LTE-M系統(tǒng)可靠性研究及綜合承載設(shè)計(jì)探究

馮杰，趙宗耀

（北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司云南京建軌道交通投資建設(shè)有限公司，昆明650000）

1 引言

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，城市網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程的步伐逐漸加快，網(wǎng)絡(luò)擁堵以及資源能耗問(wèn)題越來(lái)越突出，城市軌道交通建設(shè)中的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用也面臨著諸多問(wèn)題。隨著軌道交通運(yùn)行里程的不斷增加，網(wǎng)速滯后這一問(wèn)題也日益凸顯。列車在高速行駛過(guò)程中，傳統(tǒng)的WLAN網(wǎng)絡(luò)通信信號(hào)不穩(wěn)定，干擾源較多等問(wèn)題越來(lái)越明顯，而LTE-M系統(tǒng)能夠有效解決WLAN存在的問(wèn)題，為列車安全穩(wěn)定的運(yùn)行提供保障。

2 LTE-M系統(tǒng)簡(jiǎn)述

2.1 運(yùn)行方式

LTE-M系統(tǒng)是對(duì)下一個(gè)移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的定義，分為頻分雙工（FDD）與時(shí)分雙工（TDD）2種方式。FDD主要是通過(guò)2個(gè)相對(duì)獨(dú)立的頻率信道接收與發(fā)送信息。為了有效減少不同信道之間相互干擾的情況，設(shè)置有專門(mén)的保護(hù)頻段間隔。通過(guò)成對(duì)的頻段，能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)發(fā)送與接收同時(shí)進(jìn)行，因此，F(xiàn)DD可以有效減少信號(hào)反饋時(shí)間。TDD主要是根據(jù)時(shí)間區(qū)分發(fā)送與接收信道，在不同時(shí)隙傳輸信號(hào)，TDD對(duì)于頻段在對(duì)稱性方面沒(méi)有特殊的要求，且配置頻率比較靈活，可全面使用頻段資源。因接收與發(fā)送信號(hào)在同一頻率，加上傳播特性的影響，使信道測(cè)量減少，降低了移動(dòng)終端處理的復(fù)雜。

2.2 LTE（長(zhǎng)期演進(jìn)）關(guān)鍵技術(shù)

OFDM（正交頻分復(fù)用技術(shù)）可以充分利用頻譜資源的新型多載波傳輸方式，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是對(duì)信號(hào)頻段進(jìn)行劃分，從而形成多個(gè)不重疊的頻率子通道，這樣能夠有效減少信道之間的相互干擾，但是無(wú)法高效利用頻譜資源，OFDM可以將信道逐漸劃分為多個(gè)信道，波載之間是能夠相互重疊的，這樣能夠充分利用頻譜資源逐步實(shí)現(xiàn)多載波通信[1]。

MIMO（正交頻分復(fù)用技術(shù)）通常主要指的是發(fā)送端與接收端二者分別采用天線對(duì)信號(hào)進(jìn)行發(fā)送與接收的一種術(shù)，該技術(shù)通過(guò)天線空間的獨(dú)立性能夠大幅度提升數(shù)據(jù)的實(shí)際傳輸速率，從而有效改進(jìn)通信質(zhì)量。

該技術(shù)的可靠性非常高，且同時(shí)具備FEC高效率等優(yōu)勢(shì)，當(dāng)檢測(cè)到發(fā)射端的數(shù)據(jù)出錯(cuò)的情況下，發(fā)送端會(huì)再次傳送數(shù)據(jù)幀，從而有效還原出源數(shù)據(jù)，能夠有效減少誤碼率，也能有效保障時(shí)延以及提高信道的適應(yīng)性。

3 提高LTE-M系統(tǒng)可靠性的有效措施

3.1 提高硬件設(shè)備可靠性

單網(wǎng)覆蓋方式需要的設(shè)備相對(duì)較少，系統(tǒng)出現(xiàn)故障的具體類型也比較少，在設(shè)備維護(hù)工作過(guò)程中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)可靠性與雙網(wǎng)覆蓋的方式相比較低，設(shè)備一旦失效，會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)故障，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法正常穩(wěn)定傳輸。所以，選擇可靠性比較高的設(shè)備能夠有效避免設(shè)備突發(fā)性失效從而導(dǎo)致系統(tǒng)故障，大幅度提升系統(tǒng)的可靠性。

3.2 提高設(shè)備冗余度

故障樹(shù)分析法系統(tǒng)失效度原則，冗余設(shè)備的總失效度是各個(gè)不同設(shè)備失效度之積，也能夠充分說(shuō)明設(shè)備的冗余度越高，系統(tǒng)的總失效度也就越低，適當(dāng)?shù)靥嵘鄬?duì)比較薄弱環(huán)節(jié)設(shè)備的冗余度，能夠有效提高LTE-M系統(tǒng)的整體可靠性。

3.3 強(qiáng)化定期維護(hù)和日常檢測(cè)

設(shè)備突然失效具有偶然性和不可預(yù)測(cè)性，為了盡可能地減少系統(tǒng)設(shè)備突然失效對(duì)系統(tǒng)造成的不利影響，在日常設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，要加強(qiáng)日常檢測(cè)和定期維護(hù)，只有這樣，才能最大限度地保障系統(tǒng)設(shè)備的穩(wěn)定性。

4 LTE-M系統(tǒng)綜合承載設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求

4.1.1 CBTC業(yè)務(wù)

CBTC（列車自動(dòng)控制系統(tǒng)）主要是通過(guò)精準(zhǔn)度非常高的定位設(shè)備建立雙向通行，傳輸列車的具體運(yùn)行位置、速度等相關(guān)授權(quán)信息，使地面與車載之間形成連續(xù)的運(yùn)行控制系統(tǒng)。主要是為了保障列車的實(shí)際運(yùn)行安全間隔，并組織單向及雙向連續(xù)性發(fā)車，針對(duì)路線狀況和條件實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的控制和調(diào)度，其主要分為地面設(shè)備與車載設(shè)備2部分。地面設(shè)備包含監(jiān)控系統(tǒng)、區(qū)域控制器以及連鎖設(shè)備；車載設(shè)備包含自動(dòng)駕駛系統(tǒng)以及自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)，地面和車載設(shè)備之間主要通過(guò)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。地面設(shè)備在獲取列車運(yùn)行狀態(tài)與具體位置等相關(guān)信息之后，通過(guò)計(jì)算將其發(fā)送給車載設(shè)備，車載設(shè)備再結(jié)合自身的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)計(jì)算列車的運(yùn)行速度，控制列車安全平穩(wěn)的運(yùn)行。

4.1.2 PIS業(yè)務(wù)

城市軌道交通的出現(xiàn)和應(yīng)用極大地緩解了城市的交通壓力，隨著人們的需求逐漸發(fā)生變化，已經(jīng)不再滿足于當(dāng)前的文字信息與廣播服務(wù)，逐漸轉(zhuǎn)向新聞以及節(jié)目等多樣化的服務(wù)體驗(yàn)。PIS（智能交通地鐵系統(tǒng)）業(yè)務(wù)主要指的是控制中心將不同類型的視頻和圖像信息通過(guò)處理編輯之后根據(jù)相應(yīng)的規(guī)則授權(quán)在車廂內(nèi)播放，為乘客提供相關(guān)信息數(shù)據(jù)。乘客可以根據(jù)收聽(tīng)到的信息乘坐地鐵，PIS業(yè)務(wù)被廣泛應(yīng)用于城市軌道交通領(lǐng)域中[3]。

4.2 系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)方案

4.2.1 控制中心子系統(tǒng)

控制中心子系統(tǒng)主要是為CBTC（列車自動(dòng)控制系統(tǒng)）、PIS（智能交通地鐵系統(tǒng)）以及CCTV（閉路電視系統(tǒng)）提供車地寬帶無(wú)線接口、配套網(wǎng)管平臺(tái)以及核心網(wǎng)設(shè)備，核心網(wǎng)是LTE-M系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的部分，可提供雙向數(shù)據(jù)傳輸通道，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與轉(zhuǎn)發(fā)，維護(hù)與管理網(wǎng)絡(luò)，核心網(wǎng)設(shè)備通過(guò)接口和業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的連接，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的運(yùn)行。

4.2.2 車站子系統(tǒng)

車站子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)基站相關(guān)設(shè)備，車站需要布置BBU（基帶處理單元）以及RRU（射頻拉遠(yuǎn)模塊）基站設(shè)備，可通過(guò)交換機(jī)對(duì)核心網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行連接，一個(gè)BBU能夠同時(shí)連接多個(gè)RRU，RRU信號(hào)與系統(tǒng)其他信號(hào)合路敷設(shè)在小區(qū)區(qū)間，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)的覆蓋。

5 結(jié)語(yǔ)

在北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司承建的昆明地鐵4號(hào)線工程中，引進(jìn)了LTE-M的綜合業(yè)務(wù)承載無(wú)線網(wǎng)絡(luò)解決方案，用以解決列車行駛過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)的高移動(dòng)性、高帶寬、高可靠傳輸需求。在傳統(tǒng)WLAN網(wǎng)絡(luò)方式已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前發(fā)展需要的時(shí)期，LTE-M系統(tǒng)應(yīng)用的出現(xiàn)，有效提高了系統(tǒng)帶寬與數(shù)據(jù)傳輸速率，減少了干擾，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)WLAN網(wǎng)絡(luò)方式存在的缺陷，在今后也會(huì)得到進(jìn)一步應(yīng)用與發(fā)展。