LTE技術在地鐵專用通信系統中的應用方案

紀藝勇

【摘 要】隨著車載視頻傳輸實時性及可靠性的要求不斷提高，以及乘客信息系統中多媒體數據流傳輸帶寬的不斷增加，以WLAN系統為主的車地無線通信技術已不能完全滿足地鐵行業的需要。而LTE以其可靠性高、抗干擾能力強、覆蓋范圍廣等特點，能更好的滿足地鐵應用中的需求。本文主要論述了LTE技術在地鐵通信系統車地無線中的應用方案。

【關鍵詞】LTE 地鐵 車地無線通信系統

1 概述

近年來我國經濟的迅猛發展，城市人口不斷膨脹，公共交通已成為各大城市的主要困擾之一，地鐵作為城市公共交通客運系統的重要組成部分，以其大眾化、大載客量以及安全舒適、快捷準時的特點成為公眾喜愛的交通工具。

在地鐵專用通信系統中，車地無線通信系統需要承載的業務主要包括CCTV和PIS等系統。其中CCTV系統是視頻監控系統。車廂內的攝像頭拍攝的實時畫面，通過車地無線通信系統上傳到各個車站，再通過專用傳輸系統傳送到控制中心，讓控制中心監控平臺可以實時呈現車廂內的畫面，有利于后臺服務人員了解車廂內的情況。CCTV的業務主要是上行數據業務，該業務對承載通道的帶寬有一定要求，如果帶寬不足，則可能造成畫面卡頓和黑屏現象。

PIS系統是指乘客信息系統，即站廳、站臺和列車內的顯示信息，比如說我們在地鐵站看到的到站信息、天氣、股票信息和視頻播放節目等。這些信息都是從地鐵控制中心經過編播后下發到各個車站和車輛內的，然后通過本地的播放模塊進行顯示。該系統主要是下行數據業務，對傳輸通道帶寬也有一定要求，如果帶寬不足，則可能造成信息延遲或者畫面卡頓黑屏等現象。

2 LTE的關鍵技術

LTE（Long Term Evolution，長期演進）是由3GPP組織制定的UMTS技術標準的長期演進，于2004年12月在3GPP多倫多會議上正式立項并啟動。LTE系統引入了OFDM和MIMO等關鍵技術，顯著增加了頻譜效率和數據傳輸速率（下行峰值速率為100Mbps，上行峰值速率為50Mbps），并支持多種帶寬分配，且支持全球主流2G/3G頻段和一些新增頻段，因而頻譜分配更加靈活，系統容量和覆蓋也顯著提升。

2.1 OFDM

OFDM是LTE系統的核心技術之一，他的技術原理是將網絡數據流的傳輸分散到多個正交的子載波上完成他們的傳輸任務，這種分散的方式能夠降低子載波的符號速率，從而提高時延抵抗力，最終減弱符號間的干擾的功效。LTE系統在工作中一般會在OFDM符號前加入相應的保護間隔，保護間隔的設置能夠有效的消除LTE系統符號間干擾。

2.2 MIMO

MIMO技術運用于LTE系統中，主要功能是提高系統傳輸速率，OFDM的子載波衰落較平坦，從這點說它很合適與MIMO技術結合，二者結合能很好的提高LTE系統的性能。MIMO一般采用多天線或者多通道技術形式，通過合理的數據處理與信息的接收完成空間信道的創建與完善，從而提高數據傳輸的速率。當功率和帶寬固定時，多入多出系統的最大容量與其最小天線數是正相關的關系。也就是說MIMO的多入多出系統的容量越大其最小天線數就越少，通過這些信息數據的分析、估計，能夠整合網絡運行環境，有效提高網絡運行的速度。

3 LTE在車地無線通信中的應用方案

3.1 網絡總體架構

控制中心級子系統布置核心網設備，負責與中心服務器、視頻服務器通過以太網交換機接口，接收視頻信息并將相關信息通過TD-LTE無線網絡傳輸到列車上。

軌道子系統在車站站臺布置LTE基站的BBU和RRU設備，覆蓋站臺周邊區域，根據無線信號覆蓋的要求在隧道區間布置RRU設備延伸無線覆蓋，實現與車載無線設備之間的無線數據通信。各LTE基站通過光口接入車站傳輸設備，通過通信傳輸系統提供的通道與控制中心連接。

在每列車的車頭、車尾各設置1套車載無線設備（TAU），通過車載交換機與車載控制器和LCD控制器相連，接收由控制中心提供的實時視頻信息和向控制中心發送實時的車廂監控信息，如圖1所示。

3.2 系統組網方案

PIS編播中心機房部署無線核心網和無線網絡網管，并通過傳輸網絡與各車站、停車場的無線基帶單元BBU通信。車輛地面服務器、PIS視頻服務器等應用服務器通過編播中心核心交換機與無線核心網通信，下行方向核心網接收視頻組播流并將組播流通過LTE TDD無線網絡傳輸至各列車上，上行方向核心網將接收的CCTV車載監控數據和車輛狀態數據轉發給車輛地面服務器。

各個車站和停車場機房部署TD-LTE分布式基站的基帶單元BBU。BBU通過光口接入車站、停車場傳輸設備，通過傳輸網絡與無線核心網連接。

沿線軌道區間和停車場部署TD-LTE分布式基站的射頻單元RRU。RRU通過光纖鏈路遠程與BBU連接，一個BBU可以管理和連接多個RRU。軌道沿線區間覆蓋可以采用與專用無線通信系統TETRA共用漏纜的方案，TETRA基站、TD-LTE RRU通過POI合入沿線部署的泄露電纜，以達到實現MIMO功能的目的。停車場因區域面積大、縱列車線多，采用板狀定向天線方案覆蓋。

在列車頭尾司機室專用通信機柜分別部署一套TD-LTE車載無線終端（TAU），每臺TAU配置兩套的車載天線。TAU通過百兆以太網口接入PIS系統的車載交換機，實現與列車各應用系統的通信。

車地無線通信網絡的系統架構如圖2所示。

3.3 無線網絡規劃

PIS系統對于實時性以及視頻圖像的播放質量要求高，需要一張可靠的車地通信網絡。為了減少干擾，LTE網絡選擇專用頻段，同時利用專有抗干擾技術降低其他無線信號的對車地通信網絡的影響，進而降低對地鐵業務的影響。

3.3.1 無線頻點分析與規劃

2003年工信部（信部無[2003]408號，以下簡稱408號）規定1785-1805MHz頻段主要用于本地公眾網無線接入，對確有需要的本地專用網也可用于無線接入。408號規定頻率指配法定主體是省級的無線電管理單位，“具體頻率指配和無線電臺站管理工作，由各省、自治區、直轄市無線電管理機構負責”。

工信部無[2008]332號文件中指出拓展了1.8G頻段的業務應用范圍，從原來僅可開展語音低速數據等窄帶應用，擴展為可同時開展無線視頻傳輸等寬帶多媒體業務。

最近，工信部【2015】65號文明確提出1.8G頻段可用于城市軌道交通專用通信網。

同時，朔黃重載鐵路TD-LTE車地通信項目，根據工信部工信無函[2010]147號文，在1.8GHz頻段，在山西、河北、內蒙古三省區建網，并已開通運營。鄭州地鐵一號線車地無線TD-LTE項目，根據豫無辦（2011）31號文在1.8GHz頻段組網，并已經開通運營。因此地鐵車地無線所用頻點可向當地無線電管理部門申請，如圖3所示。

建議采用1.8GHz的1785-1805MHz共計20MHz頻段用于PIS車地無線TD-LTE網絡使用。