LTE技術(shù)在廣州有軌電車信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案分析

譚庭浪

（廣州有軌電車有限責(zé)任公司，廣東廣州 510000）

LTE技術(shù)在廣州有軌電車信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案分析

譚庭浪

（廣州有軌電車有限責(zé)任公司，廣東廣州 510000）

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，頻譜資源愈發(fā)稀缺，WLAN 易受干擾問題不能滿足信號(hào)系統(tǒng)的安全性、可靠性要求，擁有頻譜資源優(yōu)勢的 LTE 技術(shù)被提出來應(yīng)用在城市軌道交通信號(hào)車地?zé)o線通信系統(tǒng)。從 WLAN、LTE 技術(shù)特點(diǎn)分析，結(jié)合廣州有軌電車海珠試驗(yàn)段的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)及廣州有軌電車侖頭線的線路情況，優(yōu)化信號(hào)車地?zé)o線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，提高車地?zé)o線通信系統(tǒng)的安全性、可用性及可靠性。

WLAN；LTE 技術(shù)；有軌電車；信號(hào)系統(tǒng)；車地通信

0 引言

信號(hào)系統(tǒng)對提高現(xiàn)代有軌電車的運(yùn)行效率和安全有重要作用，基于無線通信技術(shù)的車地通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)有軌電車控制與運(yùn)行的重要技術(shù)之一，車地通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性是整個(gè)有軌電車安全運(yùn)營的關(guān)鍵，在提高無線信號(hào)抗干擾能力的同時(shí)，還可降低有軌電車建設(shè)成本。

無線通信系統(tǒng)（DCS）具有寬帶、網(wǎng)絡(luò)化優(yōu)勢，為有軌電車信號(hào)系統(tǒng)提供雙向、可靠、安全的車地?cái)?shù)據(jù)信息傳輸和交換通道，該技術(shù)在軌道交通的應(yīng)用已較成熟。

1 侖頭線概況

廣州海珠環(huán)島新型有軌電車位于海珠區(qū)環(huán)島路和新港東路上，線路全長 41.08 km，7.7 km 的海珠試驗(yàn)段已于 2014 年 12 月開通試運(yùn)營。侖頭段線路規(guī)劃長 10.2 km，高架段長 0.9 km，共設(shè)置 12 座地面車站，平均站間距 0.93 km。最小站間距 605 m，最大站間距約 1 780 m（圖1）。

圖1 侖頭線規(guī)劃設(shè)計(jì)平面圖

侖頭線信號(hào)系統(tǒng)繼續(xù)采用無線通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)車地信息的安全、實(shí)時(shí)、可靠傳輸。侖頭線可研方案擬采用目前在軌道交通應(yīng)用較成熟的 2.4 GHz 無線通信技術(shù)。

2 WLAN 技術(shù)特點(diǎn)

無線通信系統(tǒng)作為車載設(shè)備和地面設(shè)備之間信息傳輸?shù)耐ǖ?，?yīng)具有較高的可靠性、可用性及安全性，系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸信息過程中能有效地避免黑客和非法信息的侵入。但是無線通信系統(tǒng)在城市軌道交通的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)證明，基于 WLAN 技術(shù)的車地?zé)o線傳輸網(wǎng)絡(luò)存在一些局限性。

2.1 信號(hào)易受干擾

基于 WLAN 技術(shù)的車地?zé)o線通信系統(tǒng)工作在2.4 GHz 不受保護(hù)的開放頻段，隨著寬帶互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，WLAN 用戶數(shù)量激增，所有使用 2.4G WLAN 技術(shù)的設(shè)備均可能成為車地?zé)o線通信系統(tǒng)的干擾源，影響城市軌道交通的安全運(yùn)營。

廣州有軌電車海珠試驗(yàn)段無線通信系統(tǒng)使用傳統(tǒng)的2.4 GHz 無線 WLAN 系統(tǒng)，由于易受外界干擾，在運(yùn)營過程中頻繁發(fā)生無線通信中斷的故障，給有軌電車運(yùn)營帶來較大的影響，同時(shí)也增加了運(yùn)營維護(hù)成本。

2.2 信號(hào)覆蓋距離短

WLAN 無線通信網(wǎng)絡(luò) 100 mW 的最大發(fā)射功率限制常用傳輸方式的信號(hào)覆蓋距離，無線接入點(diǎn)（AP）的信號(hào)覆蓋距離為 200 m 左右。為滿足信號(hào)覆蓋要求，海珠試驗(yàn)段在沿線安裝了大量 AP 及附屬設(shè)備，增加了建設(shè)成本。

由于 AP 的信號(hào)覆蓋距離較短，車載無線單元在軌旁AP間快速移動(dòng)所需的頻繁發(fā)射漫游切換過程會(huì)引起丟包率增加，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3 不適合綜合承載

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)不僅可承載信號(hào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，還可承載視頻、多媒體等多種業(yè)務(wù)。但現(xiàn)有 WLAN 技術(shù)無法對信號(hào)系統(tǒng)車地、列車視頻監(jiān)控及乘客信息系統(tǒng)的信息進(jìn)行優(yōu)先級調(diào)度，無法保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的實(shí)際使用帶寬，既有 WLAN 技術(shù)不適用于綜合承載。

海珠試驗(yàn)段的通信、信號(hào)、PIDS 等系統(tǒng)分別獨(dú)立建立了傳統(tǒng) WLAN 無線網(wǎng)絡(luò)，一定程度上增加了有軌電車的建設(shè)成本。

2.4 影響城市景觀

海珠試驗(yàn)段車站以地面建設(shè)為主，由于無線接入點(diǎn)（AP）的覆蓋范圍小，沿線需要布設(shè)數(shù)量龐大的 AP 天線及立桿，這樣的安裝方案對城市景觀造成較大影響，尤其對以旅游觀光為主的海珠線路景觀影響明顯，因此，以地面車站為主的有軌電車線路不適合大量安裝無線接入 AP 天線。

3 LTE 技術(shù)特點(diǎn)分析

長期演進(jìn)（LTE）是基于正交頻分多址（OFDMA）技術(shù)的先進(jìn)無線通信技術(shù)，作為一種先進(jìn)的無線通信技術(shù)，LTE 技術(shù)在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮了高吞吐率的需求，在 20 MHz 帶寬組網(wǎng)的情況下，峰值速率下行可達(dá)100 Mbit/s，上行可達(dá) 50 Mbit/s。LTE采用了正交頻分復(fù)用（OFDM）、多輸入多輸出（MIMO）及混合自動(dòng)重傳請求（HARQ）等先進(jìn)技術(shù)，有效提高了數(shù)據(jù)速率、頻譜效率和抗干擾性。隨著LTE技術(shù)的發(fā)展，LTE 技術(shù)更適合城市軌道交通多業(yè)務(wù)寬帶無線通信承載，LTE 技術(shù)相比 WLAN 網(wǎng)絡(luò)具有眾多的優(yōu)勢。

3.1 抗干擾能力強(qiáng)

相比 WLAN 網(wǎng)絡(luò)，LTE 技術(shù)有著完善的抗干擾能力。LTE 采用 OFDM 技術(shù)，具有完善的編碼、重傳和干擾抑制合并（IRC）機(jī)制，擁有毫秒級的調(diào)度機(jī)制，采用小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)（ICIC）技術(shù)進(jìn)行小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)，可根據(jù)干擾情況動(dòng)態(tài)調(diào)度資源，減少無線干擾的影響。

3.2 覆蓋范圍廣

LTE 小區(qū)的覆蓋范圍遠(yuǎn)大于 WLAN 無線接入點(diǎn)的覆蓋范圍。一方面，LTE 采用先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)，其設(shè)備的接收機(jī)靈敏度優(yōu)于 WLAN 設(shè)備的接收機(jī)靈敏度；另一方面，LTE 使用專用頻段，設(shè)備可以采用更高的發(fā)射頻率，覆蓋范圍理論上能達(dá)到 1.2 km 以上。

大距離的覆蓋，可以在系統(tǒng)建設(shè)中有效減少基站數(shù)量，減少沿線軌旁基站對城市景觀的影響，更適用于以地面車站為主的有軌電車線路。

3.3 業(yè)務(wù)優(yōu)先級調(diào)度

LTE 技術(shù)具備先進(jìn)的業(yè)務(wù)優(yōu)先級調(diào)度算法，可以根據(jù)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級對不同業(yè)務(wù)進(jìn)行調(diào)度。LTE 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了9 個(gè)調(diào)度優(yōu)先級，按照預(yù)定義的可能承載業(yè)務(wù)類型，根據(jù)對應(yīng)的優(yōu)先級進(jìn)行資源分配和調(diào)度。在城市軌道交通車地通信環(huán)境下，可以保證信號(hào)系統(tǒng)無線通信業(yè)務(wù)的高可靠性傳輸，有軌電車信號(hào)系統(tǒng)不會(huì)因通信、乘客信息系統(tǒng)（PIDS）等系統(tǒng)的接入而受到干擾。

4 侖頭線 LTE 技術(shù)方案

從 WLAN 及 LTE 技術(shù)特點(diǎn)分析可知，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，LTE 技術(shù)具有更高的安全性、可靠性及可用性，LTE 應(yīng)用于城市軌道交通的實(shí)踐案例逐漸趨于成熟?，F(xiàn)從 LTE 技術(shù)出發(fā)，以低成本、高可靠性、可用性為基礎(chǔ)，研究廣州有軌電車侖頭線無線通信的設(shè)計(jì)方案。

4.1 組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

從侖頭線規(guī)劃設(shè)計(jì)的車站里程可知，最大站間距為小洲村站至侖頭的 1 780 m，最大隔站的站間距為小洲路至侖頭的 2 460 m，其他站平均站間距為 827 m。在LTE 無線覆蓋正常的情況下，各站配置 1 套 LTE 基站可滿足全線信號(hào)覆蓋要求。

由 LTE 的技術(shù)特點(diǎn)可知，LTE 正常覆蓋范圍在1.2 km 以上。在以車站為單位設(shè)置 LTE 基站時(shí)，侖頭與小洲村、侖頭與小洲路站間距分別為1 780 m和2 460 m，存在以下 2 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)。

（1）若侖頭基站故障，小洲村基站的信號(hào)將不能滿足侖頭區(qū)域的覆蓋要求，易造成車地通信中斷，影響電車的正常運(yùn)行。

（2）若小洲村基站故障，雖然小洲路與侖頭站的信號(hào)覆蓋范圍在理論上可以滿足覆蓋要求，但在交匯處的信號(hào)強(qiáng)度已處于臨界點(diǎn)，考慮線路的外界因素影響，在該區(qū)域的無線信號(hào)強(qiáng)度也易造成車地通信中斷。

基于以上 2 項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)，從侖頭、小洲村的基站發(fā)射天線冗余設(shè)置方面解決，在侖頭、小洲村發(fā)射塔加裝信號(hào)發(fā)送天線，分別接入小洲村、侖頭基站，滿足這 2 個(gè)基站單點(diǎn)故障時(shí)無線信號(hào)的覆蓋要求。侖頭線 LTE 組網(wǎng)方案見圖2 所示。

4.2 方案成本分析

（1）侖頭線路長約 10.2 km，若以 2.4G 無線 WLAN技術(shù)方案布設(shè) AP 接入點(diǎn)，在紅藍(lán)冗余雙網(wǎng)分別安裝的情況下，正線共需 AP 電纜約 20.4 km。根據(jù)廣州有軌電車海珠試驗(yàn)段的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，無線 AP 電纜的價(jià)格在2 050 元/100 m，若按照LTE技術(shù)設(shè)計(jì)方案，基站發(fā)射塔電源直接由車站接入，將節(jié)約無線WLAN的AP沿線環(huán)網(wǎng)電纜建設(shè)成本約 41.82 萬元。

圖2 侖頭線 LTE 無線通信組網(wǎng)方案

（2）LTE系統(tǒng)具有擴(kuò)容性強(qiáng)的特點(diǎn)，在侖頭線 LTE系統(tǒng)建成投入運(yùn)營后，系統(tǒng)服務(wù)器的大容量可為后續(xù)有軌電車新線的建設(shè)預(yù)留接口，有效降低信號(hào)系統(tǒng)建設(shè)的成本。

（3）LTE 技術(shù)適合于多系統(tǒng)綜合承載，且具有業(yè)務(wù)優(yōu)先級調(diào)度功能，除信號(hào)系統(tǒng)的功能需求外，侖頭線通信、PIDS 等系統(tǒng)均可接入LTE網(wǎng)絡(luò)而不會(huì)對優(yōu)先級高的信號(hào)系統(tǒng)造成干擾，還可避免各專業(yè)獨(dú)立建網(wǎng)的現(xiàn)象，有效降低有軌電車建設(shè)成本。

5 結(jié)語

本文簡要對無線 WLAN 技術(shù)及 LTE 技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，LTE 技術(shù)可用于組建有軌電車信號(hào)系統(tǒng)車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)。從技術(shù)要求及項(xiàng)目成本控制方面考慮，結(jié)合廣州有軌電車海珠試驗(yàn)段的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)分析，建議廣州有軌電車侖頭線使用 LTE 技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)車地通信功能，采用紅、藍(lán)網(wǎng)雙網(wǎng)冗余設(shè)置，提高無線通信系統(tǒng)的抗干擾能力，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。

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責(zé)任編輯 冒一平

Analysis of LTE Design Scheme in Guangzhou Tram Signaling System

Tan Tinglang

With the development of wireless communication technology， spectrum resource is becoming increasingly scarce， and WLAN is prone to have interference problem which can not meet the requirements of the safety and reliability of the signaling system.LTE technology with spectrum resource advantage is proposed to be used in train-ground wireless communication system for transit signaling system.Based on the analysis of WLAN， LTE technical features and construction experience of Haizhu test section of Guangzhou tram and scenario of Luntou line of Guangzhou tram， the paper discuses the optimization of signaling wireless communication system design， improvement of the safety， availability and reliability of wireless communication system.

WLAN， LTE technology， tram， signaling system， train-ground communication

U231.7

譚庭浪（1985—），男，工程師

2016-02-18