LTE技術(shù)在城市軌道交通信號系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

劉凈 陳燕

摘? 要：城市軌道交通有著大容量、高密度的客運(yùn)要求，對列車控制系統(tǒng)尤其是無線通信有非常嚴(yán)格的要求。該文通過介紹城市軌道交通無線通信性能需求以及存在的問題，分析LTE系統(tǒng)的特點(diǎn)及其相較于WLAN的技術(shù)優(yōu)勢。LTE系統(tǒng)的高速率、低時延、抗干擾、高移動性能等特點(diǎn)都更滿足城市軌道交通信號系統(tǒng)的需要。所以可以采用LTE技術(shù)作為車-地通信方案。

關(guān)鍵詞：無線通信? 干擾? 移動性能? 高速率

中圖分類號：U284 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）08（a）-0010-03

Discussion on the Application of LTE Technology in Urban Rail Transit Signal System

Liu Jing? Chen Yan

（Fuzhou Polytechnic， Fuzhou， Fujian Provinve， 350000 China）

Abstract： Urban rail transit has the requirements of large capacity and high density of passenger transport， and it has very strict requirements for train control system， especially for wireless communication. This paper introduces the performance requirements and existing problems of urban rail transit wireless communication， analyzes the characteristics of the LTE system and its technical advantages compared with WLAN. The characteristics of LTE system， such as high speed， low delay， anti-interference and high mobility， can meet the needs of urban rail transit signal systems. Therefore， LTE technology can be used as a vehicle ground communication scheme.

Key Words： Wireless communication; Interference; Mobile performance; High speed

近年來，基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）已經(jīng)普遍應(yīng)用到新建城市軌道交通線路中。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)列車與軌旁設(shè)備的車-地雙向通信，軌旁設(shè)備獲取列車實(shí)時信息并計算移動授權(quán)，并通過車-地雙向通信發(fā)送給車載設(shè)備，車載設(shè)備根據(jù)移動授權(quán)指導(dǎo)列車運(yùn)行，提高行車效率，保證行車安全。

隨著大城市人口增加，對列車運(yùn)行速度和運(yùn)營能力的要求越來越高，為滿足城市大容量、高密度的客運(yùn)要求，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、及時性提出了更高的要求。LTE技術(shù)能提供更大的容量、更高的質(zhì)量、更短的時延，對提高城市軌道交通運(yùn)營效率效果顯著。

1? 城市軌道交通CBTC簡介

當(dāng)前，我國城市軌道交通普遍采用CBTC（Communication Based Train Control）系統(tǒng)，其主要由列車自動防護(hù)子系統(tǒng)（ATP）、列車自動監(jiān)控子系統(tǒng)（ATS）、列車自動運(yùn)行子系統(tǒng)（ATO）、計算機(jī)連鎖子系統(tǒng)（CI）、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)（DCS）組成。其中車-地?zé)o線通信是數(shù)據(jù)子通訊系統(tǒng)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)車載與軌旁設(shè)備實(shí)時、高效、可靠的雙向數(shù)據(jù)交互[1]。

列車在行進(jìn)過程中不斷通過軌旁設(shè)備向列控中心發(fā)送自身標(biāo)識和狀態(tài)信息，列控中心根據(jù)列車實(shí)時位置和速度計算得到移動授權(quán)并發(fā)回列車。在保證安全的前提下，列車狀態(tài)和控制信息越快速、準(zhǔn)確地傳遞，就越能縮短列車運(yùn)行間隔，提高運(yùn)營效率。

2? 城市軌道交通CBTC系統(tǒng)無線通信現(xiàn)狀

目前，已開通的城市軌道交通信號系統(tǒng)主要采用的是2.4GHz無線局域網(wǎng)技術(shù)WLAN，該技術(shù)雖然能基本滿足城市軌道交通正常運(yùn)行的需要，但局限也比較大具體。

（1）干擾大。由于2.4GHz是免費(fèi)使用的開放頻段，市場上同使用頻段的設(shè)備較多，乘客攜帶這些設(shè)備乘坐地鐵時，易對車-地通信造成干擾，信號質(zhì)量受損，無法解析，甚至?xí)袛嘈盘杺鬏敚瑢?dǎo)致列車緊急制動，影響線路正常運(yùn)營。

（2）移動性能差。根據(jù)各地現(xiàn)有城市軌道交通發(fā)展規(guī)劃，各地開始大力發(fā)展市郊軌道交通，列車運(yùn)行最高速度可達(dá)120km/h甚至更高[2]。由于多普勒效應(yīng)，信號誤碼率增大，而WLAN的定位就是覆蓋機(jī)場、賓館、辦公室等場所，主要面向步行速度的慢速移動， 無抗頻偏算法，無法滿足高速情況下車-地信息交互的需求。

（3）設(shè)備數(shù)量多，由于WALN的單個設(shè)備覆蓋最多200m，一條10km的線路就得布置100余個AP，在國內(nèi)30km甚至更長的線路上，軌旁設(shè)備眾多，不可避免地會產(chǎn)生較多的故障，由于城市軌道交通的特殊性，日常運(yùn)營時無法及時到達(dá)故障點(diǎn)，開展搶修工作。

3? LTE在城市軌道交通信號系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 LTE系統(tǒng)概述

LTE（Long Term Evolution）是由3GPP（第三代合作伙伴計劃）組織制定的UMTS（通用移動通信系統(tǒng)）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的長期演進(jìn)。LTE系統(tǒng)引入了OFDM（正交頻分復(fù)用）、MIMO（多輸入多輸出）、AMC（自適應(yīng)編碼）、ICIC（小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)）等關(guān)鍵技術(shù)，顯著增加了頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率，理論上下行最大支持100Mbps，上行支持50Mbps，并支持多種帶寬分配：1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz等，頻譜分配更加靈活，系統(tǒng)容量和覆蓋也顯著提升。

LTE采用扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由EPC（核心網(wǎng)）構(gòu)成和eNodeB（接入網(wǎng)），其中EPC由MME、PGW、SGW組成，主要負(fù)責(zé)用戶信息管理、接入管理、數(shù)據(jù)和信令安全性管理等，eNodeB（Node B+RNC）主要負(fù)責(zé)無線資源管理、動態(tài)資源分配、無線接入控制等。

3.2 城市軌道交通信號系統(tǒng)無線通信需求

由于城市軌道交通信號系統(tǒng)對可靠性、安全性要求較高，且傳輸數(shù)據(jù)量較大，因此對車-地通信指標(biāo)有非常嚴(yán)格的規(guī)定，具體如下。

（1）傳輸速率大于等于1Mbit/。

（2）信息丟包率應(yīng)小于0.5%。

（3）誤碼率小于或等于10-6。

（4）越區(qū)切換時間應(yīng)小于100ms。

（5）網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲時間應(yīng)小于150ms。

3.3 LTE的技術(shù)優(yōu)勢

城市軌道交通車-地通信要求高速率、高可靠性、低時延，并且需求具備良好的移動性能，相比較WLAN技術(shù)而言，LTE技術(shù)有明顯的優(yōu)勢，具體如下。

（1）高速率。LTE引入了MIMO、OFDM等關(guān)鍵技術(shù)，傳輸速率大幅提升，20M帶寬下最高可支持上行50Mbps，下行100Mbps。

（2）低時延。LTE為了降低用戶面延遲，取消了RNC無線網(wǎng)絡(luò)控制器，采用了扁平網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，減少了設(shè)備數(shù)量的同時，提高了系統(tǒng)性能。

（3）抗干擾。LTE采用專用頻段，減少外部設(shè)備干擾，采用正交頻分復(fù)用，子載波間相互正交，降低用戶間干擾，引入循環(huán)前綴，消除符號間、載波間干擾。小區(qū)間采用干擾協(xié)調(diào)技術(shù)（ICIC），有效降低小區(qū)間干擾[3]。

（4）高速移動性。LTE抗頻偏算法，最高支持350km/h的速度，在15～120km/h速度下能保持較高的性能，多數(shù)列車運(yùn)行速度都在120km/h以下。

（5）靈活性。LTE支持多廠家混合組網(wǎng)、支持靈活的帶寬配置，能夠支持不同環(huán)境、不同廠家設(shè)備的匹配。

（6）維護(hù)性：軌旁設(shè)備數(shù)量少，便于維護(hù)。

LTE技術(shù)與WLAN技術(shù)對比如表1所示。

3.4 LTE在城市軌道交通信號系統(tǒng)中的應(yīng)用

LTE系統(tǒng)保護(hù)核心層、接入層、終端層，其中核心層是整個系統(tǒng)的心臟部分，負(fù)責(zé)管理整個信息網(wǎng)絡(luò)，確保雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。接入層是將列車與控制中心進(jìn)行連接，由旁軌的BBU、RRU還有車載的TAU組成[4]。終端層是獲取核心層和接入層數(shù)據(jù)，指導(dǎo)列車運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)列車和控制中心數(shù)據(jù)交互。

在城市軌道交通各系統(tǒng)中，需要實(shí)現(xiàn)車-地雙向通信的除了信號系統(tǒng)外還有PIS、CCTV系統(tǒng)等。各系統(tǒng)分別設(shè)置車-地通信網(wǎng)絡(luò)不但造成資源浪費(fèi)，也不易維護(hù)。搭建承載多專業(yè)的車-地?zé)o線通信平臺是城市軌道交通的發(fā)展趨勢。基于LTE技術(shù)搭建此平臺，可以在高速情況下，提供各系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求的數(shù)據(jù)傳輸能力。

基于TD-LTE技術(shù)搭建信號系統(tǒng)、PIS、CCTV等多業(yè)務(wù)綜合無線通信平臺，較傳統(tǒng)模式有的，優(yōu)勢明顯具體如下。

（1）各系統(tǒng)無需單獨(dú)搭建車-地通信網(wǎng)絡(luò)，減少了設(shè)備數(shù)量，在成本壓縮、運(yùn)營維護(hù)工作量減少上效果明顯。

（2）采用統(tǒng)一的車-地通信平臺后，可以有效避免各系統(tǒng)車-地通信網(wǎng)絡(luò)之間的干擾。

（3）有效整合資源，減少施工、協(xié)調(diào)難度，節(jié)約設(shè)備安裝空間，利于工程快速實(shí)施。

車-地?zé)o線通信網(wǎng)由核心網(wǎng)、基站設(shè)備（BBU+RRU）、車載TAU組成。其中核心網(wǎng)布置在控制中心，各系統(tǒng)通過路由器接入，保證隔離度，基站設(shè)備（BBU+RRU）布置在沿線各車站設(shè)備室內(nèi)，通過光纜連接，行車線路使用漏纜覆蓋，在列車的頭、尾各裝一套TAU，通過車載設(shè)備連接，發(fā)送、接收控制中心數(shù)據(jù)，并上傳車內(nèi)實(shí)時監(jiān)控信息。

4? 結(jié)語

隨著城市人口不斷增加，地面交通擁堵加劇，城市軌道交通也面臨越來越大的壓力，與其他運(yùn)輸方式不同，城市軌道交通的可靠性、安全性需要其他系統(tǒng)的支撐，尤其是信號系統(tǒng)。LTE具有高速率、低時延、抗干擾、高移動性能等特點(diǎn)，完全滿足城市軌道交通信號系統(tǒng)的需要，為了更好地監(jiān)控和維護(hù)系統(tǒng)設(shè)備，確保列車高速、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行，，在后續(xù)的城市軌道交通建設(shè)中，可以采用LTE技術(shù)作為車-地通信方案。

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