LTE與WLAN技術在軌道交通PIS系統應用對比

寧貝貝

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070）

1 概述

軌道交通乘客信息系統（PIS系統）車地無線網絡作為控制中心與車載信息的通信橋梁，車載設備可通過車地無線網絡通道接收中心下發內容并在列車LCD顯示屏上實時播放；同時車載設備還可通過車地無線網絡通道將列車監視圖像傳遞到OCC供相關系統選擇調看。McWill技術產業供應鏈小，且其中繼放大設備目前尚無相關應用。近年來WLAN及LTE技術在軌道交通車地無線領域得到了普遍應用，且均有多條國內地鐵開通案例。本文針對車地無線系統中WLAN與LTE技術特點，結合國內具體項目應用實例對兩種技術做進一步研究。

2 LTE與WLAN技術應用對比

2.1 LTE系統

（1）LTE系統在軌道交通應用的優勢。LTE系統滿足綜合業務傳輸需求，可將多業務統一到一個車地無線系統從而有效節約投資；LTE系統組網結構簡潔，區間設備部署較WLAN系統更少，簡化施工提高施工效率；LTE系統系統調試簡單，可縮短調試工期。

（2）LTE系統存在問題。目前在軌道交通行業中，各地無委會批復頻率資源有限，最多20M帶寬。受頻率資源制約，LTE系統很難提供更大數據傳輸速率，尤其對于PIS系統若帶寬需求量大時，無法提供相應帶寬承載需求。

2.2 WLAN系統

基于IEEE802.11標準，工作頻段在2.4G/5.8GHz的WLAN技術目前在軌道交通車地無線系統中廣泛應用。尤其在802.11ac標準頒布后，通過帶寬（最高160MHz）、空間流數（最高4條）和調制方式等方面的改善，可以支持更高的性能。802.11標準的發展過程如下圖所示：

（1）WLAN系統在軌道交通應用的優勢。在軌道交通領域，WLAN系統支持2.4GHz/5.1GHz/ 5.8GHz無線頻段，且工作在ISM頻段（公用頻率），因此頻率使用只需進行報備，無需專項申請；目前802.11ac采用最高至256-QAM的調整方式，理論上在160MHz的無線頻率資源，靜止狀態可提供不小于1Gbit/s的傳輸速率，業務的帶寬支持能力較802.11n更強；此外，802.11ac較802.11n工作在5GHz頻段，WLAN網絡避開了繁忙的2.4GHz頻段，減少了WLAN設備相互間的干擾，從而提高WLAN網絡的抗干擾能力及穩定性。

（2）WLAN系 統 存 在 問 題。目 前WLAN系 統802.11ac只有在基礎設施能夠支撐的情況下才能發揮它的優勢性能。雖然從理論上來看802.11ac能夠提供高達1Gbps的傳輸速率，但是必須有強大的硬件來支持它傳輸，這就顯著增加了設備的復雜性。

3 PIS系統車地無線實際應用中的方案選擇

以西安地鐵5號線工程為例，基于既有4號線PIS系統車載信息通過LTE綜合承載網絡上傳的設計思路，5號線PIS系統設計之初車地傳輸方案也利用LTE綜合承載。

3.1 既有4號線PIS車地無線傳輸方案

既有4號線為全地下站，車地傳輸采用的LTE綜合承載無委最終批復20M帶寬。LTE車地系統采用A/B雙網設計。A網使用15MHz系統帶寬同頻組網，綜合承載信號CBTC、列車緊急文本、列車運行狀態監測信息、IMS視頻監控、PIS視頻業務、集群調度（預留）。B網使用5MHz單獨承載信號CBTC。其中PIS信息承載由列車緊急文本下發、車載PIS流媒體直播業務、車載CCTV監控上傳業務三部分組成。每個RRU小區的無線接入網容量按6列車設計，A網每個小區列車緊急文本信息承載帶寬為下行60kbps。PIS流媒體直播業務采用組播方式下發720P以上碼流，數據傳輸碼率為6Mbps～8Mbps。每列車車載CCTV可至少上傳2路圖像至控制中心，監視圖像分辨率不低于D1，采用MPEG-4或H.264編碼方式，每路圖像的傳輸碼率為1Mbps～2Mbps。4號線正線A/B網承載帶寬，在每個小區極限6列車情況下，業務帶寬需求見表1。

表1 A/B網承載業務帶寬表

A網采用15MHz頻率組網，正常情況下，系統可以達到理論峰值下行29.46Mbps；上行16.07Mbps。4號線15MHz頻率組網可滿足綜合承載帶寬需求。

3.2 5號線PIS車地無線傳輸方案選擇

5號線工程鑒于全線高架站多，因此在申請LTE頻段時無法申請到20MHz頻寬，根據目前與無委溝通，5號線可申請到的LTE系統帶寬最大為15MHz。15M帶寬條件下根據LTE-M規范LTE系統組建A、B雙網按照10+5或10+3組網，即用于綜合承載的A網可分配最大帶寬為10MHz。

（1）采用10MHz頻率組網速率分析

目前國內主要LTE生產設備廠商包括華為、中興、武漢智慧地鐵（烽火）等。采用10M組網時華為實測上行平均速率11Mbps，上行邊緣速率7Mbps，下行平均速率25Mbps，下行邊緣速率7Mbps；中興上行平均速率8Mbps，上行邊緣速率5Mbps，下行平均速率13Mbps，下行邊緣速率8Mbps；烽火上行峰值速率10Mbps，上行邊緣速率2～4Mbps，下行峰值速率20Mbps，下行邊緣速率3～5Mbps。對比分析上述廠家實測數據后，10M組網時速率上行為5～8Mbps，下行7～13Mbps。

（2）5號線PIS業務帶寬需求

5號線每列車車載CCTV可至少上傳2路圖像至控制中心，車載CCTV監視攝像機采用全高清1080P（1920×1080），編碼方式為H.265，每路圖像的傳輸碼率為不大于4Mbps。

（3）5號線PIS車地傳輸技術方案選擇

按照5號線PIS業務帶寬需求，即使車載CCTV監視圖像在H.265編碼方式下壓縮至2Mbps，車地通信綜合承載A網提供的速率最大8Mbps，實際需求業務帶寬≥8.7Mbps超出承載能力，采用10M組網的LTE系統無法滿足PIS系統綜合承載需求。鑒于5號線工程實際情況，5號線采用WLAN802.11ac技術。根據寧波地鐵WLAN802.11ac測試結果，車輛以80km/h正常運行時，軌旁AP采用40Mhz頻寬，車地鏈路的穩定運行帶寬吞吐量大于120Mbps；軌旁AP采用80Mhz頻寬，車地鏈路的穩定運行帶寬吞吐量大于180Mbps。5號線采用WLAN802.11ac能夠提供更高更穩定帶寬，不僅能夠滿足當前PIS業務需求，也能滿足其他車地業務承載。

4 結束語

LTE與WLAN技術在PIS系統車地無線方案中各有優勢，但在實際工程項目中，PIS車地無線傳輸的選擇需結合當地無委批復的使用頻寬，運營部門對PIS業務的需求合理分析選擇。總的來說，具備高帶寬提供能力及免費頻帶資源的WLAN802.11ac技術在地鐵PIS車地無線方案中相對LTE優勢更明顯。