LTE技術在城市軌道交通車－地無線通信中的應用探討

文 | 單瑛 中鐵二院通號院

1 基于WLAN技術的車-地無線通信網絡兼容性分析

基于IEEE 802.11標準的WALN技術是城市軌道交通信號系統，目前主要可用的寬帶數據無線通信技術，該技術于2004年在國內運用，并成為國內城市軌道交通信號系統主流的車-地通信技術，已在北京、上海、廣州、深圳、成都、西安、杭州等城市廣泛運用。近年來，通信PIS系統可用的寬帶數據無線通信技術制式相對信號系統較多，但國內城市軌道交通已開通和正在實施中的線路采用WLAN方案占多數。綜上，目前城市軌道交通環境中車-地無線通信系統以兩張WLAN網絡共存的情況為主。

兩個無線通信網絡電磁兼容是工程實施中必須考慮的問題。根據已實施項目的實際使用情況，信號系統和PIS系統的電磁兼容主要有三個方案：

方案一：信號系統和PIS系統采用同一家WLAN供貨商，將信號系統和PIS系統集成建設。例如，北京機場線采用該方案。

方案二：信號系統和PIS系統分別使用不同頻段，例如：信號系統使用2.4GHz頻段，PIS系統使用5.8GHz頻段或其它無線頻段。目前，上海地鐵10號線和西安地鐵2號線均采用該方案。

方案三：信號系統和PIS系統采用同頻段，當兩系統采用同頻段（如ISM頻段）時，在工程實施中一般采取以下三項措施以盡量減少相互間的干擾：選擇不同天線極化方向；合理規劃無線頻點；協調AP點位置。

2 目前城市軌道交通車-地通信存在的問題

車－地無線通信系統采用2.4GHz開放頻段，所有使用2.4GHz WLAN技術的設備均為信號無線車－地通信系統的干擾源，系統不可避免的會遭到民用通信產品（MiFi，WiFi，藍牙等）的干擾，可能導致信號車－地無線通信傳輸系統無法工作，影響信號系統的可用性。而且隨著將來無線智能城市的建設以及手機上網應用的普及，將會有更多的干擾源出現。而且近期發生的城市軌道交通信號系統車地通信受到民用3G熱點設備干擾，導致列車正常運行受到較為嚴重影響的情況已逐漸顯現，如2012年10月份以來，深圳蛇口線（2號線）、環中線（5號線）信號車－地無線受外界干擾，列車多次發生信號保護功能動作而產生的列車緊急制動，造成了列車嚴重晚點，使旅客大量滯留，產生較大的社會影響。成都、重慶等城市的城市軌道交通線路也發生了類似的情況。

3 LTE技術在車-地無線通信中應用的可行性分析

若要從根本上解決目前車－地無線通信中的干擾問題，保證信號系統可靠、穩定工作，只能通過采用專用頻段及更先進的無線通信技術解決。因此，工業和信息化部無線電管理局正在開展城市軌道交通采用專用頻段的前期調研工作。

城市軌道交通車－地通信系統主要應具備以下幾個特點：高可靠性、高數據業務傳輸速率和低數據傳輸時延、良好的移動性能。LTE技術較WLAN技術可以更好的滿足上述需求[1]。

第一，LTE系統采用扁平化組網方案，簡化了網絡架構，減少了網元數量，系統可靠性高。

第二，LTE技術的數據業務速率和頻譜利用率高，優于窄帶系統TETRA、GSM-R，也優于WIFI、WiMAX。

第三，LTE系統采用扁平化網絡結構，有效地縮短了端到端的數據傳輸時延，更加滿足城市軌道交通特別是信號系統的應用需求。

第四，LT E技術可支持高達350km/h的移動性能，雖然城市軌道交通列車移動速度一般不會大于100km/h，但會造成由于移動性而導致的數據傳輸性能下降。

第五，LTE系統具有頻譜靈活性特點，可支持不同大小的頻譜分配，可在不同大小的頻譜中部署，包括1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz，以及20MHz，支持成對和非成對頻譜。

4 信號與PIS共享LTE車-地無線通信網絡可行性分析

信號CBTC系統承載安全信息，對數據傳輸實時性、丟包率、安全性要求高，但數據量較小；PIS系統承載的為非安全性信息，數據量大，但對時延、丟包率要求相對較低[2]。

結合LTE方案提供的網絡通信條件，為充分利用寬帶移動通信平臺的能力、實現資源共享和投資最大化，信號CBTC系統和PIS系統在理論上可以共用車－地無線通信網絡，可以通過設定不同優先級的方式保證信號系統信息的可靠傳輸。

5 LTE在車－地無線通信應用中的頻段選擇

3GPP組織在制定LTE協議的時候已經制定了頻率范圍，并且制定FDD與TDD各自的頻段，兼容了全球現有無線通信的頻段。

工業和信息化部于2013年12月4日向中國移動、中國電信和中國聯通頒發了TD－LTE的經營許可，中國移動1880 －1900 MHz、2320－2370 MHz、2575－2635 MHz；中國聯通的頻譜資源為2300－2320 MHz、2555－2575 MHz；中國電信的頻譜資源為2370－2390 MHz、2635－2655 MHz。FDD系統使用頻段尚未能確定。

為了推動新一代寬帶無線接入技術(含數字集群功能)在重點領域的行業應用，國家在政策和頻率上也給予大力支持。針對行業信息化應用的新需求，2008年無線電管理局發布了工信部無[2008]332號文擴展了1785－1805MHz頻段的業務應用范圍，不僅可以開展語音、低速數據等窄帶應用，也可以開展無線視頻傳輸等寬帶應用。

近年來，我國擁有自主知識產權的TD－LTE專網寬帶集群產品已在政務網和重點行業開展商用。目前，北京、天津等城市已部署基于TD-LTE技術的政務網，我國為TDLTE政務網分配了1447－1467MHz共20MHz試用頻率。

目前在中國可申請用于城市軌道交通車－地無線通信系統中頻段主要包括1.8G H z（1785－1805MHz）和1.4GHz(1447－1467MHz)?？紤]到信號系統車－地無線通信系統采用雙網同時工作的需求，且為了降低兩張網絡同頻干擾的概率、提高系統的可用性和可靠性，建議在1.8GHz和1.4GHz各申請一定頻段，建立異頻雙網。

[1] 沈佳，索士強等.3GPP長期演進（LTE）技術原理與系統設計[M]. 人民郵電出版社，2008.

[2] 李佳. 軌道交通PIS與CBTC無線組網技術及干擾分析研究 [J]. 鐵道工程學報，2011.（06）