LTE技術在城市軌道交通信號系統中的應用分析

張衛民

1 引言

LTE技術是建立在3G網絡技術的基礎上創新發展演變而來，也被大多數人認為是4G技術，但是LTE技術實際上屬于3.9G的范圍。LTE技術是實現列車運行自動化的基礎，在城市軌道交通信號系統中，主要是由地面相應的信號設備對行駛的列車進行移動的命令授權行為，列車通過車載的信號接收設備來實現對命令的執行操作，在這一過程中，交通信號的傳輸過程一般需要依靠LTE技術來實現。

2 我國城市軌道交通信號系統無線通信的現狀

2.1 容易受到其他同頻段設備的干擾

從我國城市軌道交通信號系統的應用現狀來看，大多采用的是基于通信的列車自動控制系統（CBTC）。CBTC系統主要由安全裝置、對象控制裝置和輔助列車檢測設備等組成，利用這些裝置與外部的網絡系統連接，可以實現對列車的自動控制（詳見圖1）。CBTC信號系統具有列車間隔短、軌道運輸能力強等優勢，但是在實際的應用中還存在一定的缺陷，其中最為明顯的一類問題就是城市軌道交通信號系統非常容易受到其他同頻設備的干擾，從而影響到正常的信號傳輸。具體的原因主要是因為當前列車上免費開放的無線局域網絡和信號系統采用的均是2.4GHz頻段，這類開放頻段會導致信號傳輸通道被外界其他同頻段設備搶占的現象，系統內部的信號傳輸也會因此被阻斷，嚴重時甚至會影響到列車的正常運營。針對這種情況，想要進一步降低外界因素對軌道交通信號傳輸的影響，還需要額外采取應對措施，相關研究人員也就此展開了一系列的研究工作，致力于將不易被干擾的信號投入到城市交通的信號系統中。

圖1 CBTC信號系統構成示意圖

2.2 不支持高速移動

通過對各個地區城市交通信號系統的研究發現，有大部分地區在對城市交通規劃時都將列車的運行速度定位到120km/h，針對120km/h甚至更高的列車運行速度，會對城市交通信號系統的信號傳輸帶來巨大的壓力。從當前的WLAN技術應用標準的制定來看，最早是被定位在室內場景之間的無線寬帶傳輸，對于運行速度較高的移動設備來說，還沒有相應的信號傳輸優化設備能夠支撐移動設備的快速運行，過高的移動速度會在很大程度上增加信號傳輸誤碼率，進而對無線信號的傳輸造成影響。

2.3 城市交通軌道兩側的無線設備較多

從目前城市軌道交通信號系統來看，列車運行的實際速度越快，WLAN技術設備在信號傳輸過程中的可靠距離就越短，以列車運行速度80km/h為例，在設置WLAN設備的兩個AP點之間的距離需要控制在200m以內，那么如果一條軌道線路長達30km，則需要至少設置300個以上的AP設備（參考圖1）。但是在城市交通軌道兩側設置的信號傳輸設備越多，不僅需要更多的資金成本投入，對于城市交通信號系統中的安全隱患問題也會隨之增多[1]。如果軌道兩側的無線設備發生故障，技術人員往往無法及時趕到故障發生地點，對無線設備的搶修和日常維護的工作難度都相對較大。

3 LTE技術在城市軌道交通信號系統中的應用價值

3.1 LTE技術概述

LTE技術是建立在3G網絡技術的基礎上，經過不斷的創新和完善發展而來。LTE技術是由3GPP組織定義的一種空中無線接口標準，依靠LTE技術建立的移動通信目標是達到更高的信號傳輸速率，同時可以支持各類多媒體廣播的業務組播以及支撐包優化基礎上的無線接入架構。此外，LTE技術包含了當前最為先進的信號處理技術、靈活的頻譜解決方案以及具有非常靈活的上下行資源配比，因此具有非常廣泛的應用。其中日本便是利用了LTE技術中的頻譜解決方案的靈活性，將TD-LTE網絡頻譜設置為2.545-2.575GHz，國內使用的則是2.57-2.62GHz等等。LTE技術在我國城市軌道交通信號系統中的應用，不僅顯著提高了列車運行的安全性，還進一步實現了列車的自動化運行，對于交通行業的發展具有不可忽視的重要作用。

3.2 LTE技術在城市軌道交通信號系統中的應用優勢

3GPP針對LTE技術的性能要求指標主要是：城市軌道交通信號系統在20MHz頻譜的帶寬條件下需要提供100Mb/s的下行以及50Mb/s的上行峰值速率。LTE技術在城市軌道交通信號系統中具有多種優勢，具體總結為以下幾點：（1）扁平化的網絡。LTE技術網絡采用的是BBU和RRU以及EPC兩層扁平的網絡構架模式，這一類型的網絡構架往往需要的網元節點會很少，時延小，可以進一步滿足網絡的低時延、低復雜度以及低成本的實際需求；（2）LTE技術在城市軌道交通信號傳輸系統中具有非常高的傳輸帶寬，并且支持成對以及非成對的頻段；（3）LTE技術在城市軌道交通信號系統中的應用表現出了較強的移動接入性能，可以通過對頻率的自動校準來進一步保證無線鏈路的質量。

3.3 LTE技術與WLAN技術的性能對比

表1 LTE技術與WLAN技術的性能對比

4 LTE技術在城市軌道交通信號系統中的應用分析

4.1 LTE信號系統的應用

隨著科學技術的不斷發展，LTE技術也在不斷完善和優化，LTE技術在城市軌道交通信號系統中的應用也為城市軌道交通的進一步發展起到了極大的推動作用。例如：鄭州市在2013年底開始開通運行的地鐵1號線，其中使用的PIS系統便是對LTE技術在無線通信方案中的首次運用。其次，LTE技術在深圳、溫州以及杭州等多地的城市軌道交通信號系統中中標[2]。LTE技術信號系統的應用主要涉及了列車的行車安全系統，對于無線通信的穩定性、可靠性以及安全性會有較高的要求。LTE技術在城市軌道交通信號系統的信號傳輸過程中，所需要的帶寬很小，并且具有較高的實效性和可靠性。由于城市軌道交通信號系統與城市軌道交通PIS系統在需求上存在一定的差異，所以在實際的LTE技術應用過程中，還需要根據實際的信號無線通信傳輸特點來進行適當的調試。

4.2 LTE技術在城市軌道交通信號系統中的應用測試

LTE技術在城市軌道交通信號系統中的應用測試主要是從2014年北京市交通委、北京市軌道交通建管公司、北京市軌道交通路網指揮中心以及北京市地鐵運營公司等多家公司和部門的共同支持下進行，通過聯合無線網絡通信廠商以及通信廠商對LTE技術在城市軌道交通信號系統中的應用信息進行了整合和測試工作。LTE技術在城市軌道交通信號系統中的應用測試拓撲示意圖如圖2所示，其中CBTC業務流數據包的具體大小為400bytes，實際的發送周期是100ms；信道仿真器主要采用的是ETU信道模型，同時按照漏纜信道衰落的特點設置信道仿真器鏈路衰耗，將傳輸頻寬控制在5MHz和15MHz。利用這個測試平臺，可以對LTE傳輸時延、丟包性能以及切換傳輸性能等關鍵性指標進行測試。參加LTE技術在城市軌道交通信號系統中應用測試的信號廠家有很多，比如：華為、中興、普天、54所等通信廠商以及卡斯柯、交控科技、富欣智控、全路通等信號廠家。LTE技術在城市軌道交通信號系統中的應用測試主要依托與實驗室測試平臺搭建的基礎上，各個通信廠商和信號廠家通過對城市軌道交通的模擬，進一步實現了對無線通信傳輸的測試。

圖2 LTE技術在城市軌道交通信號系統中的應用測試拓撲示意圖

在完成LTE技術在城市軌道交通信號系統中的應用測試試驗之后，參與測試的各方都將LTE技術相關設備積極地轉移到城市軌道交通環境展開實際的應用測試，測試結果也進一步表明了LTE技術在城市軌道交通信號系統中的巨大應用價值，標志著城市軌道交通又向前邁了一大步。

5 LTE技術在城市軌道交通信號系統中的使用專用頻率

LTE技術在城市軌道交通信號系統中的使用專用頻率，主要是為了LTE技術在城市軌道交通信號系統中的信號傳輸環節可以進一步增加抗干擾能力。2015年年初，工信部發布的關于城市軌道交通信號系統中1785-1805MHz頻段將接入到信號系統的頻率使用事宜，對于城市軌道交通信號系統可以申請專用的頻段進行了明確規定[3]。這一規定的發表，也直接表示了城市軌道交通單位可以對LTE技術應用的專用頻段進行申請，并將申請下來的頻段作為商用通信運營之外的獨立頻段存在，避免了民用手持移動設備可能對城市軌道交通信號系統中信號傳輸的影響。此外，在LTE技術在城市軌道交通信號傳輸中的專業頻段的應用，也進一步促進了LTE技術在城市軌道交通信號系統中應用的發展，更好地為城市軌道交通的發展提供堅實的技術支持。

6 總結

綜上所述，通過對LTE信號系統的在城市軌道中的應用、LTE技術在城市軌道交通信號系統中的應用測試以及LTE技術在城市軌道交通信號系統中的使用專用頻率三個方面的深入研究，進一步明確了LTE技術在城市軌道交通信號系統中的應用價值。作為當前移動通信發展中最為先進的一類技術形式，只有對LTE技術不斷地進行創新和優化，才能更好地為城市軌道交通的發展提供技術支持。