基于長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）技術(shù)的城市軌道交通車(chē) 地通信網(wǎng)絡(luò)研究＊

徐 彥 趙 嵩

（1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)車(chē)車(chē)輛學(xué)院，450052，鄭州；2.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院電子通信工程系，450015，鄭州∥第一作者，講師）

我國(guó)城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)（PIS）采用的車(chē)－地?zé)o線通信系統(tǒng)基本使用 WLAN（無(wú)線局域網(wǎng)）系列技術(shù)，如北京地鐵10號(hào)線PIS、西安地鐵2號(hào)線PIS等。但是，由于標(biāo)準(zhǔn)的 WLAN技術(shù)不支持快速移動(dòng)，載波偵聽(tīng)多路檢測(cè)技術(shù)影響系統(tǒng)吞吐率和QoS（業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量），導(dǎo)致 WLAN技術(shù)存在網(wǎng)絡(luò)的可靠性、抗干擾性及帶寬均無(wú)法保證的問(wèn)題，難以滿(mǎn)足城市軌道交通的通信需求。

鄭州軌道交通1號(hào)線一期工程于2013年年底通車(chē)運(yùn)行。在1號(hào)線的建設(shè)過(guò)程中，曾面臨車(chē)－地信息傳遞技術(shù)制式的選擇問(wèn)題。自2010年起，通過(guò)對(duì)802.11 WLAN、802.16 Wi MAX、Rail View、TD－LTE（分時(shí)長(zhǎng)期演進(jìn)）、DVB－T、MESH等多種無(wú)線技術(shù)的應(yīng)用情況進(jìn)行深入調(diào)研，結(jié)合國(guó)內(nèi)多家通信運(yùn)營(yíng)商的相關(guān)技術(shù)，及時(shí)提出了引入TDLTE技術(shù)的觀點(diǎn)，并根據(jù)鄭州軌道交通的實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況完成了技術(shù)方案研究。該方案已在鄭州軌道交通1號(hào)線一期工程最終得以實(shí)現(xiàn)。

1 LTE用于車(chē)－地?zé)o線通信的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1.1 LTE技術(shù)概述

LTE技術(shù)采用正交頻分復(fù)用（OFDM）、多輸入多輸出（MI MO）、自適應(yīng)調(diào)制編碼（A MC）及混合自動(dòng)重傳（HARQ）等技術(shù)，在20 MHz頻譜帶寬下能夠提供下行150 Mbit／s與上行75 Mbit／s的峰值速率，同時(shí)在改善小區(qū)邊緣用戶(hù)的性能、提高小區(qū)容量和降低系統(tǒng)延遲等方面有顯著提升。

LTE系統(tǒng)同時(shí)定義了頻分雙工（FDD）和時(shí)分雙工（TDD）兩種方式。鄭州市軌道交通1號(hào)線無(wú)線傳輸系統(tǒng)采用TDD－LTE制式。TDD－LTE具備頻譜申請(qǐng)靈活、上下行資源可調(diào)配等特點(diǎn)。LTE較WLAN的技術(shù)優(yōu)勢(shì)如表1所示。

表1 與WLAN相比LTE技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

基于LTE技術(shù)的車(chē)－地?zé)o線通信系統(tǒng)的高速移動(dòng)性、大帶寬性、有效實(shí)施性、先進(jìn)性、系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化、強(qiáng)擴(kuò)展性和包容性等優(yōu)勢(shì)，可滿(mǎn)足城市軌道交通車(chē)輛信息系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

1.2 車(chē)－地?zé)o線通信的需求分析

城市軌道交通車(chē)輛控制系統(tǒng)的信號(hào)和數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)車(chē)載設(shè)備與車(chē)站或控制中心進(jìn)行交換。通信信息主要分為服務(wù)類(lèi)、安全類(lèi)、數(shù)據(jù)類(lèi)和控制類(lèi)等。不同類(lèi)別的信息在傳輸時(shí)有具體的技術(shù)需求，如表2所示。

表2 城市軌道交通車(chē)－地?zé)o線通信需求

2 車(chē)－地?zé)o線通信實(shí)施方案

2.1 總體架構(gòu)

LTE車(chē)－地?zé)o線解決方案由控制中心級(jí)、車(chē)站級(jí)和車(chē)載級(jí)三層架構(gòu)組成，如圖1所示。

（1）控制中心級(jí)子系統(tǒng)：為PIS提供車(chē)－地寬帶無(wú)線系統(tǒng)接口、核心網(wǎng)設(shè)備及配套網(wǎng)管平臺(tái)。

（2）車(chē)站級(jí)子系統(tǒng)：由LTE基站及配套設(shè)備構(gòu)成。

（3）車(chē)載子系統(tǒng)：主要由車(chē)載無(wú)線設(shè)備（TAU）構(gòu)成，提供車(chē)載PIS的無(wú)線傳輸接口。

TD－LTE核心網(wǎng)設(shè)備與PIS控制中心分線交換機(jī)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)中心PIS信息在車(chē)－地?zé)o線傳輸系統(tǒng)的傳輸。接口為2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的100 Mbit／s、1 000 Mbit／s以太網(wǎng)接口。接口類(lèi)型為RJ45。

在車(chē)站站臺(tái)布置LTE基站的基帶處理單元（BBU）和射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）設(shè)備，覆蓋站臺(tái)周邊區(qū)域，根據(jù)無(wú)線信號(hào)覆蓋的要求在區(qū)間隧道布置RRU設(shè)備延伸無(wú)線覆蓋，實(shí)現(xiàn)與車(chē)載無(wú)線設(shè)備之間的無(wú)線數(shù)據(jù)通信。各LTE基站通過(guò)百兆以太網(wǎng)接入車(chē)站網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，通過(guò)通信傳輸系統(tǒng)提供的通道與控制中心連接。

圖1 LTE車(chē)－地?zé)o線解決方案

正線、出入段、出入場(chǎng)線隧道利用商用無(wú)線覆蓋系統(tǒng)漏泄同軸電纜進(jìn)線覆蓋，將RRU信號(hào)合路進(jìn)漏泄同軸電纜中；車(chē)輛段、停車(chē)場(chǎng)地面及庫(kù)內(nèi)采用天線覆蓋。

在每列車(chē)的車(chē)頭、車(chē)尾各設(shè)置一套TAU，通過(guò)車(chē)載交換機(jī)與車(chē)載控制器和LCD（液晶顯示）控制器相連，接收由控制中心提供的實(shí)時(shí)視頻信息以及向控制中心發(fā)送多路實(shí)時(shí)的車(chē)廂監(jiān)控信息。

本方案可實(shí)現(xiàn)鄭州市軌道交通PIS車(chē)－地?zé)o線組網(wǎng)達(dá)到在線運(yùn)行的每列列車(chē)上行帶寬至少為6 Mbit／s。

2.2 無(wú)線覆蓋方案

2.2.1 車(chē)站組網(wǎng)

基于TD－LTE技術(shù)的無(wú)線覆蓋方案在車(chē)站設(shè)置基站BBU和RRU設(shè)備。其中，BBU設(shè)置于車(chē)站弱電綜合設(shè)備室；RRU設(shè)置于隧道壁靠近漏泄電纜位置，通過(guò)合路器與POI（多系統(tǒng)合路平臺(tái)）輸出的商用通信系統(tǒng)信號(hào)合路，分別將無(wú)線信號(hào)送入商用收發(fā)兩根漏泄電纜中，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)覆蓋（如圖2所示）。為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)區(qū)間TD－LTE無(wú)線信號(hào)覆蓋，采用在區(qū)間增設(shè)RRU、共用區(qū)間商用多頻分合路器方式。合路器也放置在隧道壁靠近漏泄電纜位置。RRU及合路器應(yīng)達(dá)到IP65的標(biāo)準(zhǔn)。

TD－LTE信號(hào)與其他系統(tǒng)的信號(hào)合路后，共用漏泄電纜。為達(dá)到在線運(yùn)行每列車(chē)上行帶寬至少6 Mbit／s的要求，需要將上下行隧道的信號(hào)獨(dú)立成2個(gè)小區(qū)。由于POI無(wú)法將LTE的多路信號(hào)隔離后與商用通信系統(tǒng)信號(hào)合路，故需要配置額外的合路器，與POI合路后的信號(hào)二次合路。車(chē)站組網(wǎng)方案如圖3所示。

圖2 RRU設(shè)備與二次合路器

圖3 車(chē)站組網(wǎng)方案

2.2.2 區(qū)間組網(wǎng)

LTE的信號(hào)與商用通信系統(tǒng)信號(hào)，如GSM（全球移動(dòng)通信系統(tǒng)）、UMTS（通用移動(dòng)通信系統(tǒng)）、CDMA（碼分多址通信）等合路后共用漏泄電纜。2根商用漏泄電纜安裝在隧道的右側(cè)（按列車(chē)前進(jìn)方向）。4Pat h RRU分別連接左右兩端的2根漏泄電纜，達(dá)到2T2R的MI MO效果。

RRU盡量和BBU一起放置在車(chē)站。如果車(chē)站間距大于相鄰車(chē)站RRU的覆蓋能力，需在隧道中增加RRU，通過(guò)合路器饋入漏泄電纜的方式進(jìn)行覆蓋。其他系統(tǒng)采用饋線跳線方式連通。

2.2.3 車(chē)輛段組網(wǎng)

車(chē)輛段兩個(gè)車(chē)庫(kù)內(nèi)RRU掛墻安裝，左右兩側(cè)使用抱桿安裝2幅天線。BBU安裝在車(chē)輛段綜合樓機(jī)房?jī)?nèi)。RRU通過(guò)光纖連接到機(jī)房的BBU。天線使用3 m抱桿固定在樓頂平臺(tái)。

3 車(chē)－地?zé)o線通信系統(tǒng)TD－LTE性能測(cè)試

鄭州軌道交通1號(hào)線一期工程自2013年12月28日開(kāi)通運(yùn)營(yíng)至今，其LTE車(chē)－地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)總體運(yùn)行情況良好，除個(gè)別站點(diǎn)因施工原因造成GPS（全球定位系統(tǒng)）天線被遮擋導(dǎo)致搜星不足問(wèn)題，未出現(xiàn)過(guò)嚴(yán)重的問(wèn)題或故障；核心網(wǎng)、基站及TAU設(shè)備工作正常，監(jiān)測(cè)監(jiān)控的各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)無(wú)誤，基本符合方案設(shè)計(jì)要求，較好地保障了車(chē)地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，極大地減少了維護(hù)工作量。車(chē)－地?zé)o線通信測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 車(chē)－地?zé)o線通信數(shù)據(jù)測(cè)試表

3.1 站間吞吐量情況分析

鄭州軌道交通由于頻段資源有限及業(yè)務(wù)容量需求的原因，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)受到的干擾情況復(fù)雜，如需要考慮同向隧道中前后同頻鄰區(qū)間的干擾、位于車(chē)站兩側(cè)雙隧道的兩個(gè)小區(qū)的相互干擾，以及多徑干擾和電磁干擾等情況。為驗(yàn)證LTE技術(shù)對(duì)干擾解決的效果，完成了一次全線往返的PIS車(chē)－地?zé)o線系統(tǒng)TD－LTE性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 A站吞吐量測(cè)試結(jié)果

圖5 B站吞吐量測(cè)試結(jié)果

由圖4及圖5可知：A站雙向吞吐量為14.039 Mbit／s，地到車(chē)吞吐量為7.0 Mbit／s，車(chē)到地吞吐量為7.0 Mbit／s；B站雙向吞吐量為11.445 Mbit／s，地到車(chē)吞吐量為5.7 Mbit／s，車(chē)到地吞吐量為5.7 Mbit／s。兩者均符合LTE車(chē)－地通信技術(shù)要求。測(cè)試中，車(chē)輛在區(qū)間切換時(shí)有吞吐量降低、時(shí)延增加的情況，其他時(shí)間基本正常，丟包率均為0。

3.2 線路場(chǎng)強(qiáng)情況分析

對(duì)上行視頻監(jiān)控，視頻圖像的壓縮格式采用MPEG－4或H.264，每路視頻圖像所占帶寬為512 kbit／s～1.5 Mbit／s，圖像質(zhì)量要求達(dá)到 D1（720×576）。D1質(zhì)量的圖像占用帶寬最高也不會(huì)超過(guò)1.5 Mbit／s。每列車(chē)暫按上傳2路視頻圖像考慮，其占用的帶寬最高為3 Mbit／s。為預(yù)留一定的上行帶寬滿(mǎn)足地鐵客戶(hù)的其它應(yīng)用需求，按照小區(qū)邊緣預(yù)留6 Mbit／s帶寬設(shè)計(jì)，則列車(chē)無(wú)論出于小區(qū)內(nèi)任何位置，可保證最少6 Mbit／s的上行速率，峰值可達(dá)8 Mbit／s左右的上行速率，保證了視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和高質(zhì)量。上行方向全線場(chǎng)強(qiáng)圖如圖6所示。

需支持單列車(chē)下行一路視頻，速率為4～6 Mbit／s；考慮到預(yù)留一定的下行帶寬滿(mǎn)足地鐵客戶(hù)的其它應(yīng)用需求，按照小區(qū)邊緣預(yù)留8 Mbit／s帶寬設(shè)計(jì)，則列車(chē)無(wú)論出于小區(qū)內(nèi)任何位置，可保證最少8 Mbit／s的下行速率，峰值可達(dá)40 Mbit／s左右的下行速率，保證視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和高質(zhì)量。下行全線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋如圖7所示。

圖6 上行全線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋圖

圖7 下行全線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋圖

4 效益分析

4.1 社會(huì)效益

基于LTE的車(chē)－地?zé)o線通信技術(shù)進(jìn)一步提高了軌道交通的監(jiān)控水平，也提高了對(duì)乘客的服務(wù)質(zhì)量，為提供優(yōu)質(zhì)信息服務(wù)搭建了一個(gè)嶄新的平臺(tái)。目前鄭州軌道交通1號(hào)線的乘客信息服務(wù)（如廣播、列車(chē)運(yùn)行信息顯示牌等）系統(tǒng)已能滿(mǎn)足乘客對(duì)獲得綜合、實(shí)時(shí)信息（如運(yùn)營(yíng)服務(wù)信息、公共資訊信息、新聞娛樂(lè)信息，以及地鐵事故時(shí)應(yīng)急疏散的聲音、圖像引導(dǎo)等）的需求。LTE作為未來(lái)無(wú)線技術(shù)的發(fā)展方向，具有更高的用戶(hù)數(shù)據(jù)速率、更高的系統(tǒng)容量、更好的覆蓋改善，同時(shí)可降低運(yùn)營(yíng)成本。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

基于LTE的車(chē)－地?zé)o線通信系統(tǒng)具有更高的綜合經(jīng)濟(jì)效益，主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)建設(shè)、演進(jìn)與維護(hù)成本，以及增值服務(wù)效益等幾個(gè)方面。其中，增值服務(wù)效益方面，以廣告為例，上海軌道交通在2005年時(shí)廣告收入已達(dá)2.91億元；南京地鐵1號(hào)線在開(kāi)通的第一年就實(shí)現(xiàn)了盈利，其票務(wù)收入為1.1億元，而廣告收入達(dá)到了4 968萬(wàn)元；北京地鐵2013年的廣告收入達(dá)1.8億元。因此，基于LTE的車(chē)－地?zé)o線通信系統(tǒng)從空間與時(shí)間兩個(gè)緯度上提升了經(jīng)濟(jì)效益，降低了運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析鄭州軌道交通1號(hào)線基于LTE技術(shù)的車(chē)－地通信系統(tǒng)的方案，并對(duì)運(yùn)行情況完成定期測(cè)試，證明LTE技術(shù)作為我國(guó)城市軌道交通無(wú)線通信系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展的方向是合理的。其對(duì)軌道交通無(wú)線頻率標(biāo)準(zhǔn)化具有示范作用，對(duì)綜合平臺(tái)下的終端設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化具有促進(jìn)作用。LTE技術(shù)有利于軌道交通專(zhuān)業(yè)的整合，節(jié)約建設(shè)資金，并能凈化區(qū)間隧道的設(shè)備及線路，降低維護(hù)成本。

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