基于LTE的地鐵無(wú)線(xiàn)通信業(yè)務(wù)的應(yīng)用研究

李長(zhǎng)進(jìn)

（南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210012）

0 引 言

城市軌道交通無(wú)線(xiàn)通信業(yè)務(wù)有如下3種需求：對(duì)車(chē)廂進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而提高列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的安全性；通過(guò)車(chē)載PIS業(yè)務(wù)和車(chē)內(nèi)寬帶接入業(yè)務(wù)提升乘客的出行體驗(yàn)；通過(guò)承載列車(chē)列控信息，對(duì)列車(chē)的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控?；贚TE（Long Term Evolution）無(wú)線(xiàn)通信的集語(yǔ)音、視頻和數(shù)據(jù)為一體的寬帶數(shù)字集群技術(shù)可以滿(mǎn)足高寬帶、高可靠性業(yè)務(wù)需求。

1 傳統(tǒng)車(chē)地?zé)o線(xiàn)與LTE技術(shù)對(duì)比

基于WLAN的傳統(tǒng)車(chē)地?zé)o線(xiàn)具有如下幾種問(wèn)題。（1）信號(hào)覆蓋距離短、信號(hào)穩(wěn)定性差，特別是高速場(chǎng)景下的業(yè)務(wù)可靠性差。（2）列車(chē)在AP之間頻繁切換造成的頻繁漫游，容易造成實(shí)時(shí)視頻流的中斷和產(chǎn)生馬賽克。（3）網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題。使用公共的WLAN頻段，容易受到公共頻道干擾，存在一定的網(wǎng)絡(luò)安全甚至是行車(chē)安全隱患。（4）產(chǎn)生管理問(wèn)題。線(xiàn)路多、隧道區(qū)間長(zhǎng)導(dǎo)致AP設(shè)備多，設(shè)備管理和維護(hù)難度增大。

軌道交通車(chē)地?zé)o線(xiàn)業(yè)務(wù)需求場(chǎng)景中：CBTC為上下行低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)需求需要提供雙向、連續(xù)、高可靠的車(chē)地?zé)o線(xiàn)傳輸通信；乘客PIS業(yè)務(wù)則以下行數(shù)據(jù)為主，向乘客提供各類(lèi)信息節(jié)目播放；車(chē)載CCTV業(yè)務(wù)則以上行數(shù)據(jù)傳輸為主，將列車(chē)實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像上傳到控制中心供調(diào)度指揮人員查看。通過(guò)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的分析可知，需要為車(chē)地之間的數(shù)據(jù)、圖像、視頻等多種業(yè)務(wù)提供實(shí)時(shí)性和高可靠性的無(wú)線(xiàn)傳輸通道。地鐵車(chē)地?zé)o線(xiàn)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)一般如表1所示。

表1 地鐵無(wú)線(xiàn)承載業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)

LTE（Long Term Evolution）是由3GPP組織制定的UMTS（通用移動(dòng)通信系統(tǒng)）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)期演進(jìn)。由于引入了OFDM（正交頻分復(fù)用）和MIMO（多輸入多輸出）等關(guān)鍵通信技術(shù)，大大增加了數(shù)據(jù)的傳輸速率和頻譜效率[1]。在20 MHz頻譜帶寬下能提供下行100 Mb/s、上行50 Mb/s的峰值速率，國(guó)內(nèi)軌道交通行業(yè)可供劃分使用的LTE頻段為1.785～1.805 GHz[2]。

LTE車(chē)地?zé)o線(xiàn)具有如下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)[3]。

第一，LTE提供有效的抗干擾技術(shù)，能夠確保無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)體驗(yàn)和行車(chē)安全。相比WIFI，LTE有著更好的信道結(jié)構(gòu)，頻點(diǎn)之間的相互干擾大大減少；LTE有著更好的接收靈敏度，傳統(tǒng)WIFI低于-90 dBm時(shí)基本無(wú)法滿(mǎn)足數(shù)據(jù)要求，LTE低至-120 dBm時(shí)仍能滿(mǎn)足數(shù)據(jù)要求；LTE技術(shù)有著系統(tǒng)化的抗干擾技術(shù)。

第二，LTE可實(shí)現(xiàn)高移動(dòng)性、無(wú)縫切換，保證業(yè)務(wù)連續(xù)性。LTE下，設(shè)計(jì)時(shí)速能達(dá)到430 km/h，能夠滿(mǎn)足目前車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信的所有場(chǎng)景，同時(shí)做到無(wú)縫切換、無(wú)數(shù)據(jù)丟失，切換時(shí)延小于50 ms。

第三，LTE具備多級(jí)QoS算法，保證網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的可靠傳輸，其帶寬基于業(yè)務(wù)需求按需分配，擁塞時(shí)確保最高優(yōu)先級(jí)用戶(hù)業(yè)務(wù)的QoS，如CBTC業(yè)務(wù)。

2 基于LTE車(chē)地?zé)o線(xiàn)的應(yīng)用

本系統(tǒng)基于南京地鐵寧高城際線(xiàn)系統(tǒng)方案，介紹LTE車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信技術(shù)在南京地鐵的首次應(yīng)用。系統(tǒng)主要由核心網(wǎng)設(shè)備EPC、網(wǎng)管系統(tǒng)、基站eNB及車(chē)載接入終端TAU組成，整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基于IP的扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其中，EPC、網(wǎng)管系統(tǒng)設(shè)置在控制中心通信機(jī)房，通過(guò)專(zhuān)用傳輸網(wǎng)絡(luò)與位于車(chē)站通信機(jī)房的BBU連接，BBU通過(guò)光纖與機(jī)房?jī)?nèi)的RRU和軌旁R RU連接。

根據(jù)地鐵無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)的承載需求，同時(shí)基于網(wǎng)絡(luò)的可靠性保證的考慮，寧高城際線(xiàn)LTE系統(tǒng)采用了A/B雙網(wǎng)冗余的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中A網(wǎng)分配5 MHz頻譜帶寬組網(wǎng)，包括無(wú)線(xiàn)接入A網(wǎng)和核心A網(wǎng)；B網(wǎng)絡(luò)分配15 MHz頻譜帶寬組網(wǎng)，包括無(wú)線(xiàn)接入B網(wǎng)和核心B網(wǎng)，A、B雙網(wǎng)并行工作。A、B網(wǎng)覆蓋整個(gè)正線(xiàn)及試車(chē)線(xiàn)線(xiàn)路，整體業(yè)務(wù)劃分和帶寬劃分如圖1所示。

圖1 承載業(yè)務(wù)和帶寬劃分

在地鐵控制中心的專(zhuān)用通信機(jī)房集中放置中心設(shè)備，包括LTE核心網(wǎng)子系統(tǒng)EPC、網(wǎng)管子系統(tǒng)OMC、路由器和交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備及電源系統(tǒng)等配套設(shè)備。信號(hào)系統(tǒng)列控CTBC信息和PIS、車(chē)載CCTV等承載業(yè)務(wù)的接入通過(guò)路由器來(lái)匯聚實(shí)現(xiàn)，并滿(mǎn)足不同承載業(yè)務(wù)之間的網(wǎng)絡(luò)安全和隔離。與無(wú)線(xiàn)調(diào)度平臺(tái)、網(wǎng)管、基站信息的交互則通過(guò)交換機(jī)接入實(shí)現(xiàn)。

在車(chē)站、車(chē)輛段通信室內(nèi)設(shè)置分布式基站的BBU設(shè)備，BBU通過(guò)RJ45電口接入交換機(jī)后與專(zhuān)用傳輸系統(tǒng)設(shè)備連接，完成EPC與BBU所需的IP連接通道；BBU通過(guò)光纖與設(shè)備室的RRU和軌旁的RRU連接。

在區(qū)間線(xiàn)路上按照需要在設(shè)備室或軌旁設(shè)置射頻單元RRU設(shè)備，包括了RRU設(shè)備、相關(guān)的光纖及漏泄電纜，進(jìn)行區(qū)間的信號(hào)覆蓋。采用與800M Tetra合用漏纜的方式，因此每個(gè)通信設(shè)備室會(huì)部署RRU設(shè)備與機(jī)房?jī)?nèi)的TETRA設(shè)備進(jìn)行前端合路，合路后的信號(hào)接入軌旁的漏纜中；對(duì)于長(zhǎng)區(qū)間，需要加設(shè)RRU設(shè)備的，將RRU直接設(shè)置在軌旁，通過(guò)帶通合路器接入到漏纜中，確保800 MHz信號(hào)的接入，或與Tetra光纖直放站合路后接入漏纜中。

在列車(chē)兩端的設(shè)備柜內(nèi)分別設(shè)置一套TAU設(shè)備，與承載業(yè)務(wù)系統(tǒng)的車(chē)載設(shè)備通過(guò)車(chē)載交換機(jī)相連，從而實(shí)現(xiàn)乘客信息系統(tǒng)PIS的音視頻下發(fā)、車(chē)載CCTV監(jiān)控視頻的上傳以及列控CBTC控制信息和列車(chē)狀態(tài)信息的傳輸。圖2為A/B雙網(wǎng)覆蓋示意圖。

圖2 A/B雙網(wǎng)覆蓋示意圖

由圖2可知，基于LTE技術(shù)的車(chē)地?zé)o線(xiàn)雙網(wǎng)冗余覆蓋設(shè)計(jì)，雙網(wǎng)同時(shí)冗余承載方式工作，A、B雙網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)不存在主備之分，同時(shí)承載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；能夠滿(mǎn)足多場(chǎng)景情況全覆蓋，能夠確保網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)，保證無(wú)線(xiàn)信號(hào)質(zhì)量；特別是信號(hào)系統(tǒng)列控CBTC數(shù)據(jù)的優(yōu)先可靠，核心網(wǎng)、基站設(shè)備及車(chē)載無(wú)線(xiàn)終端重要單板均采用冗余配置，能保證單板故障時(shí)的快速切換，具備業(yè)務(wù)可靠性高、移動(dòng)業(yè)務(wù)接入性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、終端掉線(xiàn)率低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足軌道交通各個(gè)業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求。

3 結(jié) 論

LTE寬帶無(wú)線(xiàn)技術(shù)是今后軌道交通無(wú)線(xiàn)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，本文結(jié)合地鐵無(wú)線(xiàn)通信常見(jiàn)業(yè)務(wù)，對(duì)比傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)和LTE技術(shù)的特點(diǎn)，闡述了地鐵無(wú)線(xiàn)應(yīng)用場(chǎng)景的需求和基于LTE技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。隨著我國(guó)軌道交通行業(yè)的蓬勃發(fā)展，LTE技術(shù)在地鐵中的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。