LTE技術(shù)在長(zhǎng)春市地鐵1號(hào)線的應(yīng)用

程 鑫 王天怡

（北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037）

1 概述

乘客信息系統(tǒng)是依托多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心，以車(chē)站和車(chē)載顯示終端為媒介向乘客提供信息服務(wù)的系統(tǒng)。一方面系統(tǒng)通過(guò)車(chē)載設(shè)備在列車(chē)車(chē)廂進(jìn)行音視頻播放。另一方面，控制中心可以實(shí)時(shí)調(diào)看列車(chē)車(chē)廂內(nèi)的視頻監(jiān)控圖像，提升了地鐵處置車(chē)廂內(nèi)突發(fā)事件的能力。

系統(tǒng)要求保證圖像質(zhì)量，不能出現(xiàn)馬賽克、中斷等現(xiàn)象，因此車(chē)-地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)要有足夠的帶寬并且能夠保證車(chē)-地間信息的可靠傳輸。

2 技術(shù)選擇

2.1 無(wú)線帶寬需求分析

車(chē)地?zé)o線通信需要承載的業(yè)務(wù)主要包括CBTC、CCTV和PIS等。CBTC系統(tǒng)鑒于安全級(jí)別較高，本工程由信號(hào)系統(tǒng)單獨(dú)建設(shè)基于WLAN技術(shù)車(chē)地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)用于承載CBTC信息，通信系統(tǒng)單獨(dú)建設(shè)車(chē)地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)用于承載CCTV及PIS業(yè)務(wù)。

按照全線列車(chē)接收一路中心下發(fā)的信息，保證D1（720×576）的圖像質(zhì)量，采用MPEG-2編碼方式，需要帶寬約為8 M；每列車(chē)上傳2路圖像信息，按MPEG-4或H.264編碼方式，每路按2 M計(jì)算，需要的帶寬約為4 M。

車(chē)地傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要如表1所示。

表1 無(wú)線帶寬需求

由此可知，能夠保證無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的平均帶寬大于13.1 Mbit/s，即可滿(mǎn)足本線對(duì)帶寬需求，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻傳輸。

2.2 系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)的PIS車(chē)地?zé)o線主要包括數(shù)字移動(dòng)電視技術(shù)（DVB-T）、無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）、LTE、EUHT等技術(shù)。

2.2.1 DVB-T技術(shù)

數(shù)字移動(dòng)電視技術(shù)能滿(mǎn)足高清多媒體信息傳輸，它采用數(shù)字電視發(fā)射機(jī)將視頻信號(hào)傳輸?shù)杰?chē)載接收裝置。目前，國(guó)內(nèi)已在建設(shè)運(yùn)營(yíng)較早的深圳、南京等地的城市軌道交通中有所應(yīng)用。

優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)傳輸帶寬可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)傳輸高清視頻信號(hào)的要求，列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換，覆蓋效果較好。

缺點(diǎn)：系統(tǒng)是單向系統(tǒng)，只能發(fā)送下行信息到車(chē)廂，車(chē)廂內(nèi)的視頻監(jiān)視信息無(wú)法上傳。為實(shí)現(xiàn)雙向傳輸，必須增加其他輔助系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了投資。

2.2.2 WLAN技術(shù)

無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的一種移動(dòng)寬帶傳輸技術(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)先后經(jīng)歷802.11a、802.11g、802.11n和802.11ac標(biāo)準(zhǔn)。

該網(wǎng)絡(luò)目前可提供54 Mbit/s的帶寬（其中802.11n標(biāo)準(zhǔn)理論帶寬高達(dá)300 Mbit/s），穩(wěn)定帶寬約為15 Mbit/s，可滿(mǎn)足80 km/h運(yùn)行狀態(tài)下的視頻數(shù)據(jù)傳送需求。由于無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)成熟、產(chǎn)業(yè)化水平高，在目前國(guó)內(nèi)軌道交通PIS系統(tǒng)建設(shè)中，已開(kāi)通的線路車(chē)地?zé)o線雙向?qū)拵鬏斁W(wǎng)大部分采用此技術(shù)。

2.2.3 LTE技術(shù)

LTE項(xiàng)目是3G的演進(jìn)，改進(jìn)并增強(qiáng)了3G的空中接入技術(shù)，采用OFDM和MIMO作為其無(wú)線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。在20 MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100 Mbit/s與上行50 Mbit/s的峰值速率。

目前國(guó)內(nèi)有很多廠商能夠提供整套的LTE解決方案，產(chǎn)品成熟度較高，可選擇范圍大，但其工作頻段不能采用目前4G公用頻段，雖然工信部發(fā)布了“工業(yè)和信息化部關(guān)于重新發(fā)布1785-1805 MHz頻段無(wú)線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知”，但仍涉及頻率申請(qǐng)問(wèn)題。

2.2.4 EUHT技術(shù)

超高速移動(dòng)通信技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)EUHT）是我國(guó)自主研發(fā)的全球首個(gè)能夠解決“移動(dòng)寬帶一體化”的通信技術(shù)系統(tǒng)。目前，EUHT擁有超高速無(wú)線局域網(wǎng)等兩項(xiàng)中國(guó)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)號(hào)YD/T 2394.2-2012）。EUHT已全面推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化，京津城際、廣州地鐵6號(hào)線的EUHT商業(yè)示范線也于2016年10月底相繼建成。上海、深圳等城市也在計(jì)劃實(shí)施以EUHT技術(shù)為基礎(chǔ)的智能交通方案。

2.3 車(chē)-地?zé)o線技術(shù)選擇

為保證地鐵1號(hào)線2017年6月30日開(kāi)通試運(yùn)營(yíng)的目標(biāo)，各設(shè)備系統(tǒng)均于2015年完成招標(biāo)，中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)還并沒(méi)有發(fā)布“關(guān)于推薦城軌交通項(xiàng)目新建CBTC系統(tǒng)使用1.8G專(zhuān)用頻段和LTE綜合無(wú)線通信系統(tǒng)的通知”，因此，信號(hào)系統(tǒng)按WLAN技術(shù)進(jìn)行招標(biāo)建設(shè)。同時(shí)，工信部及國(guó)家無(wú)線電管理局從緊缺的無(wú)線頻段資源中明確1.8G作為城市軌道交通等行業(yè)專(zhuān)用頻段，經(jīng)與長(zhǎng)春市無(wú)委會(huì)溝通，同意批復(fù)1785-1795共10 M頻點(diǎn)用于地鐵建設(shè)車(chē)地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合信號(hào)的建設(shè)方案及LTE技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，本工程采用LTE技術(shù)組建車(chē)地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)，用于承載上行CCTV業(yè)務(wù)及下行PIS業(yè)務(wù)。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由車(chē)輛段和區(qū)間的射頻單元RRU、隧道多頻分合路器、漏纜（與專(zhuān)用無(wú)線合用），車(chē)站的LTE基站BBU、射頻單元RRU設(shè)備、合路器POI、GPS天線、控制中心的核心網(wǎng)控制單元設(shè)備、無(wú)線管理工作站以及列車(chē)上的無(wú)線接入設(shè)備（含天線）等組成。

車(chē)地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成如圖1所示。

3.2 無(wú)線覆蓋設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在隧道區(qū)間合用專(zhuān)用無(wú)線漏纜，在車(chē)輛段采用定向天線覆蓋。

3.2.1 車(chē)站附近隧道覆蓋

為車(chē)站的上下行隧道配置獨(dú)立的RRU，上下行隧道的漏泄同軸電纜分別連接到RRU上。

RRU的每個(gè)通道和TETRA系統(tǒng)使用一個(gè)合路器。

組網(wǎng)示意如圖2所示。

3.2.2 長(zhǎng)區(qū)間隧道覆蓋

通過(guò)鏈路預(yù)算設(shè)計(jì)，受限于上行鏈路，RRU單邊最大覆蓋可到680 m，考慮切換帶的重疊覆蓋區(qū)域?yàn)?0 m，建議RRU單邊覆蓋不超過(guò)640 m。

當(dāng)兩站之間站間距大于1 280 m時(shí)，區(qū)間增加RRU。

長(zhǎng)區(qū)間隧道組網(wǎng)示意如圖3、4所示。

3.2.3 車(chē)輛段覆蓋

車(chē)輛段覆蓋區(qū)域大，區(qū)域內(nèi)列車(chē)數(shù)量多，數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟l(fā)性高。采用4T4R型RRU，采用定向天線掛側(cè)墻安裝的方式進(jìn)行覆蓋。

3.2.4 無(wú)線RRU設(shè)備分布設(shè)計(jì)

RRU設(shè)備分布情況如表2所示。

表2 無(wú)線RRU設(shè)備分布表

3.3 切換設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中，無(wú)線越區(qū)切換的遲滯為2 dB，無(wú)線切換時(shí)延小于50 ms，保守計(jì)算取值100 ms，列車(chē)速度按照最大80 km/h，傳播模型按照漏纜每100 m損耗4.3 dB計(jì)算，切換帶在40 m左右。系統(tǒng)切換過(guò)程如圖5所示：在TAU終端接入LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)后，由網(wǎng)絡(luò)給TAU終端下發(fā)信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)測(cè)量消息，由TAU終端進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)。TAU給網(wǎng)絡(luò)上報(bào)測(cè)量報(bào)告消息，網(wǎng)絡(luò)側(cè)根據(jù)報(bào)告消息觸發(fā)切換動(dòng)作，讓TAU從原先小區(qū)切換到信號(hào)強(qiáng)度較好的小區(qū)。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)

1號(hào)線開(kāi)通之后，對(duì)LTE車(chē)地?zé)o線傳輸性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試區(qū)間為北環(huán)路站-紅咀子站，測(cè)試結(jié)果如表3所示。根據(jù)招標(biāo)文件，標(biāo)準(zhǔn)要求為雙向吞吐量≥15 Mbit/s，車(chē)→地吞吐量≥6 Mbit/s，地→車(chē)吞吐量≥8 Mbit/s。測(cè)試結(jié)果表明LTE車(chē)地?zé)o線通道性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 車(chē)地通信測(cè)試數(shù)據(jù)

續(xù)表

以目前的數(shù)據(jù)配置，各小區(qū)均已達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)：下載速率＞8 Mbit/s；上傳速率＞6 Mbit/s。除長(zhǎng)春站北廣場(chǎng)和北京大街站間由于不具備施工條件未開(kāi)通長(zhǎng)春站南廣場(chǎng)站不連續(xù)覆蓋，其余基站丟包率指標(biāo)正常、時(shí)延、站間切換正常、銜接順暢，實(shí)際直播效果良好，未出現(xiàn)卡屏、馬賽克等現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

TD-LTE技術(shù)在長(zhǎng)春地鐵1號(hào)線乘客信息系統(tǒng)的成功應(yīng)用和開(kāi)通，進(jìn)一步驗(yàn)證了LTE技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸速率高、切換更快、QoS等級(jí)保護(hù)多、運(yùn)營(yíng)維護(hù)量小等特點(diǎn)，提出的設(shè)計(jì)方案可對(duì)今后城市軌道交通無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供參考。根據(jù)中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì) “關(guān)于推薦城軌交通項(xiàng)目新建CBTC系統(tǒng)使用1.8G專(zhuān)用頻段和LTE綜合無(wú)線通信系統(tǒng)的通知”文件精神及LTE-M技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的逐步完善，未來(lái)在城市軌道交通領(lǐng)域LTE將發(fā)揮更大的作用。

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