LTE技術在城市軌道交通車地無線通信系統(tǒng)中的應用探索

□文/趙彥芳

LTE技術在城市軌道交通車地無線通信系統(tǒng)中的應用探索

□文/趙彥芳

城市軌道交通車地無線通信的穩(wěn)定性和準確性對運營安全至關重要。將LTE技術與WLAN技術進行比較，分析LTE用于城市軌道交通車地無線通信的技術優(yōu)勢。根據(jù)LTE的技術特點提出了兩套系統(tǒng)解決方案。

WLAN技術；車地無線通信；LTE技術；軌道交通

目前城市軌道交通基本上采用無線局域網(wǎng)技術（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）。信號系統(tǒng)是關系行車安全和提高運行效率的系統(tǒng)，PIS系統(tǒng)影響乘車環(huán)境的舒適度，CCTV系統(tǒng)需要具有多路畫面實時錄像、多路畫面實時顯示以及根據(jù)需要靈活設置圖像壓縮質量和錄像存儲等功能。CBTC信號系統(tǒng)和PIS、CCTV系統(tǒng)采用何種車地通信方式和措施來避免干擾，以保證車地通信的可靠性、安全性、實時性、抗干擾等，是城市軌道交通建設必須研究的重要問題。

1　WLAN技術

IEEE802.11又稱為無線局域網(wǎng)標準。在無線網(wǎng)絡中，偵測碰撞十分不容易，因為是利用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Acess with Collision Avoidance）存取模式來傳輸。

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

WLAN承載的綜合業(yè)務一直運行在公共開放的2.4 G頻段上，存在易受干擾、維護困難、高速移動性差等問題，對軌道交通的安全運營造成了很大的影響。隨著無線承載業(yè)務越來越多，無論在帶寬還是安全性方面WLAN技術將無法滿足業(yè)務發(fā)展需求。

隨著LTE技術的發(fā)展，LTE公網(wǎng)已在全球商用，越來越多的專網(wǎng)用戶開始關注LTE在專網(wǎng)應用的可行性。

2　LTE技術特點

LTE（Long Term Evolutiong）移動通信技術的目標，是建立一個高傳輸效率、低時延、支持增強型多媒體廣播組播業(yè)務、基于包優(yōu)化的、可演進的無線接入框架。因此LTE系統(tǒng)采用接近于全IP化的、扁平化的網(wǎng)絡結構，集成適用于寬帶移動通信傳輸?shù)谋姸嘞冗M技術，如正交頻分復用（OFDM）、多輸入多輸出（MIMO）、自適應調制編碼（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)務承載的優(yōu)先級調度和高速移動性支持并通過抗干擾技術和安全機制保證無線數(shù)據(jù)業(yè)務的安全可靠傳輸，見表1。

表1　LTE技術的主要特點

2.1系統(tǒng)內抗干擾

系統(tǒng)內干擾主要來自于同頻鄰區(qū)干擾，需考慮同向前后同頻鄰區(qū)間的干擾。系統(tǒng)內小區(qū)間的同頻干擾會對小區(qū)吞吐量、覆蓋產生影響。LTE系統(tǒng)由于頻段資源有限及業(yè)務容量需要高帶寬的原因，全線設計使用同頻組網(wǎng)方式。因而需要考慮同向前后同頻鄰區(qū)間的干擾。

通過調度算法、IRC等來進行小區(qū)間的干擾控制、協(xié)調和消除。

1）調度技術。下行可采用業(yè)務異頻調度來滿足小區(qū)邊緣的信噪比，保證小區(qū)邊緣的業(yè)務速率。

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

2.2可維護性

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

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

3）RRU和TAU采用工業(yè)級制造標準，適應多種環(huán)境應用。

2.3組網(wǎng)靈活性

1）接口協(xié)議標準化，支持多廠家設備的混合組網(wǎng)。

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

2.4移動性

1）TD-LTE脫胎于3GPP，技術的發(fā)展源于解決高速移動環(huán)境下的網(wǎng)絡高速接入。

2）先進多普勒頻偏糾正技術支撐其高移動性。

3）高移動性支撐該技術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)務應用。

2.5Qos

9級Qos能保證多業(yè)務承載的帶寬合理使用，見表2。

表2　Qos

3　LTE技術與軌道交通需求匹配度的研究

1）軌道交通安全運營的重要性。要滿足軌道交通的安全運營必須實現(xiàn)多級QoS算法、專用頻率，專業(yè)抗干擾技術、高移動性、遠距離覆蓋、無縫切換技術。LTE技術良好的QoS體制保證多種業(yè)務的并發(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)時延，用戶面數(shù)據(jù)傳輸延時＜5 ms。

2）軌道交通多業(yè)務平臺的共用。軌道交通要求CBTC、PIS、CCTV多種業(yè)務共平臺并且語音視頻聯(lián)動，現(xiàn)場可見，調度可達。LTE技術峰值速率可達到20 MHz帶寬：下行100 Mbps，上行50 Mbps。能為速度達到350 km/h的用戶提供高速的接入服務，從而滿足多業(yè)務平臺共用和語音視頻的聯(lián)動功能。

3）軌道交通的定制化服務。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)務需求情況下對頻率靈活性要求、靈活時隙配比滿足業(yè)務變化需求。LTE技術帶寬配置靈活，可支持1.4、5、10、15、20 MHz。

經過以上研究可得出結論：LTE技術與軌道交通需求高度匹配，滿足技術需求的基礎上還能實現(xiàn)系統(tǒng)結構簡單化，低成本建網(wǎng)，降低運營成本。

4　系統(tǒng)整體解決方案

4.1設計原則

1）可靠性原則。CBTC信號系統(tǒng)要求任何節(jié)點都是雙份，避免任何節(jié)點出錯導致故障。A/B雙網(wǎng)保證雙節(jié)點同時工作。

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

3）實時性原則。為實現(xiàn)實時對車輛的控制，數(shù)據(jù)傳輸要求實時；保證視頻傳輸?shù)那逦?、流暢性?/p>

4）高帶寬原則。視頻高清質量要求上下行的大帶寬。

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

4.2設計思路

根據(jù)車地寬帶無線傳輸平臺傳輸內容的不同，LTE車地無線通信網(wǎng)絡可分為兩種。

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

圖1　LTE車地無線網(wǎng)絡架構——PIS+CCTV

此方案中控制中心放置核心網(wǎng)設備eCNS，與PIS系統(tǒng)（含車載CCTV）相連，同時設置路由保證業(yè)務的隔離性。在車站布置LTE基站的BBU和RRU（按需配置）設備，長大區(qū)間內設置RRU設備。LTE基站通過通信傳輸系統(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置1套車載接入設備TAU，通過車載交換機與應用系統(tǒng)車載設備相連，接收控制中心下發(fā)的PIS圖像信息、上傳列車內實時監(jiān)控信息。

2）系統(tǒng)方案B。LTE網(wǎng)絡完成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；分配較小帶寬，如5 MHz，見圖2。

圖2　LTE車地無線網(wǎng)絡架構——CBTC+PIS+CCTV

此方案中控制中心放置雙套核心網(wǎng)設備eCNS，主備與信號系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)（含車載CCTV）相連，同時設置路由保證業(yè)務的隔離性；在車站布置LTE基站的BBU（雙套）和RRU（按需配置）設備，長大區(qū)間內設置RRU設備。LTE基站通過通信傳輸系統(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置1套車載接入設備TAU，通過車載交換機與應用系統(tǒng)車載設備相連，接收控制中心下發(fā)的PIS圖像信息、上傳列車內實時監(jiān)控信息。

5　結語

本文通過對WLAN技術和LTE技術的對比，得出LTE技術更能很好的滿足軌道交通的需求。結合LTE技術本文提到了兩種系統(tǒng)設計方案，可根據(jù)用戶的具體要求選擇。

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

［2］譚耿.LTE技術在城市軌道交通信號系統(tǒng)中的應用探索［J］.鐵道通信信號，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，天津市地下鐵道運營有限公司，從事地鐵設施維修養(yǎng)護工作。

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