LTE技術(shù)在全自動(dòng)駕駛中的應(yīng)用

海燕

摘要：當(dāng)前LTE技術(shù)在地鐵中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，本文論述了LTE技術(shù)在地鐵車(chē)地?zé)o線通信中的應(yīng)用，重點(diǎn)闡述了在全自動(dòng)駕駛模式下LTE系統(tǒng)的組網(wǎng)及業(yè)務(wù)承載等，并展望了LTE技術(shù)未來(lái)在地鐵中的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：LTE技術(shù)、全自動(dòng)駕駛模式、綜合承載

隨著地鐵的不斷發(fā)展，列車(chē)駕駛模式也在不斷革新，自2017年北京燕房線開(kāi)通以來(lái)，全自動(dòng)駕駛模式逐漸在中國(guó)多個(gè)城市鋪展開(kāi)來(lái)，地鐵迎來(lái)智能新時(shí)代。地鐵車(chē)地?zé)o線通信網(wǎng)是地鐵整體網(wǎng)絡(luò)中至關(guān)重要的一部分，主要承擔(dān)信號(hào)CBTC（Communication Based Train Control System）、車(chē)輛TCMS（Train Control and Monitoring System）、車(chē)載PIS（Passenger Information System）、車(chē)載CCTV（Closed Circuit Television）及列車(chē)無(wú)線通信等多個(gè)車(chē)地?zé)o線通信業(yè)務(wù)，穩(wěn)定與否將直接影響行車(chē)安全。本文以南京地鐵7號(hào)線為例，深入研究在全自動(dòng)駕駛模式下LTE技術(shù)的應(yīng)用。

一、車(chē)地?zé)o線通信網(wǎng)的發(fā)展

傳統(tǒng)的車(chē)地?zé)o線通信網(wǎng)是由三套獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，分別為一套無(wú)線集群語(yǔ)音通信網(wǎng)絡(luò)，一套具備網(wǎng)絡(luò)冗余的CBTC網(wǎng)絡(luò)及一套集成車(chē)載PIS、車(chē)載CCTV和車(chē)況信息等的網(wǎng)絡(luò)。其中無(wú)線集群語(yǔ)音通信網(wǎng)由 800MHz的Tetra數(shù)字集群技術(shù)實(shí)現(xiàn)，CBTC網(wǎng)絡(luò)主要采用2.4GHz的WLAN技術(shù)實(shí)現(xiàn)車(chē)地?zé)o線通信，最后一套集成網(wǎng)絡(luò)則主要采用2.4Hz的WLAN技術(shù)和DVB-T 技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

三套網(wǎng)絡(luò)中除了Tetra技術(shù)相對(duì)成熟穩(wěn)定外，2.4GHz開(kāi)放頻段的WLAN技術(shù)因?yàn)樵O(shè)計(jì)初衷不同和工作在ISM頻段等原因，存在高速通信限制，發(fā)射功率限制、多業(yè)務(wù)無(wú)法設(shè)置優(yōu)先級(jí)、存在無(wú)線干擾等問(wèn)題，而隨著地鐵的快速發(fā)展，地鐵運(yùn)行勢(shì)必達(dá)到更高的速度，同時(shí)人們對(duì)信息、語(yǔ)音、視頻數(shù)據(jù)的連續(xù)性要求也不斷的提高。為了滿(mǎn)足上述要求，LTE技術(shù)逐漸引入到地鐵車(chē)地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)LTE技術(shù)的還具有高帶寬特點(diǎn)，20MHz 頻寬下能夠提供下行 100M/s 與上行 50Mb/s 的峰值速率 ，可以實(shí)現(xiàn)車(chē)地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)綜合承載功能。該技術(shù)成熟度相對(duì)較高，目前已在南京、上海、鄭州、杭州、蘇州等城市地鐵中應(yīng)用，承載不同程度的車(chē)地?zé)o線業(yè)務(wù)。

二、LTE技術(shù)特點(diǎn)

LTE 采用了OFDM、MIMO、HARQ等先進(jìn)技術(shù)，有效提高了數(shù)據(jù)傳輸速率、頻譜效率和抗干擾能力，是一種先進(jìn)的無(wú)線通信技術(shù)，可提供綜合承載業(yè)務(wù)的不同優(yōu)先級(jí)及信息的高速移動(dòng)性支持，并通過(guò)QOS機(jī)制和抗干擾技術(shù)保證無(wú)線業(yè)務(wù)的安全可靠傳輸。

（1）服務(wù)質(zhì)量和優(yōu)先級(jí)設(shè)置

在LTE系統(tǒng)中，根據(jù)業(yè)務(wù)重要性不同及對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)連續(xù)性的要求有高低，可根據(jù)業(yè)務(wù)屬性對(duì)其進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分。在車(chē)地?zé)o線通信業(yè)務(wù)中，CBTC業(yè)務(wù)對(duì)分組數(shù)據(jù)時(shí)延和分組數(shù)據(jù)丟包率要求較高，同時(shí)CBTC業(yè)務(wù)屬于列車(chē)控制業(yè)務(wù)，關(guān)乎行車(chē)安全，所以可將其優(yōu)先級(jí)等級(jí)設(shè)為最高優(yōu)先級(jí)。集群通信業(yè)務(wù)是為保障司機(jī)與調(diào)度之間通信，對(duì)分組數(shù)據(jù)時(shí)延要求較高，而對(duì)數(shù)據(jù)丟包率要求較低，可將其設(shè)為次最高優(yōu)先級(jí)。其他業(yè)務(wù)如視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)流、實(shí)時(shí)緊急通信業(yè)務(wù)、PIS業(yè)務(wù)等均可根據(jù)業(yè)務(wù)屬性和服務(wù)質(zhì)量要求的高低進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分，進(jìn)而確保系統(tǒng)中所有業(yè)務(wù)完整、可靠的傳輸。

（2）QOS保障機(jī)制

LTE系統(tǒng)可靈活的根據(jù)不同的業(yè)務(wù)定義不同的QOS保障方案，同時(shí)相同承載上面的所有數(shù)據(jù)流量均可獲得QOS保障，相反不同承載則獲得不同的QOS保障。此外，根據(jù)用戶(hù)簽約時(shí)默認(rèn)的QOS等級(jí)可建立一個(gè)默認(rèn)的承載，從而保證業(yè)務(wù)的初始傳輸時(shí)具有更短的時(shí)延。

（3）抗干擾性

根據(jù) 2015 年 2 月工業(yè)和信息化部《關(guān)于重新發(fā)布 1785-1805MHz 頻段無(wú)線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知 》（ 工信部無(wú)[2015]65 號(hào)）的規(guī)定，將1785-1805MHz頻段用于城市軌道交通LTE相關(guān)業(yè)務(wù)承載和實(shí)驗(yàn)，同時(shí)LTE系統(tǒng)在地鐵中組網(wǎng)普遍采用A/B雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，那么在實(shí)際應(yīng)用中LTE存在系統(tǒng)內(nèi)干擾和系統(tǒng)間干擾。

1、系統(tǒng)內(nèi)干擾

系統(tǒng)內(nèi)干擾主要分為A/B雙網(wǎng)間干擾和小區(qū)同頻干擾，其中當(dāng)A/B 雙網(wǎng)異頻組網(wǎng)時(shí)，若兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)頻段相鄰，且發(fā)射和接收不同步，則會(huì)由于雜散和阻塞的原因互相產(chǎn)生干擾，進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)性能，該干擾可通過(guò)設(shè)定時(shí)隙配比和保證雙網(wǎng)時(shí)鐘同步的方式來(lái)解決。若采用同頻組網(wǎng)，則會(huì)存在處于小區(qū)邊緣的用戶(hù)下行業(yè)務(wù)受到鄰區(qū)導(dǎo)頻和業(yè)務(wù)的干擾，進(jìn)而導(dǎo)致信噪比較低影響下行吞吐量。可通過(guò)優(yōu)化參數(shù)提升信道功率、修改切換參數(shù)使用戶(hù)盡早切換小區(qū)等方式來(lái)解決。

2、系統(tǒng)間干擾

LTE 系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的干擾主要包含與 800MHz專(zhuān)用無(wú)線通信系統(tǒng)、350 MHz 警用無(wú)線通信系統(tǒng)、運(yùn)營(yíng)商多制式無(wú)線系統(tǒng)之間的干擾及電力無(wú)線系統(tǒng)之間的干擾。其中與800MHz專(zhuān)用無(wú)線通信系統(tǒng)及350 MHz 警用無(wú)線通信系統(tǒng)之間的干擾，由于頻率隔離度較大，因此干擾基本為零。而與運(yùn)營(yíng)商之間的無(wú)線干擾，因?yàn)樽罱咏氖?DCS 系統(tǒng)下行頻率1815- 1830MHz，DCS系統(tǒng)允許的帶內(nèi)阻塞為-35dbm，滿(mǎn)足干擾容限要求。最后與電力無(wú)線系統(tǒng)之間的干擾，因?yàn)殡娏o(wú)線系統(tǒng)與LTE系統(tǒng)共享1785-1805MHz頻率資源，使用過(guò)程中僅影響地上無(wú)線覆蓋，可通過(guò)避免設(shè)置相同頻點(diǎn)的方式解決干擾問(wèn)題。

總體來(lái)說(shuō)，LTE技術(shù)具有系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)、抗干擾性好、權(quán)限劃分明確、保障機(jī)制全面等特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足地鐵車(chē)地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)的要求 。

三、全自動(dòng)駕駛模式下的LTE系統(tǒng)組網(wǎng)

當(dāng)?shù)罔F運(yùn)行在ATO模式下，LTE系統(tǒng)一般采用A/B雙網(wǎng)冗余配置結(jié)構(gòu)，A/B雙網(wǎng)設(shè)在一個(gè)控制中心，A網(wǎng)主要承載信號(hào)CBTC業(yè)務(wù)，B網(wǎng)則作為其他業(yè)務(wù)的綜合承載平臺(tái)，負(fù)責(zé)承擔(dān)車(chē)輛TCMS、車(chē)載PIS、車(chē)載CCTV、車(chē)地緊急通信及列車(chē)無(wú)線通信等多個(gè)車(chē)地?zé)o線通信業(yè)務(wù)，雙網(wǎng)并行傳輸數(shù)據(jù)。而當(dāng)?shù)罔F運(yùn)行在全自動(dòng)駕駛的UTO模式下時(shí)，則需進(jìn)一步考慮車(chē)地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性，為了系統(tǒng)更加有保障，LTE系統(tǒng)同樣采用A/B雙網(wǎng)冗余配置，同時(shí)在對(duì)B網(wǎng)再次冗余備份，形成多級(jí)防控保障機(jī)制。此外，采用主備控制中心熱備機(jī)制，將A/B網(wǎng)設(shè)在不同的控制中心，在物理層面上提升系統(tǒng)的安全性。

業(yè)務(wù)分配方面，A網(wǎng)仍然單獨(dú)承載信號(hào)CBTC業(yè)務(wù)，B網(wǎng)則作為所有車(chē)地?zé)o線業(yè)務(wù)的綜合承載平臺(tái)，這樣，即使A網(wǎng)或B網(wǎng)出現(xiàn)突發(fā)故障停止運(yùn)行，車(chē)地?zé)o線業(yè)務(wù)均不會(huì)受到影響。業(yè)務(wù)帶寬分配方面，以南京地鐵7號(hào)線為例，該線路采用LTE-M規(guī)范定義的1.8GHz頻段（1785-1805MHz），頻寬20MHz，以每個(gè)RRU小區(qū)最多6列車(chē)進(jìn)行考慮，根據(jù)各業(yè)務(wù)帶寬需求，具體分配方式如下表：

在全自動(dòng)駕駛模式下， LTE系統(tǒng)A 網(wǎng) 承 載 CBTC 業(yè) 務(wù) 上 下 行 帶 寬 各 3Mbps，需要 5MHz 頻寬 ;B網(wǎng)在邊緣情況下也可滿(mǎn)足：CBTC（3Mbps）+列車(chē)運(yùn)行管理（624kbps）+集群語(yǔ)音（640kbps）+CCTV視頻監(jiān)控（4Mbps）+緊急呼叫視頻（3Mbps）的業(yè)務(wù)需求。在極限情況下，6列車(chē)同時(shí)處于小區(qū)邊緣，LTE系統(tǒng)將會(huì)采用QoS機(jī)制優(yōu)先保證信號(hào)CBTC和集群無(wú)線通信業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行。

四、結(jié)論

綜上所述，我們可以看到LTE技術(shù)在地鐵中的應(yīng)用已比較成熟，可滿(mǎn)足在高速移動(dòng)的地鐵列車(chē)上高質(zhì)量的傳輸數(shù)據(jù)信息。同時(shí)在全自動(dòng)駕駛模式下，LTE系統(tǒng)能更好的匹配列車(chē)對(duì)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、運(yùn)行安全性、優(yōu)先選擇權(quán)的要求。在后續(xù)的發(fā)展中，我們還可進(jìn)一步考慮LTE系統(tǒng)在地鐵中的整體布局，形成以各線路控制中心為單位的主干網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，最終形成LTE網(wǎng)絡(luò)化布局結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)地鐵全線網(wǎng)的互聯(lián)互通。

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