LTE車地無線通信傳輸在城市軌道交通中的應用

賈建海

摘 要：LTE是一種具有中高速移動性管理能力、較高頻譜利用率、多業(yè)務優(yōu)先級調(diào)度機制的無線網(wǎng)絡技術(shù)，與當前城市軌道交通車地無線通信業(yè)務需求匹配度較高。因此，文章以LTE車地無線通信傳輸系統(tǒng)需求為切入點，闡述了LTE車地無線通信傳輸系統(tǒng)的應用方案，并對其應用效益進行了進一步分析。

關(guān)鍵詞：LTE;車地無線通信傳輸;城市軌道交通

0 前言

城市軌道交通迎來高速發(fā)展，截止至今，我國城市交通投資超1.228 9萬億，已開通的城市軌道交通線路超百條，里程總數(shù)近四千公里，僅2021年5月份全國45個城市軌道交通客運量就達到了22億人次。但從城市軌道交通車地無線專網(wǎng)解決方案上來看，其在安全性、綜合承載能力、可靠性等方面均呈現(xiàn)出“力不從心”?；诖耍瑢TE應用到城市軌道交通車地無線專網(wǎng)解決方案中就非常必要。

1 LTE車地無線通信傳輸系統(tǒng)需求

1.1 安全性

解決WLAN使用公用頻段被干擾問題，規(guī)避因公眾大量使用WLAN設備情況下信號受擾而引發(fā)的被迫停車事故。同時解決徹底無線專網(wǎng)傳輸中數(shù)據(jù)重傳、大量丟包等引發(fā)的PIS系統(tǒng)視頻馬賽克、CBCT系統(tǒng)制動停車問題[1]。

1.2 綜合承載能力

解決局域網(wǎng)無QoS保障機制導致的專網(wǎng)多頻點網(wǎng)絡分別承載服務的多網(wǎng)絡共存問題，提高車地無線傳輸運行維護效率，控制部署資本投入壓力。

1.3 可靠性

簡化切換接入點，維持網(wǎng)絡帶寬穩(wěn)定，在滿足寬帶化城市軌道交通服務需求的同時，解決80 km/h高速移動場景中無法平滑越區(qū)切換導致的業(yè)務數(shù)據(jù)丟失問題。

2 LTE車地無線通信傳輸?shù)膽梅桨?/p>

2.1 框架設計

如圖1所示，LTE車地無線傳輸結(jié)構(gòu)是針對軌道交通安全運營綜合業(yè)務需求而定制的專用通信系統(tǒng)，包括服務器、路由器與調(diào)度服務器、核心交換機、無線接入系統(tǒng)、數(shù)傳終端與監(jiān)控終端幾個模塊。其中路由器直接與列控CBTC、PSTN公話、Tetra集群、Internet相連，而無線接入系統(tǒng)包括CPRI、eRRU幾個部分，可以經(jīng)eBBU與WAN傳輸系統(tǒng)相連，實現(xiàn)全網(wǎng)均配置完全冗余，可以保障單點故障下的信號系統(tǒng)安全?；谲嚨匦畔鬏斶\送可靠性要求，針對相同的信息，在業(yè)務系統(tǒng)發(fā)送端選擇兩份數(shù)據(jù)發(fā)送形式，接收端也獲取同樣的兩份數(shù)據(jù)，此時，車地無線傳輸系統(tǒng)僅需保證其中一份數(shù)據(jù)傳輸正確性就可以完成bit/s端數(shù)據(jù)交互任務。

2.2 組網(wǎng)設計

LTE車地無線傳輸結(jié)構(gòu)總體設計需要根據(jù)城市軌道交通應用特征，根據(jù)高架車站、地下車站不同要求，選擇適應性較強的天饋方式[2]。網(wǎng)絡總體架構(gòu)包括車載終端、基站系統(tǒng)、核心網(wǎng)三個模塊，其中基站系統(tǒng)與組網(wǎng)實現(xiàn)緊密相關(guān)，包括BBU（基帶單元）、RRU（遠端射頻單元），具體如下：

如圖2所示，控制中心是LTE系統(tǒng)核心網(wǎng)設備部署空間，上端業(yè)務接口、核心網(wǎng)交換機可以直接相連，與傳輸系統(tǒng)骨干網(wǎng)環(huán)狀連接，進而與地面PIS系統(tǒng)設備相連接。核心網(wǎng)可以通過接口連接的方式與基站系統(tǒng)BBU相連，基站系統(tǒng)BBU主要放置在通信設備室內(nèi)，經(jīng)LTE骨干網(wǎng)與核心網(wǎng)建立信息交互。與此同時，沿列車行駛路線，在折返線、正線車站、車輛段出/入段、停車線等區(qū)域進行RRU部署，實現(xiàn)無線信號全面覆蓋。在這個基礎(chǔ)上，于列車編組的前后司機車廂（司機車廂車頂、下方左側(cè)與右側(cè)相對中軸線位置）內(nèi)進行TAU（車載終端車載無線模塊）部署，避免漏纜、天線遮擋對車地無線傳輸效率的影響。進而在車端頭、端尾部設置一套TAU的情況下，經(jīng)以太網(wǎng)接口，將TAU與車載交換機、車載PIS設備相連，實現(xiàn)車到地的點對點連接。

2.3 優(yōu)化配置

在車到地點對點連接的基礎(chǔ)上，考慮到LTE在頻域上資源塊（RB）占用頻寬帶寬為200 kHz（含隔離帶寬），包括若干個子載波頻段，時域上每一時隙為0.5 ms，可以為7個符號傳輸提供依據(jù)。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，可以獲得調(diào)制方式改變情況下LTE車地無線傳輸系統(tǒng)理論最大吞吐率計算公式為：

（1）

（1）中RB為LTE在頻域上資源塊，b為對應調(diào)制方式下LTE每一子載波攜帶信息bit數(shù)。在信道環(huán)境中，LTE自適應調(diào)制方式包括64QAM、QPSK、16QAM幾種類型，其子載波所攜帶的信息為6 bit、2 bit、4 bit;NRB表示對應帶寬下資源塊數(shù)量，在帶寬為5 MHz時資源塊數(shù)量為25個。將上述數(shù)據(jù)代入（1）中可以得出：在帶寬為5 MHz時，不考慮LTE自適應信道編碼形成信息冗余的情況下，64QAM調(diào)制方式下理論最大吞吐率為25 200 kbit/s，QPSK調(diào)制方式下理論最大吞吐率為8 400 kbit/s，16QAM調(diào)制方式下理論最大吞吐率為16 800 kbit/s。

在確定LTE車地無線通信傳輸理論最大吞吐率的情況下，可以根據(jù)城市軌道交通地下區(qū)間泄露電纜覆蓋特點，在信號系統(tǒng)子系統(tǒng)頻段為1 720 MHz～1 735 MHz/1 815 MHz～

1 830 MHz時，分析上下行同頻相鄰區(qū)對LTE車地無線傳輸?shù)母蓴_。為避免干擾引發(fā)小區(qū)邊緣信噪比最大導致的信道切換延遲，可以分別在上行信道、下行信道引入調(diào)度優(yōu)化算法、業(yè)務異頻調(diào)度方式，提高核心網(wǎng)中心數(shù)據(jù)吞吐能力。

3 LTE車地無線通信傳輸?shù)膽眯б?/p>

3.1 高強度干擾下信號屏蔽

在面對干擾源-45 dbm極高強度干擾下，LTE車地無線通信傳輸可以通過車載天線+地面漏纜布放工程化抗干擾措施，配合優(yōu)化上行調(diào)度算法，將干擾控制在最低水平，在保證上行業(yè)務帶寬精確性、高效性的同時，滿足CBTC業(yè)務正常開展需要[3]。

3.2 多業(yè)務優(yōu)先級承載保障

在面對列車狀態(tài)監(jiān)測、傳輸CBTC、車載視頻監(jiān)控乘客信息等多業(yè)務傳輸需求時，LTE車地無線通信傳輸可以提供9級QoS保障機制，根據(jù)各業(yè)務對時延、可靠性的要求，分別對軌道交通業(yè)務、低優(yōu)先級業(yè)務進行定制化優(yōu)先級匹配與需求帶寬控制。

3.3 高速移動下可靠傳輸

在面對每小時200公里高速移動場景下列車車地通信傳輸要求時，LTE車地無線通信傳輸可以根據(jù)軌道交通特性，適時引入基于頻偏的切換技術(shù)，通過自動頻率控制進行無線鏈路穩(wěn)定性的切換，滿足高速場景下的傳輸穩(wěn)定性要求。

4 總結(jié)

綜上所述，LTE車地無線通信傳輸系統(tǒng)可以為城市軌道交通安全、可靠運營提供技術(shù)支撐。因此，為了順利發(fā)揮LTE車地無線通信傳輸“高強度干擾下信號屏蔽”、“多業(yè)務優(yōu)先級承載保障”、“高速移動下可靠傳輸”功能，各地可以LTE作為統(tǒng)一承載網(wǎng)絡，在互聯(lián)互通規(guī)范指導下，進行車地無線傳輸系統(tǒng)架構(gòu)的組建以及網(wǎng)絡部署。在這個基礎(chǔ)上，借鑒已有LTE車地無線通信系統(tǒng)業(yè)務承載經(jīng)驗，進一步完善多線路制式下的QoS保障機制，全面優(yōu)化LTE部署方案。

參考文獻：

[1]萬建.淺析車地無線通信傳輸系統(tǒng)構(gòu)成及原理[J].技術(shù)與市場，2019（6）：149-150.

[2]劉洋.城市軌道交通全自動運行模式下的車地無線綜合通信網(wǎng)絡方案分析[J].城市軌道交通研究，2019（12）：22-25.

[3]李晨晨，臧海娟.基于LTE的車地無線通信安全性增強的研究和進展[J].通信技術(shù)，2018（7）：1716-1721.