LTE技術(shù)在地鐵無線通信中的應(yīng)用

范新偉

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司重慶分公司 重慶市渝北區(qū) 401121）

LTE技術(shù)在地鐵無線通信中的應(yīng)用

范新偉

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司重慶分公司 重慶市渝北區(qū) 401121）

本文主要結(jié)合筆者多年工作經(jīng)驗(yàn)闡述了LTE技術(shù)的基本原理、城市軌道交通無線通信的現(xiàn)狀以及LTE技術(shù)在地鐵無線通信中的應(yīng)用，希望能夠?yàn)橥薪梃b和參考。

LTE；地鐵；無線通信；上行；下行

引言

隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無線通信技術(shù)被廣泛的運(yùn)用在地鐵無線通信中。目前運(yùn)用于地鐵交通的無線通信技術(shù)主要有3G技術(shù)、GSM技術(shù)、TETRA技術(shù)以及WiFi技術(shù)等。隨著軌道交通行業(yè)對(duì)無線通信要求的不斷提高以及無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，LTE已經(jīng)開始逐漸被嘗試運(yùn)用到地鐵無線通信中并且取得了一定的效果，LTE的改進(jìn)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率、更短的時(shí)延、更低的成本，更高的系統(tǒng)容量以及改進(jìn)的覆蓋范圍。LTE是當(dāng)前世界眾多通信組織、研究機(jī)構(gòu)、設(shè)備廠商、通信運(yùn)營(yíng)商選擇向4G發(fā)展的演進(jìn)方向。

1 LTE技術(shù)內(nèi)涵

1.1 LTE主要技術(shù)參數(shù)

LTE就是3GPP Long Term Evolution的縮寫，指3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)。LTE也被通俗的稱為3.9G，具有100Mbps的數(shù)據(jù)下載能力，被視作從3G向4G演進(jìn)的主流技術(shù)。LTE系統(tǒng)采用“扁平”的無線訪問網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，無RNC節(jié)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了全I(xiàn)P路由，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)趨近于IP寬帶網(wǎng)（internet）。LTE主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 LTE主要技術(shù)參數(shù)

1.2 LTE基本原理

1.2.1 正交頻分復(fù)用（OFDM）基本技術(shù)

頻分復(fù)用/頻分多址（FDM/FDMA）傳輸方式：其實(shí)是一種傳統(tǒng)的技術(shù)，將較寬的頻帶分成若干較窄的子載波進(jìn)行并行發(fā)送時(shí)最樸素的實(shí)現(xiàn)寬帶傳輸?shù)姆椒l譜效率低：為了避免子載波間的干擾，在相鄰子載波間保留足夠間隔。FDM/FDMA不能像頻譜效率更高的TDM/TDMA和CDM/CDMA技術(shù)一樣能夠成為無線通信的核心傳輸技術(shù)。

OFDM傳輸方式是將高速串行數(shù)據(jù)調(diào)制在一組等差頻率集合且正交的復(fù)正弦波（子載波）上并行發(fā)射接收端用同樣的一組子載波對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相關(guān)后得到解調(diào)信號(hào)引入FFT（快速傅里葉變換）數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。FFT允許將FDM的各個(gè)子載波重疊排列，重疊子載波排列大大提高頻譜效率。FFT同時(shí)保證各個(gè)子載波之間的正交性。OFDM的多載波傳輸方式頻譜效率高：由于正確的頻率采樣（對(duì)應(yīng)于時(shí)域相關(guān)積分）后無子載波間干擾，OFDM允許相鄰正交子載波間的頻譜有交疊比傳統(tǒng)FDM頻譜效率高OFDM接收無符號(hào)間干擾和子載波間干擾，循環(huán)前綴（CP）的加入保證了時(shí)域截窗內(nèi)的子載波為完整的整倍數(shù)周期波形保證了無符號(hào)間干擾；FFT技術(shù)能夠保證子載波間的正交性從而避免了子載波間干擾。帶寬擴(kuò)展性強(qiáng)，由于OFDM系統(tǒng)的信號(hào)帶寬取決于使用的子載波數(shù)量，因此OFDM系統(tǒng)具有很好的帶寬擴(kuò)展性，小到幾百kHz，大到幾百M(fèi)Hz，都比較容易實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)FT大小尺寸帶來的系統(tǒng)復(fù)雜度增加相對(duì)并不明顯。如圖1～2分別為傳統(tǒng)FDM頻譜和OFDM頻譜。

圖1 傳統(tǒng)FDM頻譜圖

圖2 OFDM頻譜圖

1.2.2 下行OFDMA正交頻分多址技術(shù)

OFDMA傳輸技術(shù)是OFDM調(diào)制技術(shù)和多用戶子載波分配結(jié)合的傳輸技術(shù)。每個(gè)用戶使用一個(gè)二維時(shí)頻子載波集進(jìn)行傳輸，其帶寬可靈活動(dòng)態(tài)分配，同時(shí)避免了符號(hào)間干擾，子載波間干擾和多用戶接入干擾。但是缺陷是峰均比高，不適合終端信號(hào)波形。

1.2.3 OFDMA的多用戶時(shí)頻二維頻譜

OFDMA的多載波傳輸方式將頻譜劃分為時(shí)頻二維資源：頻域的子載波和時(shí)域的符號(hào)間隔。多用戶資源分配以資源塊（180kHz×0.5ms）為顆粒度在時(shí)隙和頻域上靈活分配，以滿足不同用戶混合業(yè)務(wù)的需求。

1.2.4 上行SC-FDMA單載波頻分多址

上行采用SC-FDMA作為多址接入及信號(hào)調(diào)制技術(shù)。OFDMA的劣勢(shì)是調(diào)制輸出信號(hào)的峰均比較高，使得功放效率降低，不適合上行終端的信號(hào)傳輸。SC-FDMA對(duì)調(diào)制信號(hào)先進(jìn)行離散付立葉變換，再對(duì)輸出結(jié)果在連續(xù)的子載波子集上做OFDM調(diào)制從而降低信號(hào)峰均比，同時(shí)保持了OFDMA抗多徑和無多用戶接入干擾的優(yōu)勢(shì)。

2 城市地鐵無線通信現(xiàn)狀

軌道交通的大力發(fā)展使軌道交通四通八達(dá)，有效的緩解了地面交通的擁堵，但隨著軌道交通的覆蓋率越來越高，信息化程度越來越高，專網(wǎng)已經(jīng)成為構(gòu)建服務(wù)于軌道交通行業(yè)的信息化平臺(tái)核心需求。軌道交通在時(shí)間、時(shí)速、列車交匯等多方面都需要進(jìn)行精準(zhǔn)把控，且在調(diào)度、溝通、實(shí)時(shí)匯報(bào)等方面需要大量使用語音、視頻等數(shù)據(jù)傳輸，這對(duì)整體軌道交通行業(yè)的寬帶專網(wǎng)有著極高的要求。

目前地鐵語音調(diào)度使用TETRA系統(tǒng)，而列控、PIS（旅客信息系統(tǒng)）等相關(guān)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)使用WiFi系統(tǒng)。顯然，多種網(wǎng)絡(luò)共存將使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維相當(dāng)困難，維護(hù)成本較高，且TETRA屬于窄帶數(shù)字集群系統(tǒng)，只能支持語音集群業(yè)務(wù)，不能支持視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集等寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。在地鐵行業(yè)，除了語音調(diào)度，客戶還需要視頻調(diào)度、以及大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)調(diào)度，但這些業(yè)務(wù)通過現(xiàn)有的窄帶專網(wǎng)解決方案無法實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，地鐵通過部署WiFi系統(tǒng)來承載這些數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，然而WiFi的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍?。ㄖ挥?00～200m），迫使在地鐵沿線需要密集部署，引入大量維護(hù)工作。此外，除了系統(tǒng)復(fù)雜度提升外，安全性問題也時(shí)時(shí)刺激著人們的神經(jīng)，WIFI自身無QoS保障機(jī)制，且采用免費(fèi)開放頻段，干擾源多，極易受到干擾，影響地鐵的安全運(yùn)營(yíng)，極端情況下會(huì)造成整個(gè)地鐵系統(tǒng)停運(yùn)，如2012年11月在深圳發(fā)生的多次列車停運(yùn)事故，就是由于承載CBTC（基于無線通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)）的WLAN系統(tǒng)受到同頻段的無線系統(tǒng)干擾導(dǎo)致。另外，移動(dòng)性是軌道交通行業(yè)專網(wǎng)的核心需求點(diǎn)，雖然通過雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)部署可使WiFi在一般場(chǎng)景中滿足移動(dòng)性的需求，但在高速移動(dòng)場(chǎng)景中WiFi則無法滿足。

3 地鐵無線通信運(yùn)用LTE技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

將LTE技術(shù)運(yùn)用到地鐵無線通信中，可為地鐵客戶及乘客實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)營(yíng)、敏捷調(diào)度和便捷乘運(yùn)。

（1）運(yùn)用LTE通信技術(shù)，具備比WiFi更好的信道結(jié)構(gòu)和更佳的接收性能，通過采用系統(tǒng)化的專業(yè)抗干擾技術(shù)和多級(jí)QoS算法，支持高可靠性的無損切換和快速及時(shí)的無縫切換，以及基于非競(jìng)爭(zhēng)的快速隨機(jī)接入，保證各類業(yè)務(wù)在切換過程中的連續(xù)性和QoS（時(shí)延，丟包率）。此外，eLTE支持200km/h下的可靠通信，確保地鐵安全運(yùn)營(yíng)。

（2）軌道交通對(duì)運(yùn)營(yíng)的安全性要求極高，且在調(diào)度溝通等方面需要大量視頻、語音和數(shù)據(jù)傳輸。運(yùn)用LTE通信技術(shù)既可支持語音調(diào)度，也可支持視頻調(diào)度，實(shí)現(xiàn)調(diào)度可視化，現(xiàn)場(chǎng)可見，指揮可達(dá)，方便快速?zèng)Q策。另外，通過對(duì)車站、車廂、軌旁進(jìn)行全面的高清實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，遇到突發(fā)事件可快速掌控現(xiàn)場(chǎng)，助力地鐵客戶實(shí)現(xiàn)敏捷調(diào)度。

（3）LTE通信技術(shù)運(yùn)用到地鐵無線通信中，可以得到較高的下行速率和上行效率，一張網(wǎng)絡(luò)即可承載PIS、車載視頻監(jiān)控、CBTC和寬帶集群等豐富的地鐵業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，可幫助地鐵客戶構(gòu)建流暢的寬帶信息傳遞平臺(tái)和卓越的寬帶網(wǎng)絡(luò)性能，為乘客提供實(shí)時(shí)的新聞、換乘信息、在線廣告等，增加旅行便利，實(shí)現(xiàn)便捷乘運(yùn)。

4 案例分析

2013年11月29日，華為在鄭州發(fā)布全球首個(gè)eLTE城市軌道交通解決方案，并分享了該方案在鄭州地鐵一號(hào)線的成功商用歷程。這是全球第一條基于4G LTE技術(shù)的地鐵綜合業(yè)務(wù)無線解決方案。該項(xiàng)目歷時(shí)近兩年，雙方共同對(duì)解決方案進(jìn)行多次嚴(yán)密論證，最終決定采用基于LTE技術(shù)的華為eLTE移動(dòng)寬帶解決方案。通過采用該解決方案，鄭州地鐵公司在列車調(diào)度、公共安全管理和改善乘客出行體驗(yàn)等方面提供全新的服務(wù)，為提升地鐵運(yùn)行效率和用戶乘車體驗(yàn)帶來創(chuàng)新性突破。在列車調(diào)度方面，通過eLTE作為有效的通信傳輸手段，調(diào)度中心可以對(duì)列車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，獲取列車運(yùn)行中的旅客流量等實(shí)時(shí)信息，這些將作為調(diào)度中心調(diào)配車次的重要參考依據(jù)。在公共安全管理方面，基于eLTE的寬帶傳輸和低時(shí)延性能，在車廂和車站內(nèi)進(jìn)行的視頻拍攝可以及時(shí)將情況同步傳輸?shù)焦芾碇行?。在緊急情況下，公安、消防部門可根據(jù)車廂和車站等視頻信息進(jìn)行有效的安全決策，及時(shí)發(fā)布緊急疏散提示，提升對(duì)突發(fā)事件的快速響應(yīng)能力。在提升乘客出行體驗(yàn)方面，利用eLTE進(jìn)行承載，通過車站和車內(nèi)的高清視頻終端可為乘客實(shí)時(shí)提供新聞、廣告、電視節(jié)目等，增添出行趣味，并增加地鐵客戶的運(yùn)營(yíng)收入。

5 結(jié)語

隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展，無線通信將會(huì)更加廣泛的運(yùn)用在地鐵運(yùn)輸中，隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，可以預(yù)見，集語音、視頻和數(shù)據(jù)為一體的LTE寬帶數(shù)字集群技術(shù)必將成為地鐵運(yùn)營(yíng)調(diào)度和應(yīng)急指揮的必然選擇。在移動(dòng)寬帶浪潮的推動(dòng)下，與其它各行各業(yè)的信息化過程一樣，軌道交通車地通信也將步入LTE時(shí)代。

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TN929.5

A

1004-7344（2016）14-0274-02

2016-4-29

范新偉（1981-），男，工程師，本科，主要從事通信工程勘察設(shè)計(jì)方面工作。