(shí)又提高了頻譜利用率。如果各子載波所占帶寬足夠窄,它們將分別經(jīng)歷平坦衰落,大大減少了符號(hào)間干擾(ISI)。OFDM技術(shù)是LTE系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)與主要特點(diǎn),具有諸多優(yōu)勢(shì),例如在頻率選擇性衰落信道中具有良好的性能,基帶接收機(jī)復(fù)雜性低,擁有較好的頻譜特性和較強(qiáng)的多寬帶處理能力等。

2.2.2 多輸入輸出(MIMO)

MIMO技術(shù)包含空分復(fù)用、空間分集、波束賦形等多項(xiàng)技術(shù),其主要思想是在多組不相關(guān)的天線上分別發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)流,把傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中損害系統(tǒng)性能的多徑衰落因素轉(zhuǎn)變成對(duì)用戶通信性能有利的增強(qiáng)因素。該技術(shù)能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率,是無線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率傳輸和提高傳輸質(zhì)量的重要途徑。

2.3 TDD-LTE和FDD-LTE

LTE作為3G技術(shù)的演進(jìn),目前主要分為TDD-LTE和FDD-LTE兩種;

FDD-LTE是在分離的兩個(gè)對(duì)稱頻率信道上進(jìn)行接收和發(fā)送,用保護(hù)頻段來分離接收和發(fā)送信道。FDD必須采用成對(duì)的頻率,依靠頻率來區(qū)分上下行鏈路,其單方向的資源在時(shí)間上是連續(xù)的。FDD在支持對(duì)稱業(yè)務(wù)時(shí),能充分利用上下行的頻譜,但在支持非對(duì)稱業(yè)務(wù)時(shí),頻譜利用率將大大降低。

TDD-LTE用時(shí)間來分離接收和發(fā)送信道。在TDD方式的移動(dòng)通信系統(tǒng)中,接收和發(fā)送使用同一頻率載波的不同時(shí)隙作為信道的承載,其單方向的資源在時(shí)間上是不連續(xù)的,時(shí)間資源在兩個(gè)方向上進(jìn)行了分配。在支持非對(duì)稱業(yè)務(wù)時(shí),其頻譜利用率較高。

由此可見,TDD-LTE技術(shù)是更適合PIS系統(tǒng)特點(diǎn)及中國(guó)國(guó)情的一項(xiàng)技術(shù),TDD-LTE用時(shí)間來分離接收和發(fā)送信道,在采取不同配置下,上、下行帶寬能夠較好的根據(jù)需求進(jìn)行分配,頻譜利用率高,對(duì)非對(duì)稱業(yè)務(wù)支持好,且由于TDD-LTE源于TD-SCDMA技術(shù)的研究,中國(guó)企業(yè)擁有更多的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于LTE的PIS車地?zé)o線通信系統(tǒng),其主要設(shè)備包括設(shè)置在控制中心的LTE交換設(shè)備、設(shè)置在車站的LTE基帶設(shè)備(BBU)、沿途隧道內(nèi)的光纜、設(shè)置在區(qū)間的LTE遠(yuǎn)端設(shè)備(RRU)及合路設(shè)備、車載的無線單元和天線等設(shè)備。LTE中心交換設(shè)備通過傳輸系統(tǒng)與各車站LTE基帶設(shè)備(BBU)相連,車站LTE基帶設(shè)備通過隧道內(nèi)敷設(shè)的光纜與區(qū)間LTE遠(yuǎn)端設(shè)備(RRU)相連,LTE遠(yuǎn)端設(shè)備通過跳線及合路設(shè)備與漏纜連接。

BBU放置于車站機(jī)房?jī)?nèi),主要作用是完成Uu接口的基帶處理功能(適合空中傳輸?shù)男诺谰幋a、復(fù)用、調(diào)制和擴(kuò)頻等)。RRU為射頻處理單元,放置于隧道,主要功能是發(fā)送和接收射頻信號(hào)。信號(hào)從RRU射頻口輸出后經(jīng)過衰減器饋入無線覆蓋系統(tǒng)。TDD-LTE在下行可考慮采用MIMO技術(shù)達(dá)到下行帶寬的雙倍復(fù)用,但結(jié)合地鐵建設(shè)來看,MIMO技術(shù)造成的成本壓力會(huì)很大,是否啟用MIMO可根據(jù)下行帶寬最終需求來確定。

TDD-LTE系統(tǒng)可以根據(jù)業(yè)務(wù)類型及帶寬需求靈活配置TDD-LTE幀的上、下行配比,如2DL:2UL、3DL:1UL等。同時(shí),系統(tǒng)應(yīng)按車站雙向隧道劃分小區(qū),將地鐵在兩個(gè)運(yùn)行方向上劃分成不同小區(qū),并利用小區(qū)合并技術(shù),減少小區(qū)數(shù)量及切換次數(shù)。這樣可以使地鐵兩個(gè)運(yùn)行方向上,都獲得足夠的資源支持大數(shù)據(jù)傳輸。

4 結(jié)語

本文對(duì)目前PIS車地?zé)o線通信建設(shè)情況的進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析和比較,WLAN技術(shù)是目前普遍采用的一種技術(shù),但由于該技術(shù)一直是為固定接入網(wǎng)服務(wù)的,導(dǎo)致對(duì)移動(dòng)性的支持不足,當(dāng)列車行進(jìn)時(shí),無法完全保證PIS系統(tǒng)所需帶寬。LTE作為一項(xiàng)逐步發(fā)展完善的技術(shù),是更適合PIS車地間的無線通信的技術(shù)。隨著城市軌道交通領(lǐng)域安全壓力的逐漸加大,地鐵車廂內(nèi)的視頻監(jiān)控實(shí)時(shí)上傳的要求也提上了日程,車地?zé)o線帶寬需求及質(zhì)量有了更高要求,基于TDD-LTE的車地?zé)o線通信系統(tǒng)提供了可靠的技術(shù)支持。同時(shí),該技術(shù)在城市軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用也可推動(dòng)TDD-LTE技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與完善。

參考文獻(xiàn)

[1] 沈佳,索士強(qiáng),等．3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京,人民郵電出版社,2008.

[2] 曾召華,等．LTE基礎(chǔ)原理與關(guān)鍵技術(shù)[M].西安,西安電子科技大學(xué)出版社,2010.