淺談LTE技術在城市軌道交通車—地無線通信中的應用

江云箭?付璐

摘 要：隨著社會經濟的高速發展，城市軌道交通的服務水平和管理水平也在不斷的提高，此時，車地無線通信系統的性能對于城市軌道交通來說尤為重要，需要不斷提高。為了保證列車在高速行駛的情況下視頻信息和多媒體信息能夠高速率和高質量的傳輸，城市軌道交通車地無線傳輸采用LTE技術也是必然選擇。

關鍵詞：城市軌道交通；LTE；車地無線通信系統

1 背景

近年來，我國城市軌道交通建設已經進入了快速發展階段，其安全性和舒適性得到社會的普遍關注。一方面，乘客已不滿足于少量的類型單一的文本、聲音信息服務，城市軌道交通迫切需要提高信息服務水平，從服務上吸引乘客。另一方面，國外城市軌道交通惡性事件頻發，地鐵列車需要增加足夠的監控措施，以防范于未然，城市軌道交通需要直觀地了解現場情況，迫切需要高速率的車載視頻信息傳輸?？傊?，隨著城市軌道交通服務水平和管理水平的不斷提高，城市軌道交通對車地無線通信系統的性能，諸如：上下行的傳輸帶寬、高速移動接入、場強可控性、無線干擾等提出了更高的要求。

2 當前主流技術比較

城市軌道交通車地無線通信系統作為傳輸網絡的延伸，提供地面與列車之間的通信，為視頻監控系統、乘客信息系統等提供車輛與車站、控制中心之間的無線傳輸通道。車地無線通信系統需要具有高可靠性，支持列車運行速度80公里/小時或更高速度下的視頻信息、多媒體信息的實時傳輸，且系統應具備防止黑客和非法信息入侵的功能，確保播出信息的安全。

當前可供選擇的無線傳輸技術主要有：TETRA、GSM、CDMA、3G、TRainCom-MT、WLAN、WiMax、LTE等。

TETRA、GSM、CDMA均為非常成熟的無線技術，有著廣泛的應用實例，但是這三種技術對于車地之間無線數據傳輸的要求均存在速率不足的缺陷：TETRA的下行速率約為幾十Kb/s，上行速率約為幾Kb/s；GSM和CDMA的上下行速率大致相當，下行速率約為幾十Kb/s，上行速率約為十幾Kb/s。三者均無法滿足車地無線通信系統所需要的傳輸速率。

WLAN作為一種寬帶無線接入網技術，其網絡化、寬帶化等特點具有相當的優勢。WLAN目前存在多種標準，如：802.11a、802.11b、802.11g等。802.11a工作在5.8G頻段，干擾較少，傳輸速率可以達到54Mb/s，但5.8G頻段屬于非免費開放頻段，需要申請。802.11b工作在2.4G頻段，傳輸速率最高達11Mb/s。802.11g也工作在2.4G頻段，由于使用OFDM調制技術，其數據傳輸速率提高至54Mb/s。但WLAN天線覆蓋范圍較小，軌旁AP在直線隧道一般每間隔200米布設一個，系統越區切換頻繁。

LTE（Long Term Evolution，長期演進） 是3G的演進，是3G與4G技術之間的一個過渡，是3.9G的全球標準，如下圖1-1所示。它改進并增強了3G的空中接入技術，采用OFDM和MIMO作為其無線網絡演進的唯一標準。與3G相比，LTE具有高數據速率、分組傳送、延遲降低、廣域覆蓋和向下兼容等技術優勢，被視作從3G向4G演進的主流技術。載波聚合技術，在頻譜靈活分配、系統容量、覆蓋等綜合方面，有著無可比擬的優勢。而采用漏纜覆蓋模式的2X2MIMO的傳輸，將會實現速率的倍增。從目前看，主流運營商幾乎一致支持LTE標準。

圖1-1

3 基于WLAN技術的車地無線通信網絡兼容性分析

基于IEEE 802.11標準的WLAN技術是目前城市軌道交通通信系統主要可用的寬帶數據無線通信技術，該技術于2004年在國內開始使用，并且逐漸成為國內城市軌道交通通信系統主流的車地通信技術，已經在北京、上海、廣州等很多大城市運用。近年來，通信PIS系統可用的寬帶數據無線通信技術制式相對通信系統來說較多，但是國內的城市軌道交通已經開通的和正在實施中的線路采用WLAN方案占多數。綜上，目前城市軌道交通環境中車地無線通信系統以兩張WLAN網絡共存的情況為主。

兩個無線通信網絡電磁兼容是工程實施中必須考慮的問題。根據已經實施項目的實際使用情況，信號系統和PIS系統的電磁兼容主要有以下三個方案：

（1）信號系統和PIS系統分別使用不同的頻段，例如，PIS系統采用4.2GHZ的頻段，而信號系統采用3.1GHZ的頻段。

（2）信號系統和PIS系統采用同一家WLAN供應商，將信號系統和PIS系統集成建設。

（3）信號系統和PIS系統采用相同頻段，當兩個系統采用相同頻段的時候，在工程實施中一般采取以下三個措施來減少相互之間的干擾：合理規劃無線頻點；協調AP點位置；選擇不同天線極化方向。

4 WLAN技術車地無線通信中存在的問題

車地無線通信系統采用2.4GHZ開放頻段，所有使用2.4GHZ WLAN技術的設備均為車地無線通信系統的干擾源，系統不可避免的會受到民用通信設備（如WiFi、MiFi、藍牙）的干擾，嚴重的可能會導致車地無線傳輸系統無法正常工作，影響車地無線通信系統的可靠性。而且隨著無線智能城市的建設以及手機上網應用的普及，將會有更多的干擾源出現。

5 LTE技術優勢

若要從根本上解決車地無線通信中的干擾問題，保證通信系統可靠、穩定的工作，智能通過采用專用頻段及更新進的無線通信技術來解決，如圖1-2。因此，LTE技術的出現，堪稱車地無線通信干擾問題的救星，其主要具備以下幾個優勢：

（1）以分組域業務為主要目標，系統在整體架構上基于分組交換。

（2）在20MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率。0～120 km/h移動場景下平均吞吐速率達到60Mbps，上行速率16Mbps，下行速率44Mbps。

（3）LTE技術的數據業務速率和頻譜利用率高。

（4）支持成對或非成對頻譜，可靈活配置1.4MHz-20MHz間的多種系統帶寬。TDD LTE可以調整上下行流量。

（5）扁平化組網方案，網絡架構簡單，網元節點少，系統可靠性高。

（6）增加小區邊界比特速率，提供1bps/Hz的小區邊緣速率。小區覆蓋半徑可達100km。

（7）嚴格的QoS機制保證實時業務（如VoIP）的服務質量。

（8）采用頻偏補償機制，有效克服多普勒效應，確保高速移動場景下的無線鏈路質量。

（9）切換時參考頻率偏移變化，提高切換成功率，保證高速切換場景下的帶寬穩定。

（10）多RRU共小區，減少由于切換帶來的時延、抖動、丟包，保證高速切換場景下的帶寬穩定。

（11）無須在隧道中另外布設天線，可共用商用通信的泄漏電纜。隧道內單個RRU覆蓋1.2KM漏纜，能夠提供穩定的覆蓋。

（12）LTE技術采用扁平化網絡結構，有效地縮短了端到端的數據傳輸時延，更加滿足城市軌道交通特別是信號系統的應用需求。

6 結語

本文通過介紹城市軌道交通車地無線通信技術，主要針對WLAN技術和LTE技術進行比較，突出LTE技術在當今的各種優勢，由以上分析并結合各種無線傳輸技術的特點及城市軌道交通的業務需求，推薦采用LTE作為城市軌道交通車地無線傳輸技術。LTE使用專用頻段，抗干擾能力強，可以共用商用通信系統的泄漏電纜，施工難度小，且未來可以承載更多的業務，如：語音集群。雖然LTE系統初期投資較大，但核心網設備可為多條線路所共用，隨著城市軌道交通線路的不斷新建，系統的總體建設投資將與采用其它無線傳輸技術基本持平。

參考文獻

[1]TD-LTE無線通信系統在鐵路上的應用 尹福康 鐵路通信信號工程技術 2013年。

[2]LTE技術在城市軌道交通無線調度通信中的創新性應用研究 于超 鐵道通信信號 2014年。

[3]戴未央.WLAN在旅客信息系統中的應用 劉剛 現代城市軌道交通 2016年。