基于特殊頻段的LTE系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用

馬汀

摘要：近幾年無線技術(shù)飛速發(fā)展，LTE系統(tǒng)在城市軌道交通中也在逐步推進(jìn)，但頻率資源的限制使得LTE系統(tǒng)無法得到全方位的應(yīng)用。本文提出了5GHz的特殊頻段LTE系統(tǒng)思路，并針對城市軌道交通專用無線網(wǎng)絡(luò)的具體業(yè)務(wù)進(jìn)行了研究，對其他類似的工程設(shè)計(jì)提供參考作用。

關(guān)鍵詞：LTE；軌道交通；特殊頻段

中圖分類號：U285 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）02-0033-03

1 概述

城市軌道交通中的無線系統(tǒng)大致可分為三類，專用無線網(wǎng)絡(luò)、公安無線網(wǎng)絡(luò)和民用無線網(wǎng)絡(luò)。專用無線網(wǎng)絡(luò)主要為地鐵專網(wǎng)服務(wù)，用戶為地鐵運(yùn)營人員；公安無線網(wǎng)絡(luò)為地面公安無線在地鐵區(qū)域的延伸，用戶為公安人員；民用無線網(wǎng)絡(luò)為公眾移動運(yùn)營商（中國移動、中國聯(lián)通、中國電信等）無線系統(tǒng)在地鐵區(qū)域的延伸，用戶為手機(jī)客戶。

根據(jù)國家無線電管理的相關(guān)規(guī)定，LTE系統(tǒng)在地鐵專用無線網(wǎng)絡(luò)中可申請的頻率范圍僅為1785～1805MHz共20MHz頻寬。隨著城市軌道交通的飛速發(fā)展，無線業(yè)務(wù)需求日益豐富，高速增長的無線帶寬需求與有限的頻率資源之間的矛盾日益凸顯，利用特殊的5GHz頻段的LTE（也稱為LTE-U）成為一種新思路。本文將基于佛山地鐵2號線一期工程研究LTE-U在專用無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

2 項(xiàng)目背景

2.1 項(xiàng)目概況

佛山城市軌道交通2號線一期工程整體呈東西方向，起點(diǎn)為南莊站，終點(diǎn)為廣州南站，正線線路總長為32.4 km，共設(shè)車站17座、車輛段及綜合維修基地一座、停車場一座、控制中心一座。

2.2 頻率資源現(xiàn)狀

工信部在2015年通過《關(guān)于重新發(fā)布1785-1805 MHz頻段無線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》（工信部無201565號）發(fā)布了關(guān)于LTE系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，明確城市軌道交通可采用1.8GHz的 LTE系統(tǒng)應(yīng)用于無線通信，具體頻率資源的申請事宜可與當(dāng)?shù)責(zé)o線電主管部門充分溝通，確定合理的無線方案。同時(shí)，近幾年中國軌道交通協(xié)會也通過各種渠道推動LTE在城市軌道交通中的應(yīng)用，在條件允許的情況下盡量申請到1785～1805MHz的全部20MHz頻段。

經(jīng)過與無線電主管部門的多次溝通，了解到當(dāng)?shù)仡l率資源的現(xiàn)狀，1790～1795MHz的5MHz已批復(fù)其他用戶。同時(shí)，考慮到與其他公眾移動運(yùn)營商的頻段相鄰，易相互干擾，針對1785～1790MHz以及1800～1805MHz范圍的頻率資源原則上不建議過度使用。綜合上述情況，1.8GHz頻段資源緊張，對于方案的穩(wěn)定存在不確定性，于是著手考慮基于5GHz頻段的LTE-U在本工程中的應(yīng)用研究。

3 無線方案設(shè)計(jì)

3.1 業(yè)務(wù)需求

專用無線業(yè)務(wù)涉及面較廣，主要用戶為地鐵運(yùn)營人員，包含了信號車地?zé)o線系統(tǒng)、集群專網(wǎng)無線系統(tǒng)、PIS車地?zé)o線系統(tǒng)和車載視頻監(jiān)控等。

信號車地?zé)o線系統(tǒng)在整個(gè)信號系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用，承載了列車間距防護(hù)、列車速度防護(hù)、列車自動運(yùn)行與調(diào)度等多項(xiàng)功能，確保行車安全，同時(shí)又能高效運(yùn)行、便于管理人員靈活調(diào)度指揮。信號車地?zé)o線系統(tǒng)主要傳送地面與列車之間的各類數(shù)據(jù)信息，主要包含列車控制信息、列車地理位置信息、鑒權(quán)信息等。所有數(shù)據(jù)均要求獨(dú)立高可靠性的冗余通道、低速率的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸以及最高的優(yōu)先級。

集群專網(wǎng)無線系統(tǒng)為固定用戶、移動用戶之間提供迅速、高質(zhì)量的無線通信保障。其中固定用戶包括控制中心調(diào)度員、車輛段/停車場調(diào)度員、車站車控室值班員等，移動用戶包括站務(wù)人員、列車司機(jī)、檢修人員等。集群專網(wǎng)無線系統(tǒng)主要提供無線語音調(diào)度、日常通話等功能，確保行車安全、提高列車運(yùn)行效率、在緊急情況下提供必要保障。該業(yè)務(wù)要求低速的準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可靠傳輸、較高優(yōu)先級邏輯需求以及高可靠性的通道。

PIS車地?zé)o線系統(tǒng)主要承載列車車廂內(nèi)廣告、新聞、咨詢發(fā)布，同時(shí)進(jìn)行必要的乘客指引信息播放。無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要為圖片、文字、視頻等信息。 該業(yè)務(wù)要求直播為主、錄播為輔。直播數(shù)據(jù)要求實(shí)時(shí)性強(qiáng)、切換穩(wěn)定無卡頓。錄播要考慮在車輛段/停車場列車車庫內(nèi)的靜態(tài)工況下大批量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。該業(yè)務(wù)要求緊急信息數(shù)據(jù)優(yōu)先級高、限制錄播數(shù)據(jù)帶寬、保證組播數(shù)據(jù)通道。

車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)控列車車廂內(nèi)的情況，并在緊急情況下為應(yīng)急調(diào)度指揮提供實(shí)時(shí)的車內(nèi)高清動態(tài)圖像信息。無線數(shù)據(jù)主要為視頻信息。該業(yè)務(wù)要求大量的多路實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)傳輸，帶寬壓力主要集中在上行帶寬，且數(shù)據(jù)優(yōu)先級較高，盡量避免重傳。

其他的無線業(yè)務(wù)主要體現(xiàn)為列車車況信息，一般為低速率的數(shù)據(jù)信息，對實(shí)時(shí)性要求較高。

信號車地?zé)o線系統(tǒng)和集群專網(wǎng)無線系統(tǒng)主要承載低速數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性、可靠性要求較高，一般采用WLAN或 LTE制式承載 信號車地?zé)o線系統(tǒng)業(yè)務(wù)， 采用TETRA或LTE制式承載集群專網(wǎng)無線業(yè)務(wù)。 信號車地?zé)o線系統(tǒng)和集群專網(wǎng)無線系統(tǒng)涉及行車安全，與調(diào)度指揮息息相關(guān)，地鐵公司往往考慮選用產(chǎn)品成熟度高、行業(yè)內(nèi)廣泛采用并認(rèn)可的無線制式， 基于此背景，本文將重點(diǎn)研究 LTE- U制式承載非關(guān)鍵業(yè)務(wù)、帶寬需求較高的 PIS車地?zé)o線系統(tǒng)、車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)等解決方案。

3.2 總體方案

LTE-U網(wǎng)絡(luò)由有線承載網(wǎng)、無線承載網(wǎng)。有線承載網(wǎng)由專用通信系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)提供，專用通信系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以控制中心為切點(diǎn)組建兩個(gè)傳輸環(huán)網(wǎng)。無線承載網(wǎng)由LTE核心網(wǎng)、車站/段場基站以及車載設(shè)備組成。各類無線業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在控制中心通過交換機(jī)連接至LTE核心網(wǎng)，經(jīng)由有線承載網(wǎng)、無線承載網(wǎng)、車載網(wǎng)絡(luò)與列車進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。總體組網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。

3.3 業(yè)務(wù)承載方案

LTE-U網(wǎng)絡(luò)主要承載車載PIS信息、車載CCTV信息以及列車車況信息。

3.3.1 車載PIS

LTE-U網(wǎng)絡(luò)提供車載PIS業(yè)務(wù)，由地面將文字、圖像以及視頻信息通過無線方式傳送到列車車廂內(nèi)播放。具體如下：

（1）要求支持單播或組播通信；

（2）要求能夠傳輸圖像分辨率為高清的視頻，傳輸速率占用下行帶寬4-8Mbps；

（3）要求傳輸時(shí)延不超過500ms的概率不小于98%；

（4）要求丟包率不大于1%。

3.3.2 車載CCTV

LTE-U網(wǎng)絡(luò)提供車載CCTV業(yè)務(wù)的車地?zé)o線傳輸，可用于控制中心管理人員或公安干警實(shí)時(shí)監(jiān)控列車車廂。在緊急情況下，為公安、消防人員提供實(shí)時(shí)的高清圖像，為打擊犯罪、指揮救災(zāi)等工作提供輔助。

車載CCTV業(yè)務(wù)要求針對全線各列車所有攝像機(jī)攝取的畫面進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)看或歷史查詢。本工程采用列車6節(jié)編組，每節(jié)車廂需要上傳一路高清視頻，圖像分辨率采用1080P全高清制式、H.264/H.265編碼，碼流不超過3Mbps，幀率不低于30幀/秒。單列車需要占用上行帶寬18Mbps。

3.3.3 列車車況信息

列車車況信息一般為低速率的數(shù)據(jù)信息，需要占用上行帶寬1-3Mbps。

綜合上述業(yè)務(wù)需求，單列車的無線通信帶寬要求上行不小于21Mbps、下行不小于8Mbps。

3.4 無線覆蓋方案

（1）正線區(qū)間。正線區(qū)間可以采用波導(dǎo)管和天線兩種無線覆蓋方式。波導(dǎo)管無線覆蓋均勻，方向性集中，能夠適應(yīng)正線區(qū)間的彎度和坡度的變化，但造價(jià)較高，施工安裝難度大。天線造價(jià)低，安裝方便，施工難度小，但傳播距離受隧道變化影響較大。綜合考慮技術(shù)難點(diǎn)以及造價(jià)，建議正線區(qū)間采用天線方式進(jìn)行無線覆蓋。

天線主要采用定向天線，在地下段應(yīng)安裝在隧道較高處，盡量與列車車頂天線平齊；天線在高架段應(yīng)安裝在疏散平臺下方的托架處或自行立桿安裝，具備條件的情況下可以安裝在接觸網(wǎng)立柱上。

（2）車輛段/停車場。車輛段/停車場范圍較大，通過多個(gè)基站組建無線分布系統(tǒng)進(jìn)行場強(qiáng)覆蓋，天線采用全向天線與定向天線相結(jié)合的方式。

3.5 無線鏈路計(jì)算

考慮到單個(gè)無線小區(qū)僅有單列列車同行，無線小區(qū)邊緣速率需求按照上行21Mbps下行8Mbps進(jìn)行計(jì)算。列車速率按照80Km/h考慮，LTE-U基站考慮單載波組網(wǎng)，鏈路預(yù)算表如表1所示。

由上表可知單個(gè)無線小區(qū)的覆蓋半徑為370米，考慮到小區(qū)之間的切換以及設(shè)計(jì)余量，站間距可按照600米建設(shè)，大于600米的兩車站之間需要增加1套基站設(shè)備。

4 結(jié)語

專用無線網(wǎng)絡(luò)是城市軌道交通中必不可少的重要組成部分，為車-地之間提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸通道，為信息的相互傳遞保駕護(hù)航。本文基于佛山地鐵2號線一期工程，結(jié)合當(dāng)前LTE無線頻率的現(xiàn)狀，對特殊頻段的LTE-U系統(tǒng)在軌道交通的應(yīng)用提出了新的思路，并進(jìn)行了業(yè)務(wù)分析、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)規(guī)劃、無線覆蓋方案設(shè)計(jì)等研究，為城市軌道交通專用無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)

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