軌道交通車地無線系統中LTE技術的綜合應用方案研究

支 偉

（中國鐵通集團南京分公司，江蘇南京210036）

乘客信息系統（PIS）是依托多媒體網絡技術，以計算機系統為核心，以車站顯示終端和車載顯示終端為媒介向乘客提供信息服務的系統。乘客信息系統車-地無線通信系統是將地面乘客信息系統和車載乘客信息系統聯系起來的紐帶，車載乘客信息系統可以通過車-地無線通信網絡實時接收地面乘客信息系統各種信息（包括緊急事件信息、運營相關信息、緊急事件處置視頻、運營設備介紹視頻、重大新聞等實時動態信息、車門監視視頻等），在車載顯示終端上播放；同時，車載乘客信息系統利用車-地無線通信網絡，將車輛上的視頻監控信息傳輸至線路控制中心及公交總隊，供運營、公安人員及政府相關部門調看。

城市軌道交通信號系統主要采用基于通信的列車自動控制系統（CBTC系統）。CBTC信號系統主要由列車自動監控子系統（ATS子系統）、列車自動防護子系統（ATP子系統）、列車自動運行子系統（ATO子系統）、計算機聯鎖子系統（CI子系統）、以及數據通信子系統（DCS子系統）等構成。其中DCS子系統中的無線通信系統是溝通地面信號設備與車載信號設備的關鍵系統，必須安全、可靠、穩定的運行。

1 車地無線通信技術應用存在的問題

1.1 DVB-T技術存在的問題

（1）單向傳輸

DVB-T系統為廣播電視系統，僅支持單向傳輸，即只支持下行傳輸，只能將控制中心的視頻下發至列車，而無法將車載視頻監控上傳至控制中心。如果需實現車載視頻監控上傳，則仍需再建設一套無線通信系統。

（2）頻點問題

DVB-T系統使用的頻點為廣電頻段，目前該頻段均由廣電部門掌握，頻點協商困難，且受制于獨家運營商。

（3）實際效果

采用DVB-T的線路目前下行傳輸效果較好，能夠實現緊急事件的應急處理及信息發布、重大新聞事件視頻直播功能，但受制于技術體制和頻點限制，無法實現車門監視視頻、車廂視頻監控上傳功能，對應急事件處理的支持不夠。

1.2 WLAN技術存在的問題

（1）高速移動

無線局域網（WLAN）技術從誕生之日起就并不完全適合高速移動情況下傳輸數據，在高速移動狀態下，WLAN數據傳輸帶寬會急速下降，造成數據丟包，從而影響數據傳送效果。

（2）頻繁切換

無線局域網（WLAN）主要承載在2.4G及5.8G的高頻頻段，信號傳輸衰耗大，導致無線接入點設備（AP）布置密集，而頻繁的切換浪費了帶寬，同時導致系統數據丟包。針對此問題，雖然部分廠家針對軌道交通特點進行了設備和網絡優化，但并沒有完全解決這個問題。

（3）實際效果差

采用WLAN的線路目前基本能夠實現緊急事件的應急處理及信息發布、重大新聞事件視頻直播功能和車廂視頻監控上傳功能，無法實現車門監視視頻功能，同時受制于技術體制原因，重大新聞事件視頻直播功能和車廂視頻監控上傳的實際效果較差，視頻流馬賽克、延時、中斷頻繁發生。

1.3 車地無線技術綜合應用分析

WLAN技術，在列車高速行駛中車載天線頻繁在各個軌旁無線接入點間切換，數據傳輸帶寬會急速下降，造成數據丟包，不能保證下傳和上傳的傳輸質量，部分既有線并未實現視頻的實時下傳，而是采用了車載錄像等方式來保障車廂內視頻的播放。同樣DVBT技術不能實現車載CCTV視頻的上傳。

面對新的安全需求和提升地鐵運營服務水平目標，WLAN、DVB-T這兩種車地無線技術無法完全滿足新的需要。在這種情況下，需要尋找新的技術制式滿足當前地鐵建設需求。

鐵車-地無線通信系統帶寬需求達到48 Mbps，在盡量提高頻譜利用率的前提下，可供選擇的無線制式較少，綜合DVB-T、WLAN、LTE等技術體制，目前已經進入商用階段的LTE技術是唯一的選擇。此種技術可以解決地鐵PIS系統目前存在的問題，也是今后無線通信技術發展和應用的趨勢。

2 LTE技術概述

LTE作為3G技術的演進，目前主要分為FDDLTE和TDD-LTE兩種。

FDD-LTE是在分離的兩個對稱頻率信道上進行接收和發送，用保護頻段來分離接收和發送信道。FDD必須采用成對的頻率，依靠頻率來區分上下行鏈路，其單方向的資源在時間上是連續的。FDD在支持對稱業務時，能充分利用上下行的頻譜，但在支持非對稱業務時，頻譜利用率將大大降低。

TDD-LTE用時間來分離接收和發送信道。在TDD方式的移動通信系統中，接收和發送使用同一頻率載波的不同時隙作為信道的承載，其單方向的資源在時間上是不連續的，時間資源在兩個方向上進行了分配。在支持非對稱業務時，其頻譜利用率較高。

FDD-LTE源于WCDMA與CDMA2000技術的演進，知識產權絕大部分掌握在歐美企業手中；而TDD-LTE源于TD-SCDMA技術的研究，中國企業擁有較多的知識產權，華為、中興、大唐等國內企業約擁有TDD-LTE 20%以上的專利權。

從提高頻譜利用率及對國內自主研發技術支持等多方面考慮，建議采用TDD-LTE。

目前國內能提供TDD-LTE設備的生產廠商有華為、中興、大唐、摩托羅拉、阿爾卡特朗訊、諾基亞西門子等，這些廠家為中國移動在國內6個城市建設了實驗網，其中深圳和廣州兩個實驗網已經建成，其余4個預計今年底前也將全部建成開通。

從以上可知，地鐵PIS系統使用TDD-LTE在設備選擇和實施上是可以保證的。

3 LTE方案系統構成

設備包括設置在控制中心的LTE交換設備、設置在車站的LTE基帶設備（BBU）、沿途隧道內的光纜、設置在區間的LTE遠端設備（RRU）及合路設備、車載的無線單元和天線等設備，LTE中心交換設備通過傳輸系統與各車站LTE基帶設備（BBU）相連，車站LTE基帶設備通過隧道內敷設的光纜與區間LTE遠端設備（RRU）相連，LTE遠端設備通過跳線及合路設備與漏纜連接。

本方案中BBU，放置于車站機房內，主要作用是完成Uu接口的基帶處理功能（適合空中傳輸的信道編碼、復用、調制和擴頻等）。RRU為射頻處理單元，放置于隧道，主要功能是發送和接收射頻信號。信號從RRU射頻口輸出后經過衰減器饋入無線覆蓋系統漏纜中。

4 結束語

采用LTE技術方案對提高軌道交通安全水平及提升地鐵服務質量帶來重大意義。目前世界上多個國家都發生了針對軌道交通的恐怖襲擊行動，對我國的軌道交通安全也提出了警示，而LTE技術方案可以很好解決這些問題，它能在列車高速行駛中保證12路車載CCTV視頻的實時上傳和1路視頻的下傳，在出現突發緊急事件時不但能使相關人員能迅速了解車廂內部情況，并且可以把上級部門的處置意見通過文字、視頻等方式下傳到車廂內部，及時對乘客進行安撫及疏導提示。

根據業務需求發展，建議整合TETRA、CBTC、流媒體、車載視頻VMS、列車狀態、車載FAS等業務。

鑒于信號系統的安全可靠性需求，建議向無線電管理部門申請LTE專用頻點，建設兩張獨立運行的A／B兩張網，兩張網絡完全獨立，并行工作，互不影響。A網承載TETRA、流媒體、車載視頻VMS、列車狀態、車載FAS等業務信息。B網獨立為信號專用，僅承載CBTC列控信號信息，以提升信號系統可靠性。

［1］曾召華.LTE基礎原理與關鍵技術［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2010.

［2］孫寰宇，顧向峰.基于LTE技術的車地無線通信組網方案研究［J］.鐵道標準設計，2014，（8）：159-163.

［3］單 瑛.LTE技術在城市軌道交通車-地無線通信中的應用探討［J］.中國信息化，2014，（4）：54-55.

［4］譚 耿.LTE技術在城市軌道交通信號系統中的應用探索［J］.鐵道通信信號，2015，（6）：85-87.