關于 LTE 與 WLAN 技術在城市軌道交通中的應用對比分析

趙 靜

（北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100006）

0 引言

城市軌道交通網絡已初具規模，進入網絡化階段，成為了城市公共交通的命脈，在城市運行中發揮著越來越重要的作用。在當前形勢下，城市軌道交通運營安全也成為中央和各級地方政府關注的重點。隨著地鐵行業的發展，用戶對列車視頻的使用需求更加旺盛，更高清、更多路數的視頻使用需求日益迫切，這就需要有更加先進的技術來滿足車地視頻的應用。在城市軌道交通業務中，乘客信息系統（PIS）和車載視頻監控系統（CCTV）是兩大需求業務，而制約這兩大業務的因素往往出現在車地無線通信系統上。

1 現狀

傳統城市軌道交通建設中，受技術條件限制，車地無線通信系統使用的是 WLAN 技術，而 WLAN 設備設計上的缺陷造成了 PIS 和車載 CCTV 系統不能很好地滿足用戶的使用需求。

而新近城市軌道交通建設中，車地無線通信系統開始探索使用 LTE 技術，將 LTE 技術中的特點使用到車地無線通信系統中，可以很好地將新技術融合到老應用中，實現綜合業務的使用需求。

2 LTE與WLAN技術應用對比分析

2.1 組網結構對比

車地無線 WLAN 系統組網結構如圖1 所示，主要由無線控制器、接口服務器、核心交換機、車地無線傳輸系統、車站交換機、軌旁 AP（Access Point，無線接入點）、車載 AP 及車載工業交換機等設備組成，其中核心交換機和車載工業交換機分別實現與地面系統和列車系統的對接功能。

車地無線 LTE 系統組網結構如圖2 所示，主要由核心網、核心交換機、核心路由器、BBU（Base Band Unit，基帶處理單元）、RRU（Radio Remote Unit，射頻處理單元）、車載TAU（Train Access Unit，列車接入單元）及車載交換機等設備組成，其中核心路由器和車載交換機設備分別實現與地面系統和列車系統的對接功能。

圖1 車地無線 WLAN 系統組網圖

圖2 車地無線 LTE 系統組網圖

2.2 高速移動性對比

WLAN 系統最初設計是為提供熱點覆蓋，為用戶提供短距離、低速移動狀態下的無線接入服務。WLAN 系統越區切換能力較差，在不同小區切換過程中，丟包率、切換時延、吞吐率等性能都會下降，傳輸能力受移動速度影響非常大。目前城市軌道交通 WLAN 系統采用 IEEE 802.11n 技術標準，在 2.4 GHz/5 GHz 載頻、高于 80km/h運行速度的情況下，在動態切換過程中存在帶寬衰減嚴重的情況。

在標準定義中，時速120 km/h 以下為低速應用場景，120～350 km/h 為高速應用場景。LTE 系統定位為滿足高速移動場景下的寬帶無線接入系統，為此LTE系統采用了 AFC（Automatic Frequency Control，自動頻率控制）、RRU 共小區、基于頻偏的切換技術，增強了高速移動場景下的處理能力。

為了對抗高速情形下的多普勒效應，LTE 系統基站接收機采用了 AFC 技術進行頻率糾偏?；窘邮諜C的增強 AFC 技術可以通過快速測算高速帶來的頻率偏移，補償多普勒效應，改善無線鏈路的穩定性，從而提高解調性能。測試證明，基站通過采用 RACH（Random Access Channel，隨機接入信道）的 AFC 性能、RACH 消息解調的 AFC 性能，可使頻移性能損失小于 0.5～14 dB，有效提高了 RACH 信道的前導檢測性能和消息解調性能。

LTE 系統采用越區切換設計，移動終端設備無線接入LTE 網絡后，下發信號強度檢測測量消息，根據報告消息觸發切換動作，使移動終端設備從原先小區切換到信號強度較好的小區，做到越區切換。

2.3 抗干擾能力對比

隨著寬帶互聯網技術的普及，2.4 GHz 共用頻段的WLAN 用戶數量激增，干擾源日益復雜。城市軌道交通中繼續使用 WLAN 技術承載車地無線業務，易受外界干擾，加之缺乏有效的抗干擾機制，使用戶使用安全性降低。

而 LTE 系統使用 1.8 GHz 專用頻段可以規避外界的干擾，同時 LTE 系統中采用 ICIC（Inter-Cell Interference Coordination，小區干擾協調），IRC（Interference Rejection Combining，干擾抑制合并）等專業技術可以有效降低系統內同頻干擾，使用戶使用安全性大大提升。

LTE 系統中 ICIC 小區間干擾消除技術是降低 LTE 小區間干擾的重要手段。ICIC 包括 SFR（Soft Frequency Reuse，軟頻率復用）和 FFR（Fractional Frequency Reuse，部分頻率復用）。通過管理無線資源使得小區間干擾得到控制，是一種考慮多個小區資源使用和負載等情況進行的多小區無線資源管理功能。具體而言，ICIC 以小區間協調的方式對各個小區無線資源的使用進行限制，包括限制哪些時頻資源可用，或者在一定的時頻資源上限制其發射功率。

IRC 算法同時考慮了干擾和噪聲的影響，適用于存在空間有色干擾的場景，可以獲得干擾消除的增益，即 IRC 在干擾場景下可以獲得更好的性能。

2.4 系統穩定性對比

WLAN 系統在城市軌道交通沿線設備部署密集，鏈路設計復雜，維護困難；同時，WLAN 技術缺乏有效的 QoS（Quality of Service，業務質量）保障機制，在覆蓋較差的區域很難有效滿足重要業務的使用需求。

LTE 系統隧道內設備部署少，鏈路設計簡單，系統穩定可靠，降低了維護難度；同時，LTE 技術中有多級 QoS 算法保障機制，可以在覆蓋較差的區域有效保證重要業務的使用。

在 LTE 系統中每個承載都有相應的 QoS 參數 QCI（QoS Class Identi fi er， QoS 標度值）和 ARP（Allocation and Retention Priority，分配和保留優先級），這些參數定義了不同的 QoS 保障策略。LTE 無線網絡可以將不同的傳輸業務映射至專用承載，并根據業務傳輸質量要求定義配套的 QCI 和 ARP。

根據綜合業務承載中不同業務的要求，結合 LTE 對優先級和服務質量分類，將各業務的優先級和服務質量（包括數據延時和數據丟包率）定義如表1 所示。

一個業務承載要經過不同的網元和接口，業務承載在每個接口上會映射到不同的底層承載，每個網絡節點負責維護底層承載的標識以及相互之間的綁定關系。對于城市軌道交通車載 PIS 和車載 CCTV 的實際業務，可以通過 IP 地址、端口區分不同的業務。

表1 QoS 設置表

3 LTE 系統在工程應用方面的優勢

LTE 技術較 WLAN 技術有很大的改進，在工程應用方面也有非常大的優勢。首先，LTE 可滿足綜合承載使用需求，將多個業務統一到一個車地通信系統中，有效節省投資；其次，LTE 系統組網簡潔，區間設備部署少，可以簡化施工，提高施工單位的工作效率；最后，LTE 系統調試簡單，可以大大縮短調試工期，為城市軌道交通后續其他系統的調試工作節省時間。

4 LTE 系統存在的問題

LTE 系統作為在城市軌道交通應用中的新型技術，在應用過程中也暴露出一些缺點。首先，目前城市軌道交通行業獲得的無線電委員會批復的頻率資源最多為20mHz 帶寬，有些城市地上部分只有 10mHz 帶寬。受頻率資源的限制，LTE 系統很難提供更大的數據傳輸速率，不能更好地服務于列車視頻業務。另外，LTE 系統區間設備覆蓋半徑盡管較 WLAN 系統有所增加，但是仍然在 1km 范圍內，這樣在很多大長區間環境下應用不便，列車提速后需要在多個小區間頻繁切換。

5 LTE 系統的應用前景及開發方向

LTE 系統引入了 OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用）和 MIMO（Multi-Input & Multi-Output，多輸入多輸出）等關鍵傳輸技術，顯著增加了頻譜效率和數據傳輸速率，并支持多種帶寬分配， 在 20mHz 頻譜帶寬條件下能夠提供下行100 Mbps、上行 50mbps 的峰值速率，可以滿足多監控終端的上傳數據需求。根據 LTE 技術特點，可綜合承載信號控制 CBTC 業務、集群調度業務、緊急文本下發、PIS 及車載 CCTV 業務。

6 結束語

LTE 技術較 WLAN 技術有非常大的改進，可最大限度保證丟包率、切換時延、吞吐率等性能穩定，并具有高帶寬，可以更好地適應高速運動場景，同時安全機制和抗干擾技術可以保證無線數據業務的安全可靠傳輸。隨著無線通信技術的不斷成熟和發展，國內基于 LTE 無線通信技術的城市軌道交通線路已有多條順利開通，且多為綜合承載業務，為 LTE 技術在城市軌道交通中的應用提供了很好的典型范例，而 LTE 的技術優勢也為城市軌道交通提供了強有力的保障。因此， LTE 技術應用于城市軌道交通是行業的發展趨勢。

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