LTE技術在廣州有軌電車信號系統的設計方案分析

譚庭浪

（廣州有軌電車有限責任公司，廣東廣州 510000）

LTE技術在廣州有軌電車信號系統的設計方案分析

譚庭浪

（廣州有軌電車有限責任公司，廣東廣州 510000）

隨著無線通信技術的發展，頻譜資源愈發稀缺，WLAN 易受干擾問題不能滿足信號系統的安全性、可靠性要求，擁有頻譜資源優勢的 LTE 技術被提出來應用在城市軌道交通信號車地無線通信系統。從 WLAN、LTE 技術特點分析，結合廣州有軌電車海珠試驗段的建設經驗及廣州有軌電車侖頭線的線路情況，優化信號車地無線通信系統設計方案，提高車地無線通信系統的安全性、可用性及可靠性。

WLAN；LTE 技術；有軌電車；信號系統；車地通信

0 引言

信號系統對提高現代有軌電車的運行效率和安全有重要作用，基于無線通信技術的車地通信系統是實現有軌電車控制與運行的重要技術之一，車地通信系統設計的合理性是整個有軌電車安全運營的關鍵，在提高無線信號抗干擾能力的同時，還可降低有軌電車建設成本。

無線通信系統（DCS）具有寬帶、網絡化優勢，為有軌電車信號系統提供雙向、可靠、安全的車地數據信息傳輸和交換通道，該技術在軌道交通的應用已較成熟。

1 侖頭線概況

廣州海珠環島新型有軌電車位于海珠區環島路和新港東路上，線路全長 41.08 km，7.7 km 的海珠試驗段已于 2014 年 12 月開通試運營。侖頭段線路規劃長 10.2 km，高架段長 0.9 km，共設置 12 座地面車站，平均站間距 0.93 km。最小站間距 605 m，最大站間距約 1 780 m（圖1）。

圖1 侖頭線規劃設計平面圖

侖頭線信號系統繼續采用無線通信系統，實現信號車地信息的安全、實時、可靠傳輸。侖頭線可研方案擬采用目前在軌道交通應用較成熟的 2.4 GHz 無線通信技術。

2 WLAN 技術特點

無線通信系統作為車載設備和地面設備之間信息傳輸的通道，應具有較高的可靠性、可用性及安全性，系統實時傳輸信息過程中能有效地避免黑客和非法信息的侵入。但是無線通信系統在城市軌道交通的應用經驗證明，基于 WLAN 技術的車地無線傳輸網絡存在一些局限性。

2.1 信號易受干擾

基于 WLAN 技術的車地無線通信系統工作在2.4 GHz 不受保護的開放頻段，隨著寬帶互聯網技術的普及，WLAN 用戶數量激增，所有使用 2.4G WLAN 技術的設備均可能成為車地無線通信系統的干擾源，影響城市軌道交通的安全運營。

廣州有軌電車海珠試驗段無線通信系統使用傳統的2.4 GHz 無線 WLAN 系統，由于易受外界干擾，在運營過程中頻繁發生無線通信中斷的故障，給有軌電車運營帶來較大的影響，同時也增加了運營維護成本。

2.2 信號覆蓋距離短

WLAN 無線通信網絡 100 mW 的最大發射功率限制常用傳輸方式的信號覆蓋距離，無線接入點（AP）的信號覆蓋距離為 200 m 左右。為滿足信號覆蓋要求，海珠試驗段在沿線安裝了大量 AP 及附屬設備，增加了建設成本。

由于 AP 的信號覆蓋距離較短，車載無線單元在軌旁AP間快速移動所需的頻繁發射漫游切換過程會引起丟包率增加，降低了系統的穩定性。

2.3 不適合綜合承載

隨著無線通信技術的發展，車地無線通信網絡不僅可承載信號系統的數據信息，還可承載視頻、多媒體等多種業務。但現有 WLAN 技術無法對信號系統車地、列車視頻監控及乘客信息系統的信息進行優先級調度，無法保證高優先級業務的實際使用帶寬，既有 WLAN 技術不適用于綜合承載。

海珠試驗段的通信、信號、PIDS 等系統分別獨立建立了傳統 WLAN 無線網絡，一定程度上增加了有軌電車的建設成本。

2.4 影響城市景觀

海珠試驗段車站以地面建設為主，由于無線接入點（AP）的覆蓋范圍小，沿線需要布設數量龐大的 AP 天線及立桿，這樣的安裝方案對城市景觀造成較大影響，尤其對以旅游觀光為主的海珠線路景觀影響明顯，因此，以地面車站為主的有軌電車線路不適合大量安裝無線接入 AP 天線。

3 LTE 技術特點分析

長期演進（LTE）是基于正交頻分多址（OFDMA）技術的先進無線通信技術，作為一種先進的無線通信技術，LTE 技術在設計時就考慮了高吞吐率的需求，在 20 MHz 帶寬組網的情況下，峰值速率下行可達100 Mbit/s，上行可達 50 Mbit/s。LTE采用了正交頻分復用（OFDM）、多輸入多輸出（MIMO）及混合自動重傳請求（HARQ）等先進技術，有效提高了數據速率、頻譜效率和抗干擾性。隨著LTE技術的發展，LTE 技術更適合城市軌道交通多業務寬帶無線通信承載，LTE 技術相比 WLAN 網絡具有眾多的優勢。

3.1 抗干擾能力強

相比 WLAN 網絡，LTE 技術有著完善的抗干擾能力。LTE 采用 OFDM 技術，具有完善的編碼、重傳和干擾抑制合并（IRC）機制，擁有毫秒級的調度機制，采用小區間干擾協調（ICIC）技術進行小區間的干擾協調，可根據干擾情況動態調度資源，減少無線干擾的影響。

3.2 覆蓋范圍廣

LTE 小區的覆蓋范圍遠大于 WLAN 無線接入點的覆蓋范圍。一方面，LTE 采用先進的信號處理技術，其設備的接收機靈敏度優于 WLAN 設備的接收機靈敏度；另一方面，LTE 使用專用頻段，設備可以采用更高的發射頻率，覆蓋范圍理論上能達到 1.2 km 以上。

大距離的覆蓋，可以在系統建設中有效減少基站數量，減少沿線軌旁基站對城市景觀的影響，更適用于以地面車站為主的有軌電車線路。

3.3 業務優先級調度

LTE 技術具備先進的業務優先級調度算法，可以根據業務的優先級對不同業務進行調度。LTE 技術實現了9 個調度優先級，按照預定義的可能承載業務類型，根據對應的優先級進行資源分配和調度。在城市軌道交通車地通信環境下，可以保證信號系統無線通信業務的高可靠性傳輸，有軌電車信號系統不會因通信、乘客信息系統（PIDS）等系統的接入而受到干擾。

4 侖頭線 LTE 技術方案

從 WLAN 及 LTE 技術特點分析可知，隨著無線通信技術的發展，LTE 技術具有更高的安全性、可靠性及可用性，LTE 應用于城市軌道交通的實踐案例逐漸趨于成熟。現從 LTE 技術出發，以低成本、高可靠性、可用性為基礎，研究廣州有軌電車侖頭線無線通信的設計方案。

4.1 組網方案設計

從侖頭線規劃設計的車站里程可知，最大站間距為小洲村站至侖頭的 1 780 m，最大隔站的站間距為小洲路至侖頭的 2 460 m，其他站平均站間距為 827 m。在LTE 無線覆蓋正常的情況下，各站配置 1 套 LTE 基站可滿足全線信號覆蓋要求。

由 LTE 的技術特點可知，LTE 正常覆蓋范圍在1.2 km 以上。在以車站為單位設置 LTE 基站時，侖頭與小洲村、侖頭與小洲路站間距分別為1 780 m和2 460 m，存在以下 2 個風險。

（1）若侖頭基站故障，小洲村基站的信號將不能滿足侖頭區域的覆蓋要求，易造成車地通信中斷，影響電車的正常運行。

（2）若小洲村基站故障，雖然小洲路與侖頭站的信號覆蓋范圍在理論上可以滿足覆蓋要求，但在交匯處的信號強度已處于臨界點，考慮線路的外界因素影響，在該區域的無線信號強度也易造成車地通信中斷。

基于以上 2 項風險，從侖頭、小洲村的基站發射天線冗余設置方面解決，在侖頭、小洲村發射塔加裝信號發送天線，分別接入小洲村、侖頭基站，滿足這 2 個基站單點故障時無線信號的覆蓋要求。侖頭線 LTE 組網方案見圖2 所示。

4.2 方案成本分析

（1）侖頭線路長約 10.2 km，若以 2.4G 無線 WLAN技術方案布設 AP 接入點，在紅藍冗余雙網分別安裝的情況下，正線共需 AP 電纜約 20.4 km。根據廣州有軌電車海珠試驗段的項目經驗，無線 AP 電纜的價格在2 050 元/100 m，若按照LTE技術設計方案，基站發射塔電源直接由車站接入，將節約無線WLAN的AP沿線環網電纜建設成本約 41.82 萬元。

圖2 侖頭線 LTE 無線通信組網方案

（2）LTE系統具有擴容性強的特點，在侖頭線 LTE系統建成投入運營后，系統服務器的大容量可為后續有軌電車新線的建設預留接口，有效降低信號系統建設的成本。

（3）LTE 技術適合于多系統綜合承載，且具有業務優先級調度功能，除信號系統的功能需求外，侖頭線通信、PIDS 等系統均可接入LTE網絡而不會對優先級高的信號系統造成干擾，還可避免各專業獨立建網的現象，有效降低有軌電車建設成本。

5 結語

本文簡要對無線 WLAN 技術及 LTE 技術的優缺點進行分析，LTE 技術可用于組建有軌電車信號系統車地無線網絡。從技術要求及項目成本控制方面考慮，結合廣州有軌電車海珠試驗段的建設經驗分析，建議廣州有軌電車侖頭線使用 LTE 技術實現信號車地通信功能，采用紅、藍網雙網冗余設置，提高無線通信系統的抗干擾能力，提高系統的穩定性、可靠性。

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責任編輯 冒一平

Analysis of LTE Design Scheme in Guangzhou Tram Signaling System

Tan Tinglang

With the development of wireless communication technology， spectrum resource is becoming increasingly scarce， and WLAN is prone to have interference problem which can not meet the requirements of the safety and reliability of the signaling system.LTE technology with spectrum resource advantage is proposed to be used in train-ground wireless communication system for transit signaling system.Based on the analysis of WLAN， LTE technical features and construction experience of Haizhu test section of Guangzhou tram and scenario of Luntou line of Guangzhou tram， the paper discuses the optimization of signaling wireless communication system design， improvement of the safety， availability and reliability of wireless communication system.

WLAN， LTE technology， tram， signaling system， train-ground communication

U231.7

譚庭浪（1985—），男，工程師

2016-02-18