LTE技術在地鐵通信工程中應用探討

黃健

【摘 要】隨著時代的進步及科學技術的發展，無線通信技術領域進入了4G時代，不再局限于文字和音頻信息，縱觀國內外地鐵交通事故的發生，讓通信監控設備及對乘客的監督管理改善起著重要的支撐作用，以便應對突發事件。本文主要對LTE技術在地鐵通信領域中的應用進行分析，以期為地鐵通信的進步及完善提供借鑒。

【關鍵詞】地鐵無線通信；LTE技術；應用

前言：

LTE技術在技術層面上是增強空中接入及技術改進，也是由3G的基礎上向4G過渡的一項技術。與傳統的3G網絡技術比較，4G具有更強的數據下載、傳輸速率、容量及覆蓋率。主要采取了OFDM和MIMO，被認為是3G向4G時代的主流技術。

一、LTE技術在地鐵無線通信中的應用優勢

（一）LTE的抗干擾技術

WIFI在干擾檢測方面只能提供帶寬級的信號強度進行檢測與反饋，這樣難免會出現不精確的數據，而LTE運用導頻設計均勻分配時頻域，以2ms快速調度響應跟蹤信道時頻域變化。同時還可以同步反饋多個終端，提升了干擾檢測的及時性和準確性，及時根據干擾情況進行調整資源，被檢測到之后，LTE根據終端的信道狀況分配子帶頻率資源，LTE也可以通過AMC自動調整編制和編碼策略。

（二）LTE的高移動性

WIFI由于覆蓋范圍小，比較適用于固定場所，由于地鐵車輛時移動的，在地鐵車輛上應用WIFI技術，導致頻繁地選擇和關聯新AP時會耗費大量時間。LTE技術則不同，它采用無縫切換算法，大大縮短了延時，這種高移動性也滿足了地鐵在高速移動的時候仍然能連接網絡。

（三）LTE的高可靠性

在可靠性上，WIFI的數據傳輸無優先級，它采用基于用戶競爭的QoS算法，沒有絕對的用戶優先級，在這種情況下，出現一個同頻干擾源，丟包率就有60%，當出現兩個同頻干擾源時，丟包率高達100%，這無法滿足地鐵任一級別業務。而LTE采用的是9級QoS算法，按照優先級進行傳輸，優先傳輸高優先級，盡量傳輸低優先級的，這種多級QoS算法便保證了網絡數據的有效傳輸。

二、LTE技術在地鐵無線通信中的應用分析

（一）LTE的信道和接收性能

LTE需要綜合運用CBTC、CCTV、PIS多種通信業務，可以實現CCTV視頻快速上傳，使調度員、值班員可實時監控列車內部情況，可以滿足PIS實時高清播放需求。在承載工作進行過程中，有以下幾個問題需要注意：A、B兩網相互獨立、并行工作；A網分配較大帶寬，承載雙向CBTC，上行CCTV，下行PIS；B網分配較小寬帶，承載雙向CBTC信息作為備份。經測試和分析，在相同的接收功率情況下，LTE技術相較于WIFI可以支持更快的列車速度，在相同的列車速度下，LTE技術靈敏度更高。

（二）LTE的地鐵業務帶寬分析

帶寬是用來保障圖像質量的，在地鐵的通信應用中，包括CCTV、CBTC、PIS三種業務。在CBTC系統中符合列車需求的傳輸帶寬為：在最不利情況下傳輸帶寬不能小于1Mbit/s。為了保證在列車高速移動時滿足上網需求，LTE網絡要為PIS和CCTV預留15M帶寬，分別給CBTC系統和語音視頻調度系統預留3M和7M帶寬，總計需要帶寬25M才能完全滿足地鐵通信業務需求。

（三）LTE技術的設計原則

在設計LTE技術，只有滿足以下幾個基本原則，才會真正地滿足地鐵的網絡需求。

①可靠性原則。為了保證有突發事件時，網絡和信息傳輸不受影響，CBTC信號系統要求任何節點都有備份；

②安全性原則。這是為了數據在傳輸過程中不丟失，或者能抵御其他不良信息的攻擊，保證其安全性；

③實時性原則。能夠保證數據、信息的實時傳輸，對于車廂內的情況進行實時監控；

④高帶寬原則。為了防止視頻卡頓、信息傳播速度慢、不能實時更新等情況，需要有高帶寬來滿足地鐵對網絡速度的要求；

⑤環境適應性原則。無線的布置要考慮到乘客的上網需求，做到網絡覆蓋所有乘客。

（四）效益分析

LTE技術一定程度上提高了地鐵的監控水平，為保障列車的安全提供了實時信息，也為乘客提供了一個更好的乘車體驗，乘客可以在列車行駛過程中查看到服務信息、公共資訊、娛樂新聞等。此外，LTE 技術在數據傳輸上有更快的速率，有更充足的系統容量，有更低的運營成本。可以說，LTE技術的運用既降低了成本，又提高了經濟效益。

三、LTE技術應用于CBTC分析

（一）LTE技術的安全機制

用戶的所有操作是在安全密匙生產和相互認證的基礎上實現的，LTE的密匙生產過程是通過對所有密匙進行計算得出加密密匙和完整性密匙，再由這兩種密匙得出一個父密匙KASME，由父密匙產生各層所需的子密匙，這樣便形成了防止上下級密匙泄露的密匙分層系統。LTE的密匙協商過程采用的是Milenage算法，目前為止，這種算法還未被攻破過，這種算法具有AKA鑒權過程中五元組鑒權機制，可以實現用戶設備和網絡方面的雙向鑒權。它的優勢在于，其具有128bit的密匙長度很難被破解，并且它的雙向鑒權可以抵抗不良偽基站的攻擊，它能夠很好地滿足CBTC的安全需求。

（二）LTE技術的時延

在高速移動的地鐵中，為了保證信號接收的及時性和通信質量，一定需要有嚴格的數據時延控制。目前LTE對時延的控制是：用戶面單項傳輸要小于5ms；把控制面從睡眠狀態喚醒到激活狀態小于50ms，把控制面從駐留狀態遷移到激活狀態時間小于100ms；用戶網絡中斷時間不能超過100ms。在芬蘭的LTE網絡測試中，平均時延僅有23ms。這些指標表明，LTE網絡傳輸速度非常快，能滿足大部分地鐵通信的需求，比如VoIP、高清IPTV或者視頻流媒體。

（三）LTE技術的丟包率

所謂丟包率，顧名思義就是在數據包發送時，丟失的數據包數量占總數據包的比率。目前最穩定的美國VERIZON4G網絡被測試過，結果顯示，在美國這樣一個4G網絡非常成熟的國家，LTE的丟包率竟然高達30%。由此可見，LTE在保證數據完整傳輸上存在比較大的問題，丟包率過大難以符合CBTC 的安全穩定要求。

四、地鐵的LTE需求

（一）車載CCTV安全需求

發生緊急情況時，LTE能傳送地鐵高清視頻，使調度員能對車廂內的各種情況進行實時監控。況且LTE可以優先運行安全信息，以確保行車安全。車載CCTV圖像轉發給各個車廂，通過車廂內的PIS屏可顯示正確的引導信息，安全、正確地乘坐地鐵。

（二）車載PIS實時高清需求

隨著網絡技術的普及和不斷發展，人們對視頻的觀看體驗要求越來越高，而在地鐵上，也需要有流暢的地鐵影音服務來滿足乘客的這一需求，車載PIS可以通過LTE提供實時的重大新聞、賽事進行、電視節目的播放，滿足高清視頻的無延時播放需求，滿足乘客的娛樂需求，提高了PIS的媒體實時性。

（三）增值業務需求

LTE可以按時間段和高峰人流量等數據進行相應的廣告投放，這種廣告投放模式和運營方式更加科學高效，也極大地提高了廣告投放效率，并且降低了運營成本，提高了經濟效益，可見LTE是一個比較完善的公共媒體實時信息投放平臺。此外，LTE網絡技術還可以實現集多種功能于一體的綜合音視頻集群通信系統，在語音調度的基礎上，增加遠程監控、視頻會議、智能分析、視頻調度等多種功能，很大程度上增加了調度的及時性和準確性。

五、結語

LTE技術在地鐵通信工程中的應用取得很大進步，大大減少了延時和數據的丟包率，提高了傳輸效率，保證信號接收的及時性及通信質量。同時也滿足了當前乘客對地鐵影音服務的需求，LTE技術所具備的眾多優勢，相信在未來的地鐵通信領域得到更為廣闊的應用市場。