TD—LTE網絡在鐵路貨場中的應用

張昊

【摘要】將TD-LTE網絡引入鐵路貨場，以達到提高作業效率的目的。本文以在建的沙良貨場為例，通過對WLAN系統及TD-LTE系統方案的討論，對比各個系統的優缺點。此外，利用LTE系統級仿真，論證了TD-LTE網絡的可行性。

【關鍵詞】鐵路貨場 TD-LTE WLAN 系統級仿真

一、引言

近年來，鐵路貨運業務迅猛發展，各地區開始了鐵路物流園區及貨運車站的建設熱潮。同時，隨著鐵路貨場場區面積的不斷擴大，管理難度成倍增加。為了解決大型貨場的管理問題，以及確保高效的貨運作業效率，利用信息化、發展信息化變得尤為迫切。

傳統上，一個中型貨場作業的調度、指揮幾乎全靠人力完成。例如，當一輛拉著集裝箱的卡車進入場區之后，作業人員首先需根據集裝箱箱號查詢該車的裝卸作業地點，通過告知司機、路標引導該車去往相應位置完成裝卸作業，往往由于司機對于場區的不熟悉，以及裝卸流程銜接的不緊密，作業效率十分低下。

隨著信息化產業不斷深入發展，部分大型貨運站、物流園區引入了WLAN系統，通過在場區內布置WLAN熱點，并為集卡車輛配置車載終端，為作業人員配置手持終端，通過網絡的全覆蓋，圖形化的引導司機行駛，并通過無線網絡下達調度命令，使得作業銜接更加緊密，以達到提高作業效率的目的。

然而，WLAN系統的建設有著其致命的弱點，即土建工程耗費巨大。由于WLAN熱點覆蓋范圍較小，需要在場區內星形撒布大量AP，光纜的敷設、電桿的樹立不可避免。對于一些已建成的場區，當需引入無線網絡全覆蓋時，往往由于無施工條件而不得不放棄。

在移動網絡發展日臻成熟的今天，TD-LTE網絡因其較高的頻譜利用率，較強的抗干擾性能，以及相對簡單的工程，越來越受到人們的歡迎。因此，將TD-LTE網絡引入鐵路貨場或物流園區，是有必要且有著顯而易見優勢的。

二、TD-LTE網絡概述

LTE（Long Term Evolution）由第三代數字通信3G演進發展，并對3G的空中接入網技術進行了改進。在20MHz頻譜帶寬下行峰值速率可達到lOOMbps、上行速度可達到50Mbps。LTE按照傳輸方式的不同，可分為TDD和FDD兩種雙工方式，即分為TDD LTE（即TD-LTE）和FDD LTE。TD-LTE采用正交頻分復用OFDM傳輸方式和多輸入多輸出MIMO技術，從而提高小區容量，降低了系統延遲。

三、TD-LTE網絡在沙良貨場中的應用

沙良貨場位于呼和浩特市賽罕區黃合少鎮沙良村，項目北側為沙良車站和既有鐵路，西側為道路和農田，南側、東側為農田。主要建設內容為1個整車作業區、1個集裝箱作業區、1個大長笨作業區及1個特貨作業區，貨場共建設設4個線束8條裝卸線，車站新建到發線11條。根據地區貨源調查分析及呼和浩特地區鐵路集疏運節點規劃，沙良貨場今后貨物集疏運品主要為乳制品、集裝箱以及特貨、快貨及生活物資等，規劃近遠期到發貨運量將達到550萬噸，遠期將達到1040萬噸。本工程投資估算總額為9.54億元，占地1830畝。

沙良貨場衛星圖俯瞰如圖1所示，該貨場近似于一個長邊1700m、短邊1300m、高400m的等腰梯形。按照一般TD-LTE基站覆蓋范圍3km考慮，如需在場區內完全覆蓋網絡僅僅需要一個基站。即使考慮到在新建沙良貨場南側還規劃建設有大面積的物流園區，一個TD-LTE基站基本上滿足了近期網絡的需求。

假設TD-LTE基站位于梯形短邊的中心線上，我們將通過系統仿真論證小區內某用戶的平均吞吐量。

系統級仿真是解決LTE網絡模擬仿真的最有效手段之一，系統級仿真依賴于鏈路級仿真結果，通過將整個LTE系統以及各個鏈路的仿真集成于一個平臺，通過將整個LTE網絡的工作過程精確到TTI中的仿真，達到模擬整個LTE網絡的效果。在本案例的模擬中，通過計算小區內隨機撒布的20個點在每個TTI中的吞吐量的統計平均，來得到整個LTE小區中各個點的平均吞吐量。其中每個點稱之為drop。仿真參數如表所示。

利用MATLAB繪制小區內各drop點的平均吞吐量如圖2所示。從圖中可以看出，在距離小區中心500m的范圍內，用戶的平均吞吐量大于50Mbps，距離小區中心lOOOm的范圍內，用戶吞吐量大于25Mbps。

在沙良貨場中，大部分的作業區域處于距離小區中心500m的位置，通過仿真可以發現，TD-LTE應用于沙良貨場建設是十分具有可行性的。

四、TD-LTE與WLAN網絡的對比

在沙良貨場的無線網絡解決方案中，如果采用WLAN技術，按照一個AP熱點覆蓋半徑150m考慮，由于需要完全覆蓋，必須使得圓形覆蓋有一定的重疊區域，則場區內共需建設AP熱點大約在16-20個之間。工程量差別的巨大讓TD-LTE方案優勢叫顯

TD-LTE還具有一個WLAN網絡絕對沒有優點，即靈活的調度能力。TD-LTE網絡采取中心控制，可靈活設置不同手持終端的接入優先級別，使得網絡頻譜的劃分更加科學，保證重要業務的頻譜占有率，也大大提高了現場作業的安全性，消除了重要調度命令由于網絡堵塞而不能及時下達的隱患。不僅僅如此，從全局的角度來講，科學的調度使得網絡資源不會大量閑置，在WLAN網絡中，處于不同位置的AP熱點往往承載著截然不同的網絡壓力，例如在作業繁忙區域，AP熱點的接入能力不堪重負，而在部分區域，僅僅只有極少的業務流量，這樣大大降低了頻譜利用效率。

此外，WLAN網絡對于移動性的支持相比TD-LTE劣勢明顯，同樣以沙良貨場為例，一輛集卡車輛從大門進入開始接入WLAN網絡，直到進入集裝箱貨區，共需經過10個左右的WLAN覆蓋區域，這意味著車載終端共需經歷10次左右的硬切換，這并不具備可用性。

不過，相比于TD-LTE，WLAN網絡也有其不可比擬的優點，例如AP設備價格低廉，數據速率高，終端應用成熟等等，WLAN網絡與TD-LTE是可以共存的，對于室內以及作業量較大的區域，WLAN網絡可以視作TD-LTE網絡的有效補充。

五、結論與展望

通過對沙良貨場的工程實踐分析，結合計算機模擬仿真，可以發現，TD-LTE網絡對于在特定區域下的網絡覆蓋具有其他方案不可比擬的優勢。尤其是對于一些既有的、日常作業繁忙的鐵路貨場，利用TD-LTE網絡可以大大提升其作業效率，并且易于搭建，施工期間不會影響場區的正常作業。

LTE網絡的能量不僅僅如此，隨著LTE-A的繼續演進，現有TD-LTE網絡還有巨大的提升空間。尤其是波束賦形、CoMP等技術，在鐵路場景下有著更好的應用前景。