關(guān)于 LTE 與 WLAN 技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用對比分析

趙 靜

（北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100006）

0 引言

城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)已初具規(guī)模，進入網(wǎng)絡(luò)化階段，成為了城市公共交通的命脈，在城市運行中發(fā)揮著越來越重要的作用。在當前形勢下，城市軌道交通運營安全也成為中央和各級地方政府關(guān)注的重點。隨著地鐵行業(yè)的發(fā)展，用戶對列車視頻的使用需求更加旺盛，更高清、更多路數(shù)的視頻使用需求日益迫切，這就需要有更加先進的技術(shù)來滿足車地視頻的應(yīng)用。在城市軌道交通業(yè)務(wù)中，乘客信息系統(tǒng)（PIS）和車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）是兩大需求業(yè)務(wù)，而制約這兩大業(yè)務(wù)的因素往往出現(xiàn)在車地?zé)o線通信系統(tǒng)上。

1 現(xiàn)狀

傳統(tǒng)城市軌道交通建設(shè)中，受技術(shù)條件限制，車地?zé)o線通信系統(tǒng)使用的是 WLAN 技術(shù)，而 WLAN 設(shè)備設(shè)計上的缺陷造成了 PIS 和車載 CCTV 系統(tǒng)不能很好地滿足用戶的使用需求。

而新近城市軌道交通建設(shè)中，車地?zé)o線通信系統(tǒng)開始探索使用 LTE 技術(shù)，將 LTE 技術(shù)中的特點使用到車地?zé)o線通信系統(tǒng)中，可以很好地將新技術(shù)融合到老應(yīng)用中，實現(xiàn)綜合業(yè)務(wù)的使用需求。

2 LTE與WLAN技術(shù)應(yīng)用對比分析

2.1 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)對比

車地?zé)o線 WLAN 系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由無線控制器、接口服務(wù)器、核心交換機、車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)、車站交換機、軌旁 AP（Access Point，無線接入點）、車載 AP 及車載工業(yè)交換機等設(shè)備組成，其中核心交換機和車載工業(yè)交換機分別實現(xiàn)與地面系統(tǒng)和列車系統(tǒng)的對接功能。

車地?zé)o線 LTE 系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要由核心網(wǎng)、核心交換機、核心路由器、BBU（Base Band Unit，基帶處理單元）、RRU（Radio Remote Unit，射頻處理單元）、車載TAU（Train Access Unit，列車接入單元）及車載交換機等設(shè)備組成，其中核心路由器和車載交換機設(shè)備分別實現(xiàn)與地面系統(tǒng)和列車系統(tǒng)的對接功能。

圖1 車地?zé)o線 WLAN 系統(tǒng)組網(wǎng)圖

圖2 車地?zé)o線 LTE 系統(tǒng)組網(wǎng)圖

2.2 高速移動性對比

WLAN 系統(tǒng)最初設(shè)計是為提供熱點覆蓋，為用戶提供短距離、低速移動狀態(tài)下的無線接入服務(wù)。WLAN 系統(tǒng)越區(qū)切換能力較差，在不同小區(qū)切換過程中，丟包率、切換時延、吞吐率等性能都會下降，傳輸能力受移動速度影響非常大。目前城市軌道交通 WLAN 系統(tǒng)采用 IEEE 802.11n 技術(shù)標準，在 2.4 GHz/5 GHz 載頻、高于 80km/h運行速度的情況下，在動態(tài)切換過程中存在帶寬衰減嚴重的情況。

在標準定義中，時速120 km/h 以下為低速應(yīng)用場景，120～350 km/h 為高速應(yīng)用場景。LTE 系統(tǒng)定位為滿足高速移動場景下的寬帶無線接入系統(tǒng)，為此LTE系統(tǒng)采用了 AFC（Automatic Frequency Control，自動頻率控制）、RRU 共小區(qū)、基于頻偏的切換技術(shù)，增強了高速移動場景下的處理能力。

為了對抗高速情形下的多普勒效應(yīng)，LTE 系統(tǒng)基站接收機采用了 AFC 技術(shù)進行頻率糾偏。基站接收機的增強 AFC 技術(shù)可以通過快速測算高速帶來的頻率偏移，補償多普勒效應(yīng)，改善無線鏈路的穩(wěn)定性，從而提高解調(diào)性能。測試證明，基站通過采用 RACH（Random Access Channel，隨機接入信道）的 AFC 性能、RACH 消息解調(diào)的 AFC 性能，可使頻移性能損失小于 0.5～14 dB，有效提高了 RACH 信道的前導(dǎo)檢測性能和消息解調(diào)性能。

LTE 系統(tǒng)采用越區(qū)切換設(shè)計，移動終端設(shè)備無線接入LTE 網(wǎng)絡(luò)后，下發(fā)信號強度檢測測量消息，根據(jù)報告消息觸發(fā)切換動作，使移動終端設(shè)備從原先小區(qū)切換到信號強度較好的小區(qū)，做到越區(qū)切換。

2.3 抗干擾能力對比

隨著寬帶互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，2.4 GHz 共用頻段的WLAN 用戶數(shù)量激增，干擾源日益復(fù)雜。城市軌道交通中繼續(xù)使用 WLAN 技術(shù)承載車地?zé)o線業(yè)務(wù)，易受外界干擾，加之缺乏有效的抗干擾機制，使用戶使用安全性降低。

而 LTE 系統(tǒng)使用 1.8 GHz 專用頻段可以規(guī)避外界的干擾，同時 LTE 系統(tǒng)中采用 ICIC（Inter-Cell Interference Coordination，小區(qū)干擾協(xié)調(diào)），IRC（Interference Rejection Combining，干擾抑制合并）等專業(yè)技術(shù)可以有效降低系統(tǒng)內(nèi)同頻干擾，使用戶使用安全性大大提升。

LTE 系統(tǒng)中 ICIC 小區(qū)間干擾消除技術(shù)是降低 LTE 小區(qū)間干擾的重要手段。ICIC 包括 SFR（Soft Frequency Reuse，軟頻率復(fù)用）和 FFR（Fractional Frequency Reuse，部分頻率復(fù)用）。通過管理無線資源使得小區(qū)間干擾得到控制，是一種考慮多個小區(qū)資源使用和負載等情況進行的多小區(qū)無線資源管理功能。具體而言，ICIC 以小區(qū)間協(xié)調(diào)的方式對各個小區(qū)無線資源的使用進行限制，包括限制哪些時頻資源可用，或者在一定的時頻資源上限制其發(fā)射功率。

IRC 算法同時考慮了干擾和噪聲的影響，適用于存在空間有色干擾的場景，可以獲得干擾消除的增益，即 IRC 在干擾場景下可以獲得更好的性能。

2.4 系統(tǒng)穩(wěn)定性對比

WLAN 系統(tǒng)在城市軌道交通沿線設(shè)備部署密集，鏈路設(shè)計復(fù)雜，維護困難；同時，WLAN 技術(shù)缺乏有效的 QoS（Quality of Service，業(yè)務(wù)質(zhì)量）保障機制，在覆蓋較差的區(qū)域很難有效滿足重要業(yè)務(wù)的使用需求。

LTE 系統(tǒng)隧道內(nèi)設(shè)備部署少，鏈路設(shè)計簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，降低了維護難度；同時，LTE 技術(shù)中有多級 QoS 算法保障機制，可以在覆蓋較差的區(qū)域有效保證重要業(yè)務(wù)的使用。

在 LTE 系統(tǒng)中每個承載都有相應(yīng)的 QoS 參數(shù) QCI（QoS Class Identi fi er， QoS 標度值）和 ARP（Allocation and Retention Priority，分配和保留優(yōu)先級），這些參數(shù)定義了不同的 QoS 保障策略。LTE 無線網(wǎng)絡(luò)可以將不同的傳輸業(yè)務(wù)映射至專用承載，并根據(jù)業(yè)務(wù)傳輸質(zhì)量要求定義配套的 QCI 和 ARP。

根據(jù)綜合業(yè)務(wù)承載中不同業(yè)務(wù)的要求，結(jié)合 LTE 對優(yōu)先級和服務(wù)質(zhì)量分類，將各業(yè)務(wù)的優(yōu)先級和服務(wù)質(zhì)量（包括數(shù)據(jù)延時和數(shù)據(jù)丟包率）定義如表1 所示。

一個業(yè)務(wù)承載要經(jīng)過不同的網(wǎng)元和接口，業(yè)務(wù)承載在每個接口上會映射到不同的底層承載，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點負責(zé)維護底層承載的標識以及相互之間的綁定關(guān)系。對于城市軌道交通車載 PIS 和車載 CCTV 的實際業(yè)務(wù)，可以通過 IP 地址、端口區(qū)分不同的業(yè)務(wù)。

表1 QoS 設(shè)置表

3 LTE 系統(tǒng)在工程應(yīng)用方面的優(yōu)勢

LTE 技術(shù)較 WLAN 技術(shù)有很大的改進，在工程應(yīng)用方面也有非常大的優(yōu)勢。首先，LTE 可滿足綜合承載使用需求，將多個業(yè)務(wù)統(tǒng)一到一個車地通信系統(tǒng)中，有效節(jié)省投資；其次，LTE 系統(tǒng)組網(wǎng)簡潔，區(qū)間設(shè)備部署少，可以簡化施工，提高施工單位的工作效率；最后，LTE 系統(tǒng)調(diào)試簡單，可以大大縮短調(diào)試工期，為城市軌道交通后續(xù)其他系統(tǒng)的調(diào)試工作節(jié)省時間。

4 LTE 系統(tǒng)存在的問題

LTE 系統(tǒng)作為在城市軌道交通應(yīng)用中的新型技術(shù)，在應(yīng)用過程中也暴露出一些缺點。首先，目前城市軌道交通行業(yè)獲得的無線電委員會批復(fù)的頻率資源最多為20mHz 帶寬，有些城市地上部分只有 10mHz 帶寬。受頻率資源的限制，LTE 系統(tǒng)很難提供更大的數(shù)據(jù)傳輸速率，不能更好地服務(wù)于列車視頻業(yè)務(wù)。另外，LTE 系統(tǒng)區(qū)間設(shè)備覆蓋半徑盡管較 WLAN 系統(tǒng)有所增加，但是仍然在 1km 范圍內(nèi)，這樣在很多大長區(qū)間環(huán)境下應(yīng)用不便，列車提速后需要在多個小區(qū)間頻繁切換。

5 LTE 系統(tǒng)的應(yīng)用前景及開發(fā)方向

LTE 系統(tǒng)引入了 OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用）和 MIMO（Multi-Input & Multi-Output，多輸入多輸出）等關(guān)鍵傳輸技術(shù)，顯著增加了頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率，并支持多種帶寬分配， 在 20mHz 頻譜帶寬條件下能夠提供下行100 Mbps、上行 50mbps 的峰值速率，可以滿足多監(jiān)控終端的上傳數(shù)據(jù)需求。根據(jù) LTE 技術(shù)特點，可綜合承載信號控制 CBTC 業(yè)務(wù)、集群調(diào)度業(yè)務(wù)、緊急文本下發(fā)、PIS 及車載 CCTV 業(yè)務(wù)。

6 結(jié)束語

LTE 技術(shù)較 WLAN 技術(shù)有非常大的改進，可最大限度保證丟包率、切換時延、吞吐率等性能穩(wěn)定，并具有高帶寬，可以更好地適應(yīng)高速運動場景，同時安全機制和抗干擾技術(shù)可以保證無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的安全可靠傳輸。隨著無線通信技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，國內(nèi)基于 LTE 無線通信技術(shù)的城市軌道交通線路已有多條順利開通，且多為綜合承載業(yè)務(wù)，為 LTE 技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用提供了很好的典型范例，而 LTE 的技術(shù)優(yōu)勢也為城市軌道交通提供了強有力的保障。因此， LTE 技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通是行業(yè)的發(fā)展趨勢。

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