LTE技術(shù)在地鐵專用通信系統(tǒng)中的應(yīng)用方案

紀藝勇

【摘 要】隨著車載視頻傳輸實時性及可靠性的要求不斷提高，以及乘客信息系統(tǒng)中多媒體數(shù)據(jù)流傳輸帶寬的不斷增加，以WLAN系統(tǒng)為主的車地?zé)o線通信技術(shù)已不能完全滿足地鐵行業(yè)的需要。而LTE以其可靠性高、抗干擾能力強、覆蓋范圍廣等特點，能更好的滿足地鐵應(yīng)用中的需求。本文主要論述了LTE技術(shù)在地鐵通信系統(tǒng)車地?zé)o線中的應(yīng)用方案。

【關(guān)鍵詞】LTE 地鐵 車地?zé)o線通信系統(tǒng)

1 概述

近年來我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，城市人口不斷膨脹，公共交通已成為各大城市的主要困擾之一，地鐵作為城市公共交通客運系統(tǒng)的重要組成部分，以其大眾化、大載客量以及安全舒適、快捷準時的特點成為公眾喜愛的交通工具。

在地鐵專用通信系統(tǒng)中，車地?zé)o線通信系統(tǒng)需要承載的業(yè)務(wù)主要包括CCTV和PIS等系統(tǒng)。其中CCTV系統(tǒng)是視頻監(jiān)控系統(tǒng)。車廂內(nèi)的攝像頭拍攝的實時畫面，通過車地?zé)o線通信系統(tǒng)上傳到各個車站，再通過專用傳輸系統(tǒng)傳送到控制中心，讓控制中心監(jiān)控平臺可以實時呈現(xiàn)車廂內(nèi)的畫面，有利于后臺服務(wù)人員了解車廂內(nèi)的情況。CCTV的業(yè)務(wù)主要是上行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，該業(yè)務(wù)對承載通道的帶寬有一定要求，如果帶寬不足，則可能造成畫面卡頓和黑屏現(xiàn)象。

PIS系統(tǒng)是指乘客信息系統(tǒng)，即站廳、站臺和列車內(nèi)的顯示信息，比如說我們在地鐵站看到的到站信息、天氣、股票信息和視頻播放節(jié)目等。這些信息都是從地鐵控制中心經(jīng)過編播后下發(fā)到各個車站和車輛內(nèi)的，然后通過本地的播放模塊進行顯示。該系統(tǒng)主要是下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，對傳輸通道帶寬也有一定要求，如果帶寬不足，則可能造成信息延遲或者畫面卡頓黑屏等現(xiàn)象。

2 LTE的關(guān)鍵技術(shù)

LTE（Long Term Evolution，長期演進）是由3GPP組織制定的UMTS技術(shù)標準的長期演進，于2004年12月在3GPP多倫多會議上正式立項并啟動。LTE系統(tǒng)引入了OFDM和MIMO等關(guān)鍵技術(shù)，顯著增加了頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率（下行峰值速率為100Mbps，上行峰值速率為50Mbps），并支持多種帶寬分配，且支持全球主流2G/3G頻段和一些新增頻段，因而頻譜分配更加靈活，系統(tǒng)容量和覆蓋也顯著提升。

2.1 OFDM

OFDM是LTE系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，他的技術(shù)原理是將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的傳輸分散到多個正交的子載波上完成他們的傳輸任務(wù)，這種分散的方式能夠降低子載波的符號速率，從而提高時延抵抗力，最終減弱符號間的干擾的功效。LTE系統(tǒng)在工作中一般會在OFDM符號前加入相應(yīng)的保護間隔，保護間隔的設(shè)置能夠有效的消除LTE系統(tǒng)符號間干擾。

2.2 MIMO

MIMO技術(shù)運用于LTE系統(tǒng)中，主要功能是提高系統(tǒng)傳輸速率，OFDM的子載波衰落較平坦，從這點說它很合適與MIMO技術(shù)結(jié)合，二者結(jié)合能很好的提高LTE系統(tǒng)的性能。MIMO一般采用多天線或者多通道技術(shù)形式，通過合理的數(shù)據(jù)處理與信息的接收完成空間信道的創(chuàng)建與完善，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?。當功率和帶寬固定時，多入多出系統(tǒng)的最大容量與其最小天線數(shù)是正相關(guān)的關(guān)系。也就是說MIMO的多入多出系統(tǒng)的容量越大其最小天線數(shù)就越少，通過這些信息數(shù)據(jù)的分析、估計，能夠整合網(wǎng)絡(luò)運行環(huán)境，有效提高網(wǎng)絡(luò)運行的速度。

3 LTE在車地?zé)o線通信中的應(yīng)用方案

3.1 網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)

控制中心級子系統(tǒng)布置核心網(wǎng)設(shè)備，負責(zé)與中心服務(wù)器、視頻服務(wù)器通過以太網(wǎng)交換機接口，接收視頻信息并將相關(guān)信息通過TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)搅熊嚿稀?/p>

軌道子系統(tǒng)在車站站臺布置LTE基站的BBU和RRU設(shè)備，覆蓋站臺周邊區(qū)域，根據(jù)無線信號覆蓋的要求在隧道區(qū)間布置RRU設(shè)備延伸無線覆蓋，實現(xiàn)與車載無線設(shè)備之間的無線數(shù)據(jù)通信。各LTE基站通過光口接入車站傳輸設(shè)備，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、車尾各設(shè)置1套車載無線設(shè)備（TAU），通過車載交換機與車載控制器和LCD控制器相連，接收由控制中心提供的實時視頻信息和向控制中心發(fā)送實時的車廂監(jiān)控信息，如圖1所示。

3.2 系統(tǒng)組網(wǎng)方案

PIS編播中心機房部署無線核心網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)管，并通過傳輸網(wǎng)絡(luò)與各車站、停車場的無線基帶單元BBU通信。車輛地面服務(wù)器、PIS視頻服務(wù)器等應(yīng)用服務(wù)器通過編播中心核心交換機與無線核心網(wǎng)通信，下行方向核心網(wǎng)接收視頻組播流并將組播流通過LTE TDD無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至各列車上，上行方向核心網(wǎng)將接收的CCTV車載監(jiān)控數(shù)據(jù)和車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給車輛地面服務(wù)器。

各個車站和停車場機房部署TD-LTE分布式基站的基帶單元BBU。BBU通過光口接入車站、停車場傳輸設(shè)備，通過傳輸網(wǎng)絡(luò)與無線核心網(wǎng)連接。

沿線軌道區(qū)間和停車場部署TD-LTE分布式基站的射頻單元RRU。RRU通過光纖鏈路遠程與BBU連接，一個BBU可以管理和連接多個RRU。軌道沿線區(qū)間覆蓋可以采用與專用無線通信系統(tǒng)TETRA共用漏纜的方案，TETRA基站、TD-LTE RRU通過POI合入沿線部署的泄露電纜，以達到實現(xiàn)MIMO功能的目的。停車場因區(qū)域面積大、縱列車線多，采用板狀定向天線方案覆蓋。

在列車頭尾司機室專用通信機柜分別部署一套TD-LTE車載無線終端（TAU），每臺TAU配置兩套的車載天線。TAU通過百兆以太網(wǎng)口接入PIS系統(tǒng)的車載交換機，實現(xiàn)與列車各應(yīng)用系統(tǒng)的通信。

車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

3.3 無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

PIS系統(tǒng)對于實時性以及視頻圖像的播放質(zhì)量要求高，需要一張可靠的車地通信網(wǎng)絡(luò)。為了減少干擾，LTE網(wǎng)絡(luò)選擇專用頻段，同時利用專有抗干擾技術(shù)降低其他無線信號的對車地通信網(wǎng)絡(luò)的影響，進而降低對地鐵業(yè)務(wù)的影響。

3.3.1 無線頻點分析與規(guī)劃

2003年工信部（信部無[2003]408號，以下簡稱408號）規(guī)定1785-1805MHz頻段主要用于本地公眾網(wǎng)無線接入，對確有需要的本地專用網(wǎng)也可用于無線接入。408號規(guī)定頻率指配法定主體是省級的無線電管理單位，“具體頻率指配和無線電臺站管理工作，由各省、自治區(qū)、直轄市無線電管理機構(gòu)負責(zé)”。

工信部無[2008]332號文件中指出拓展了1.8G頻段的業(yè)務(wù)應(yīng)用范圍，從原來僅可開展語音低速數(shù)據(jù)等窄帶應(yīng)用，擴展為可同時開展無線視頻傳輸?shù)葘拵Ф嗝襟w業(yè)務(wù)。

最近，工信部【2015】65號文明確提出1.8G頻段可用于城市軌道交通專用通信網(wǎng)。

同時，朔黃重載鐵路TD-LTE車地通信項目，根據(jù)工信部工信無函[2010]147號文，在1.8GHz頻段，在山西、河北、內(nèi)蒙古三省區(qū)建網(wǎng)，并已開通運營。鄭州地鐵一號線車地?zé)o線TD-LTE項目，根據(jù)豫無辦（2011）31號文在1.8GHz頻段組網(wǎng)，并已經(jīng)開通運營。因此地鐵車地?zé)o線所用頻點可向當?shù)責(zé)o線電管理部門申請，如圖3所示。

建議采用1.8GHz的1785-1805MHz共計20MHz頻段用于PIS車地?zé)o線TD-LTE網(wǎng)絡(luò)使用。