淺談LTE技術(shù)在城市軌道交通車—地?zé)o線通信中的應(yīng)用

江云箭?付璐

摘 要：隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市軌道交通的服務(wù)水平和管理水平也在不斷的提高，此時，車地?zé)o線通信系統(tǒng)的性能對于城市軌道交通來說尤為重要，需要不斷提高。為了保證列車在高速行駛的情況下視頻信息和多媒體信息能夠高速率和高質(zhì)量的傳輸，城市軌道交通車地?zé)o線傳輸采用LTE技術(shù)也是必然選擇。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；LTE；車地?zé)o線通信系統(tǒng)

1 背景

近年來，我國城市軌道交通建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展階段，其安全性和舒適性得到社會的普遍關(guān)注。一方面，乘客已不滿足于少量的類型單一的文本、聲音信息服務(wù)，城市軌道交通迫切需要提高信息服務(wù)水平，從服務(wù)上吸引乘客。另一方面，國外城市軌道交通惡性事件頻發(fā)，地鐵列車需要增加足夠的監(jiān)控措施，以防范于未然，城市軌道交通需要直觀地了解現(xiàn)場情況，迫切需要高速率的車載視頻信息傳輸?？傊?，隨著城市軌道交通服務(wù)水平和管理水平的不斷提高，城市軌道交通對車地?zé)o線通信系統(tǒng)的性能，諸如：上下行的傳輸帶寬、高速移動接入、場強可控性、無線干擾等提出了更高的要求。

2 當(dāng)前主流技術(shù)比較

城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)作為傳輸網(wǎng)絡(luò)的延伸，提供地面與列車之間的通信，為視頻監(jiān)控系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)等提供車輛與車站、控制中心之間的無線傳輸通道。車地?zé)o線通信系統(tǒng)需要具有高可靠性，支持列車運行速度80公里/小時或更高速度下的視頻信息、多媒體信息的實時傳輸，且系統(tǒng)應(yīng)具備防止黑客和非法信息入侵的功能，確保播出信息的安全。

當(dāng)前可供選擇的無線傳輸技術(shù)主要有：TETRA、GSM、CDMA、3G、TRainCom-MT、WLAN、WiMax、LTE等。

TETRA、GSM、CDMA均為非常成熟的無線技術(shù)，有著廣泛的應(yīng)用實例，但是這三種技術(shù)對于車地之間無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊缶嬖谒俾什蛔愕娜毕荩篢ETRA的下行速率約為幾十Kb/s，上行速率約為幾Kb/s；GSM和CDMA的上下行速率大致相當(dāng)，下行速率約為幾十Kb/s，上行速率約為十幾Kb/s。三者均無法滿足車地?zé)o線通信系統(tǒng)所需要的傳輸速率。

WLAN作為一種寬帶無線接入網(wǎng)技術(shù)，其網(wǎng)絡(luò)化、寬帶化等特點具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。WLAN目前存在多種標(biāo)準(zhǔn)，如：802.11a、802.11b、802.11g等。802.11a工作在5.8G頻段，干擾較少，傳輸速率可以達(dá)到54Mb/s，但5.8G頻段屬于非免費開放頻段，需要申請。802.11b工作在2.4G頻段，傳輸速率最高達(dá)11Mb/s。802.11g也工作在2.4G頻段，由于使用OFDM調(diào)制技術(shù)，其數(shù)據(jù)傳輸速率提高至54Mb/s。但WLAN天線覆蓋范圍較小，軌旁AP在直線隧道一般每間隔200米布設(shè)一個，系統(tǒng)越區(qū)切換頻繁。

LTE（Long Term Evolution，長期演進(jìn)） 是3G的演進(jìn)，是3G與4G技術(shù)之間的一個過渡，是3.9G的全球標(biāo)準(zhǔn)，如下圖1-1所示。它改進(jìn)并增強了3G的空中接入技術(shù)，采用OFDM和MIMO作為其無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。與3G相比，LTE具有高數(shù)據(jù)速率、分組傳送、延遲降低、廣域覆蓋和向下兼容等技術(shù)優(yōu)勢，被視作從3G向4G演進(jìn)的主流技術(shù)。載波聚合技術(shù)，在頻譜靈活分配、系統(tǒng)容量、覆蓋等綜合方面，有著無可比擬的優(yōu)勢。而采用漏纜覆蓋模式的2X2MIMO的傳輸，將會實現(xiàn)速率的倍增。從目前看，主流運營商幾乎一致支持LTE標(biāo)準(zhǔn)。

圖1-1

3 基于WLAN技術(shù)的車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)兼容性分析

基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的WLAN技術(shù)是目前城市軌道交通通信系統(tǒng)主要可用的寬帶數(shù)據(jù)無線通信技術(shù)，該技術(shù)于2004年在國內(nèi)開始使用，并且逐漸成為國內(nèi)城市軌道交通通信系統(tǒng)主流的車地通信技術(shù)，已經(jīng)在北京、上海、廣州等很多大城市運用。近年來，通信PIS系統(tǒng)可用的寬帶數(shù)據(jù)無線通信技術(shù)制式相對通信系統(tǒng)來說較多，但是國內(nèi)的城市軌道交通已經(jīng)開通的和正在實施中的線路采用WLAN方案占多數(shù)。綜上，目前城市軌道交通環(huán)境中車地?zé)o線通信系統(tǒng)以兩張WLAN網(wǎng)絡(luò)共存的情況為主。

兩個無線通信網(wǎng)絡(luò)電磁兼容是工程實施中必須考慮的問題。根據(jù)已經(jīng)實施項目的實際使用情況，信號系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)的電磁兼容主要有以下三個方案：

（1）信號系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)分別使用不同的頻段，例如，PIS系統(tǒng)采用4.2GHZ的頻段，而信號系統(tǒng)采用3.1GHZ的頻段。

（2）信號系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)采用同一家WLAN供應(yīng)商，將信號系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)集成建設(shè)。

（3）信號系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)采用相同頻段，當(dāng)兩個系統(tǒng)采用相同頻段的時候，在工程實施中一般采取以下三個措施來減少相互之間的干擾：合理規(guī)劃無線頻點；協(xié)調(diào)AP點位置；選擇不同天線極化方向。

4 WLAN技術(shù)車地?zé)o線通信中存在的問題

車地?zé)o線通信系統(tǒng)采用2.4GHZ開放頻段，所有使用2.4GHZ WLAN技術(shù)的設(shè)備均為車地?zé)o線通信系統(tǒng)的干擾源，系統(tǒng)不可避免的會受到民用通信設(shè)備（如WiFi、MiFi、藍(lán)牙）的干擾，嚴(yán)重的可能會導(dǎo)致車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)無法正常工作，影響車地?zé)o線通信系統(tǒng)的可靠性。而且隨著無線智能城市的建設(shè)以及手機上網(wǎng)應(yīng)用的普及，將會有更多的干擾源出現(xiàn)。

5 LTE技術(shù)優(yōu)勢

若要從根本上解決車地?zé)o線通信中的干擾問題，保證通信系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定的工作，智能通過采用專用頻段及更新進(jìn)的無線通信技術(shù)來解決，如圖1-2。因此，LTE技術(shù)的出現(xiàn)，堪稱車地?zé)o線通信干擾問題的救星，其主要具備以下幾個優(yōu)勢：

（1）以分組域業(yè)務(wù)為主要目標(biāo)，系統(tǒng)在整體架構(gòu)上基于分組交換。

（2）在20MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率。0～120 km/h移動場景下平均吞吐速率達(dá)到60Mbps，上行速率16Mbps，下行速率44Mbps。

（3）LTE技術(shù)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率和頻譜利用率高。

（4）支持成對或非成對頻譜，可靈活配置1.4MHz-20MHz間的多種系統(tǒng)帶寬。TDD LTE可以調(diào)整上下行流量。

（5）扁平化組網(wǎng)方案，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡單，網(wǎng)元節(jié)點少，系統(tǒng)可靠性高。

（6）增加小區(qū)邊界比特速率，提供1bps/Hz的小區(qū)邊緣速率。小區(qū)覆蓋半徑可達(dá)100km。

（7）嚴(yán)格的QoS機制保證實時業(yè)務(wù)（如VoIP）的服務(wù)質(zhì)量。

（8）采用頻偏補償機制，有效克服多普勒效應(yīng)，確保高速移動場景下的無線鏈路質(zhì)量。

（9）切換時參考頻率偏移變化，提高切換成功率，保證高速切換場景下的帶寬穩(wěn)定。

（10）多RRU共小區(qū)，減少由于切換帶來的時延、抖動、丟包，保證高速切換場景下的帶寬穩(wěn)定。

（11）無須在隧道中另外布設(shè)天線，可共用商用通信的泄漏電纜。隧道內(nèi)單個RRU覆蓋1.2KM漏纜，能夠提供穩(wěn)定的覆蓋。

（12）LTE技術(shù)采用扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效地縮短了端到端的數(shù)據(jù)傳輸時延，更加滿足城市軌道交通特別是信號系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

6 結(jié)語

本文通過介紹城市軌道交通車地?zé)o線通信技術(shù)，主要針對WLAN技術(shù)和LTE技術(shù)進(jìn)行比較，突出LTE技術(shù)在當(dāng)今的各種優(yōu)勢，由以上分析并結(jié)合各種無線傳輸技術(shù)的特點及城市軌道交通的業(yè)務(wù)需求，推薦采用LTE作為城市軌道交通車地?zé)o線傳輸技術(shù)。LTE使用專用頻段，抗干擾能力強，可以共用商用通信系統(tǒng)的泄漏電纜，施工難度小，且未來可以承載更多的業(yè)務(wù)，如：語音集群。雖然LTE系統(tǒng)初期投資較大，但核心網(wǎng)設(shè)備可為多條線路所共用，隨著城市軌道交通線路的不斷新建，系統(tǒng)的總體建設(shè)投資將與采用其它無線傳輸技術(shù)基本持平。

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