長期演進（LTE）技術在地鐵無線通信中的應用

張成國 李文明

（南京電子技術研究所，210019，南京∥第一作者，碩士研究生）

長期演進（LTE）技術在地鐵無線通信中的應用

張成國 李文明

（南京電子技術研究所，210019，南京∥第一作者，碩士研究生）

介紹了現階段各種無線通信技術在軌道交通行業中的應用。針對地鐵的無線業務需求，提出了基于LTE（長期演進）技術的CBTC（基于通信的列車控制）、車載PIS（乘客信息系統）、車載CCTV（閉路電視）和語音視頻綜合調度三網合并應用方案，并給出了相應的LTE網絡架構。結合地鐵業務分析了LTE的技術優勢和LTE信道帶寬。從LTE的安全機制、數據丟包率、時延等方面對LTE在CBTC系統的應用情況進行討論。根據地鐵的LTE需求得出結論：三網合并方案在實現功能升級的同時能降低建設成本，降低維護成本，后期運營還可增加廣告收入；LTE無線通信在軌道交通行業具有良好的發展前景。

地鐵；無線通信；LTE；應用方案

First-author's addressNanjing Research Institute of Electronics Technology，210019，Nanjing，China

目前，城市軌道交通行業使用的無線通信技術主要有TETRA（陸上集群無線電）、GSM（全球移動通信系統）、CDMA（碼分多址通信）、3G（第三代移動通信技術）、Wi-Fi（無線局域網）等，按應用可分為商用無線通信、專用無線通信和列車控制無線通信。其中專用無線通信業務主要分為三部分：以TETRA為代表的語音調度業務；保障CBTC（基于通信的列車控制）的Wi-Fi網絡；車載PIS（乘客信息系統）與CCTV（閉路電視）的專用Wi-Fi網絡。如圖1所示。

圖1 城市軌道交通無線通信業務示意圖

三種業務各自獨立并單獨組網成本較高，且Wi-Fi網絡存在以下問題：Wi-Fi站址多，隧道內維護困難；Wi-Fi高速移動無法保障傳輸質量，無QoS（業務服務質量）保障機制；Wi-Fi天然免費開放頻率，干擾源多。另外，從建設、運營、維護成本考慮，TETRA、CBTC系統的Wi-Fi網絡及PIS與CCTV的專用Wi-Fi網絡投資較高，需優化。

城市軌道交通無線通信需完成以下任務：通過通信系統承載列控信息，通過車廂和軌道的視頻監控提高列車運行安全性，以車載PIS業務和車內寬帶接入業務提升乘客的出行體驗。面對以上需求，基于LTE（長期演進）無線通信的集語音、視頻和數據為一體的寬帶數字集群技術，本文提出軌道交通無線通信系統的應用方案：地鐵通信系統要用LTE網絡為CBTC、車載PIS、車載CCTV和語音視頻綜合調度提供通道，實現地鐵通信無線傳輸三網合并。

1 地鐵無線通信中的LTE應用方案

LTE是由3GPP（第三代合作伙伴計劃）組織制定的UMTS（通用移動通信系統）技術標準的長期演進。LTE系統引入了OFDM（正交頻分復用）和MIMO（多輸入多輸出）等關鍵傳輸技術，增加了頻譜效率和數據傳輸速率。軌道交通行業可供劃分使用的LTE頻段為1.785～1.805 GHz。

LTE專用網絡為CBTC、車載PIS、車載CCTV和語音視頻綜合調度提供通道，其應用方案如圖2所示。CBTC是保證地鐵控制信號實時和穩定傳輸的列車自動控制系統，因其安全性優先級等要求，本文先假定CBTC中LTE可替代Wi-Fi，再討論其可行性。

圖2 應用方案示意圖

本方案通過專頻雙網可靠通信設計、長距離覆蓋車地統一設計和車地一網多業務承載設計，解決城軌車地網絡目前存在的問題，提高運營效率。LTE網絡架構如圖3所示。控制中心存放各系統的核心設備；LTE網絡分為核心層、匯聚層和接入層，將控制中心與底層應用連接組網，經行數據交互保障各通信系統完整可靠。

2 LTE的優勢

2.1 LTE的抗干擾技術

LTE有著完善的抗干擾技術，在干擾檢測、干擾避免、干擾控制三個層面均優于Wi-Fi。首先，從干擾檢測層面來說，不同于Wi-Fi只能提供系統帶寬（20 MHz/40 MHz/80 MHz）級的信號強度檢測和反饋，LTE采用OFDM直載波調度，導頻設計使得時頻域均勻分配，保證了對信道時頻域變化的及時跟蹤，能夠實現2 ms的快速調度響應，使干擾檢測更及時、更準確。另外，LTE采用周期或非周期的及時反饋機制，多個終端可同時反饋，使得干擾反饋更及時。其次，在干擾避免方面，LTE也明顯優于Wi-Fi。LTE網絡具有完善的編碼、重傳和IRC（干擾抑制合并）機制，并擁有毫秒級的調度機制，可根據干擾情況動態調度資源。在檢測到干擾后，LTE可以通過頻選調度，根據每個終端的信道狀況優先分配干擾小、信號質量高的子帶頻率資源。同時，LTE還可以采取AMC（自適應調制編碼），根據信道干擾情況自適應調整調制與編碼策略。而Wi-Fi只能提供固定的、系統帶寬級（如20 MHz）的信道選擇，且由于頻點不足，該功能的實際效果非常有限。最后，從干擾控制角度來說，LTE擁有完善的功率控制機制，能夠有效控制整個網絡的干擾水平。為了控制信號干擾，LTE采取了多種干擾抑制算法和機制，如ICIC（小區干擾協調）干擾抑制算法和CoMP（協同多點）上行干擾控制等，來降低網絡的整體干擾水平。而Wi-Fi只能通過TPC（發射功率控制）來約束AP（無線訪問接入點）和SAT（用戶接入終端）的最大發射功率，干擾控制能力有限。LTE與Wi-Fi的抗干擾對比見表1。

圖3 城市軌道交通LTE系統網絡架構

表1 LTE與Wi-Fi抗干擾對比表

無論是發現、規避干擾，還是控制干擾，LTE都具有獨特的優勢，這使得LTE可獲得20 dB以上增益，大大提升了其抗干擾能力。

2.2 LTE的高移動性

LTE在移動性方面要優于Wi-Fi。Wi-Fi的覆蓋范圍較小，列車在運行過程中需要頻繁地重選和關聯新的AP，由此帶來的高時延會直接影響到網絡接入的穩定性。LTE采用的無縫切換算法、遠距離覆蓋等措施具有高移動性，能保證列車以200 km/h的速度運行時其延時小于50 ms。

2.3 LTE的高可靠性

LTE的多級QoS算法保證了網絡關鍵數據的可靠傳輸。QoS通常是在交換機或者路由器上設置的，包括設置帶寬、設置ACK（確認字符）或ICMP（網絡控制報文協議）優先級、限制P2P（對等網絡）、策略。在EPS系統中，QoS控制的基本粒度是EPS承載（Bearer）。即：相同承載上的所有數據流將獲得相同的QoS保障（如調度策略、緩沖隊列管理、鏈路層配置等），不同的QoS保障需要不同類型的EPS承載來提供。LTE具有9級QoS算法，按優先級劃分地鐵用戶業務，高優先級的優先傳輸，低優先級的盡量傳輸。LTE與Wi-Fi的可靠性比較見圖4。

圖4 LTE與Wi-Fi可靠性比較

2.4 LTE的信道

Wi-Fi網絡存在同頻及鄰頻干擾，LTE因為空中接口的獨特幀結構不存在同頻干擾問題，可組建同頻網絡節省帶寬。LTE基于15 k Hz子載波調度，可用20 MB組建同頻網絡，Wi-Fi基于20 MB信道選擇，需要20 MB×7=140 MB才能組建無干擾網絡。LTE可根據不同用戶需求動態分配傳輸信道，其頻譜示意圖如圖5所示。

圖5 LTE時頻譜資源配置示意圖

2.5 LTE的接收性能

圖6為列車運行時LTE與Wi-Fi的接收性能曲線，運行測試圖表明，相同的接收功率時，LTE可支持的列車速度明顯高于Wi-Fi；相同的列車速度時，LTE具有更高靈敏度，Wi-Fi在接收功率低于-90 dBm時無法接收數據，LTE在接受功率低至-130 dBm時仍能滿足低速數據需求。因此，同等情況下，相較Wi-Fi，LTE具有高移動和高接收性能。

2.6 LTE的地鐵業務帶寬分析

圖6 LTE與Wi-Fi接收性能比較

LTE在地鐵的實際應用中，上傳數據只有車載CCTV、CBTC系統、語音視頻綜合調度三部分，所需帶寬低于下行帶寬，故本文著重討論LTE網絡下行帶寬是否滿足需求。LTE網絡的理論下行峰值速率可達100 Mbit/s以上，上行峰值速率可達50 Mbit/s以上。PIS所需最低帶寬為8 M（按MPEG 2格式），考慮到車輛內部監控（車載CCTV）需4 M帶寬（每列車有多個攝像頭，同時只上傳2路圖像），則無線網平均帶寬應至少在12 M以上。帶寬是保障圖像高質量的最基本要求。國內外CBTC系統列車運行要求的傳輸帶寬為：列車高速移動時能滿足系統傳輸速率需求，最不利情況下傳輸帶寬不小于1 Mbit/s。

LTE無線通信可以為車載PIS、車載CCTV系統預留15 M帶寬，為CBTC系統預留3 M帶寬，為語音視頻綜合調度預留7 M帶寬。地鐵LTE實現三網（車載PIS和車載CCTV系統、CBTC系統、語音視頻調度三個通信網絡）合一所需帶寬共計25 M，LTE帶寬完全滿足地鐵功能需求。

3 LTE應用于CBTC的探討

國內大多數城市地鐵采用WLAN（無線局域網）技術或者LAN（局域網）與漏泄光纜的結合（或者TETRA多基站與中繼器和漏泄光纜的結合）承載CBTC和PIS系統，主要的出發點是基于技術和產品鏈的成熟度。本文從LTE的安全機制、數據丟包率、接入時延等方面探討LTE在CBTC中的應用。

（1）LTE的安全機制。LTE通過認證和密鑰協商過程實現用戶的所有操作。即安全密鑰生產和相互認證。LTE鑒權與密鑰協商過程是：通過AUC（鑒權中心）和USIM卡（用戶全球識別卡）中所共有的密鑰K來計算加密密鑰（CK）和完整性密鑰（IK），并由CK和IK作為基本密鑰計算一個新的父密鑰KASME，隨后由此密鑰產生各層所需要的子密鑰。即密鑰分層系統。密鑰分層推衍可防止上下級密鑰相互泄露等情況發生。LTE/SAE的AKA（第三代移動通信網絡的認證與密鑰協商協議）鑒權過程與UMTS中的AKA鑒權過程基本相同，其采用Milenage算法（尚未有攻破案例，安全性能高），繼承了UMTS中五元組鑒權機制的優點，實現了UE（用戶設備）和網絡側的雙向鑒權。雙向鑒權可抵抗地鐵中不良偽基站的攻擊，同時，128 bit密鑰長算法使破解難度增加。因此在安全性方面，LTE優于Wi-Fi，滿足CBTC的安全性要求。

（2）LTE的丟包率。丟包率是指測試中丟失數據包數量占所發送數據包的比率。國外同行theverge對號稱目前最穩定的美國VERIZON 4 G網絡做了一番測試，測試結果表明，即使在4 G網絡最成熟的美國，LTE的平均丟包率也高達30%。可見，LTE的丟包率過大，存在丟失關鍵數據的可能性，不符合CBTC安全穩定、成熟可靠的要求。

（3）LTE的時延。LTE對時延的具體要求為：用戶面單項傳輸時延小于5 ms；控制面從睡眠狀態到激活狀態時延小于50 ms，從駐留狀態到激活狀態的遷移時間小于100 ms。用戶面中斷時間不會超過100 ms。測試芬蘭最新建設的基于Teliasonera的LTE 4 G網絡，記錄的峰值下行速率為48 Mbit/s（平均值36.1 Mbit/s），平均延遲僅23 ms。延遲指標表明，LTE服務能滿足大部分地鐵無線通信的應用需求，包括VoIP、視頻流媒體甚至高清IPTV（時延值目前沒有行業標準，只有經驗值，在100 ms以下都屬于正常范圍）。

綜上所述，LTE無線網絡完全滿足車載PIS、車載CCTV和語音視頻綜合調度的技術要求，但不滿足CBTC系統低時延、低丟包等安全性要求。故本文所提三網合并方案中CBTC采用LTE網絡進行車地通信僅為示意，并不可行。

4 地鐵的LTE需求

（1）車載CCTV安全需求。車載CCTV通過LTE提供車地高清視頻傳輸業務，可實時監控車廂內的情況，為公安系統提供實時動態圖像傳輸，以應對緊急突發事件。在緊急情況下，本著運營安全信息優先使用的原則，可提供動態輔助性提示。車載設備接收系統無線傳輸的信息，經處理后轉發給車輛專業，以在列車客室內音、視頻播放，使乘客通過正確的服務信息引導，安全、便捷地乘坐軌道交通。

（2）車載PIS實時高清需求。車載PIS通過LTE提供車地高清視頻傳輸業務，可無延時實時放送重大新聞、重大賽事轉播、電視廣播節目等，大大增強了PIS的媒體實時性和平臺層次。

（3）語音集群調度增加視頻需求。TD-LTE視頻集群系統是在語音調度基礎上增加視頻調度、遠程監控、視頻會議、視頻聯動和智能分析等功能于一體的綜合音視頻集群通信系統，增加了調度的及時性、準確性。

（4）增值業務需求。LTE提供高清廣告等公共媒體實時信息投放平臺，可細分時間段進行廣告投放，根據不同時間段高峰人流量等統計數據細化廣告投放模式，實現運營盈利的科學化高效化管理。

LTE技術具有組網靈活、性價比高、擴展性好、業務提供能力強等優點，能滿足系統擴展性、維護管理、業務提供等方面的需求，也符合無線通信技術的發展趨勢。實施車載PIS、車載CCTV和語音視頻綜合調度無線融合方案技術優勢明顯，同時可降低投資成本，減少運營維護，增加運營廣告收益。可以預見，未來地鐵是LTE最重要的應用市場之一，而融合方案將是LTE應用于軌道交通的必然發展趨勢。

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同濟大學校友總會鐵道大學校友分會即將成立

經向同濟大學領導申報同意，同濟大學校友總會鐵道大學校友分會將于2015年5月18日正式成立。這是我們原上海鐵道大學、上海鐵道學院、上海鐵道醫學院廣大師生及全體校友值得慶幸的一件大事。

自2014年年初開始，同濟大學老科技工作者協會（簡稱同濟老科協）第五屆新的理事會，即把籌備成立同濟大學校友總會鐵道大學校友分會列為新年度工作的一項重要議程，并立即開展工作。經過近一年的籌備，現各項準備工作基本就緒，即將迎來召開成立大會的喜慶日子。

同濟大學校友總會鐵道大學校友分會的成立，為我們搭建了一個開展活動的平臺。我們可以借助這個平臺開展校友間的聯誼、交流與合作；通過這個平臺，我們可根據校友們的需求，為校友提供更好的服務；通過這個平臺，我們可以凝聚廣大校友的智慧與力量，為母校，乃至國家軌道交通事業的建設和發展，提供有力的支持和幫助?？傊覀兇_信，通過廣大校友的共同努力，一定能在為實現中華民族偉大復興中國夢的奮力拼搏中，奉獻出我們的一份光和熱！

我們熱誠地歡迎鐵路系統、城市軌道交通系統、全國各地及海內外的校友們立即與我們取得聯系，以推動我們的校友聯誼工作順利開展。我們熱切地期盼著！

聯系地址：上海市普陀區真南路500號霜紅廬三樓

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王守麗（13122007476）

張永聚（13764871053）

同濟大學老科技工作者協會

同濟大學校友總會鐵道大學校友分會籌備組

2014年12月25日

Application of Long Term Evolution Technology in Subway Wireless Communication

Zhang Chengguo，Li Wenming

Various wireless communication modes applied in rail transit industry are introduced.Aiming at the requirements for wireless business in subway，the combination scheme of 3 networks：CBTC，PIS（passenger information system）and CCTV（closed circuit TV）based on LTE technology is presented，the corresponding application scheme and network architecture is put forward.Combined with subway business，the technical advantages of LTE and channel bandwidth are analysed，the application of LET in CBTC system is discussed.The combination scheme of 3 networks can greatly reduce costs in construction，operation and maintenance while upgrading the performance，also increase the advertisement revenue in the operational period. LTE wireless communication will have a wide prospect in the development of urban rail transit industry.

subway；wireless communication；long term evolution（LTE）；application scheme

U 231.7

10.16037/j.1007-869x.2015.01.027

2014-04-10）