LTE的軌道交通無線通信系統(tǒng)

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【摘要】軌道交通的快速發(fā)展，對無線技術提出了更高的要求，目前傳統(tǒng)軌道交通無線通信技術已經無法滿足日益增長的無線通信需求，越來越多的城市開始研究TD-lte技術在軌道交通中的應用。結合溫州S1線一期工程的建設情況，探討TD-LTE技術在軌道交通行業(yè)中的應用。

【關鍵詞】LTE；軌道交通；無線通信

引言

隨著國民經濟的快速發(fā)展，越來越多的城市開始規(guī)劃建設軌道交通系統(tǒng)，以滿足市民日常出行需求。軌道交通是一個復雜的綜合性系統(tǒng)，其中無線通信系統(tǒng)對于保證城市軌道交通運輸的舒適、高效及安全起著重要作用。目前軌道交通無線通信系統(tǒng)主要采用各系統(tǒng)獨立建設模式，不利于實現資源共享及降低建設成本，而且當前軌道交通選用的基于WLAN的無線系統(tǒng)也越來越難以滿足軌道交通對無線通信系統(tǒng)日益增長的需求。

1無線通信現狀

為保證軌道交通列車安全、可靠、高效和高密度運行，目前在軌道交通的通信與信號系統(tǒng)中有多套專用的無線系統(tǒng)同時為運營、維護工作提供支持。一套是基于TETRA的窄帶無線集群系統(tǒng)，為運營單位提供行車、維修和防災無線調度通信。一套是基于WLAN的CBTC車地無線通信，為列車提供自動防護相關控制信息。一套是基于WLAN的車載乘客信息系統(tǒng)，為乘客提供列車運行信息和出行服務指南等。這3套無線系統(tǒng)為軌道交通的快速發(fā)展起到了重大歷史作用，已成功地使用了很多年，但是也逐漸暴露了一些問題和不足：（1）WLAN技術由于沒有良好的QOS保障機制，無法保證各種業(yè)務的優(yōu)先級調度，綜合業(yè)務承載能力差。建設3套獨立的無線通信系統(tǒng)，增加了項目投資造價，同時也增加了后續(xù)設備維護的工作量以及軌旁設備復雜度，降低了設備的可靠性和可用性。（2）TETRA無線集群系統(tǒng)，只能提供語音和短數據等窄帶業(yè)務，不能提供多媒體和寬帶業(yè)務。（3）目前無線網絡工作在開放頻段，隨著寬帶無線網絡的普及，個人用戶廣泛使用該頻段，干擾源日益增多，無線干擾問題嚴重影響了軌道交通的安全運營。（4）WLAN技術移動性能差，WLAN并非針對高速移動開發(fā)的技術，當列車移動速度達到120km/h以上時，面臨高速移動下誤碼率急劇增加的問題。（5）WLAN的發(fā)射功率低，覆蓋范圍小，一個AP的覆蓋范圍大概為200m，列車在高速移動時，車載無線設備會頻繁發(fā)生漫游切換，頻率的切換易造成無線通信數據延時、丟失和中斷。

2LTE技術優(yōu)勢

LTE是基于OFDMA（正交頻分復用多址接入）技術，依據由3GPP組織制定的全球通用標準。LTE系統(tǒng)同時定義了FDD和TDD兩種方式，其中，TD-LTE技術上下行時隙可配置的特點，非常適用于行業(yè)客戶的非對稱業(yè)務要求。與WLAN技術相比，TD-LTE系統(tǒng)應用在軌道交通無線系統(tǒng)中有以下幾點優(yōu)勢：（1）TD-LTE技術支持高速移動性，采用自動頻率校正技術，有效克服多普勒效應，確保高速移動場景下的無線鏈路質量，理論上能為350km/h的用戶提供接入服務。（2）抗干擾能力強，針對系統(tǒng)中存在的干擾，采用ICIC技術進行小區(qū)間的干擾協(xié)調，采用IRC技術進行干擾消除。2015年2月工信部的“工業(yè)和信息化部關于重新1785～1805MHz頻段無線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知”，明確指出城市軌道交通可以使用1785～1805MHz頻段，軌道交通TD-LTE網絡使用工信部批準的專用頻段，從使用頻率上解決了外系統(tǒng)的干擾問題。（3）傳輸速率高，在20MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100Mbit/s、上行50Mbit/s的峰值速率。0～120km/h移動場景下平均吞吐速率達到70Mbit/s，上行速率26Mbit/s，下行速率44Mbit/s。（4）覆蓋距離遠，效果更好，單個RRU（射頻拉遠單元）設備能夠覆蓋1.2km的距離，軌旁設備數量少，維護簡單，列車在運行中切換次數也更少。（5）LTE制定了完善的QoS機制，針對不同質量要求的業(yè)務進行區(qū)分，可定義不同的業(yè)務優(yōu)先級，因此LTE支持多種業(yè)務承載，包括CBTC、多媒體集群調度、車載PIS和CCTV等。相比TETRA+WLAN多系統(tǒng)方式，大幅簡化系統(tǒng)、在降低造價的同時，還可減少故障點，便于系統(tǒng)維護。（6）組網靈活，支持成對或非成對頻譜，可靈活配置1.4~20MHz間的多種系統(tǒng)帶寬。

3TD-LTE在軌道交通中的應用

3.1業(yè)務流量及寬帶需求

（1）專用無線調度系統(tǒng)為控制中心調度員、車站值班員等固定用戶與列車司機、防災、維修等移動用戶之間提供通信手段，滿足行車指揮及緊急搶險的需要。按照一個TD-LTE小區(qū)并發(fā)10路無線通話考慮，每路呼叫帶寬需要32Kbit/s，10路并發(fā)需要320Kbit/s需要，視頻通信帶寬按384Kbit/s考慮。（2）車載視頻監(jiān)控（CCTV）業(yè)務將列車內的實時視頻監(jiān)控圖像傳送至控制中心，一般按照2路考慮，每路占用帶寬2Mbit/s。（3）乘客信息系統(tǒng)（PIS）將新聞廣播、旅行指南、換乘信息、在線廣告及應急信息等乘客信息由播控中心下發(fā)至車載乘客信息系統(tǒng)顯示屏。按每列車接收1路高清視頻信息考慮，每路占用帶寬4~6Mbit/s。（4）CBTC信號系統(tǒng)單列車單網上下行各占用帶寬100Kbit/s，要求丟包率小于1%，誤碼率小于10-6。（5）列車實時狀態(tài)信息將列車的各種狀態(tài)信息上傳至控制中心，占用帶寬100Kbit/s。各業(yè)務帶寬需求及優(yōu)先級如表1所示。

3.2LTE系統(tǒng)解決方案

溫州S1線無線通信方案采用TD-LTE技術，使用1785~1800MHz頻段，主要承載視頻監(jiān)控，專用無線調度及乘客信息業(yè)務，需要實現對控制中心、車站、車輛段、停車場及區(qū)間的全線無線覆蓋。溫州S1線TD-LTE無線通信系統(tǒng)依場所設置可分為控制中心子系統(tǒng)、車站/場段子系統(tǒng)和車載子系統(tǒng)三個子系統(tǒng)。（1）控制中心子系統(tǒng)由核心網設備，CCTV和PIS等業(yè)務應用服務器、調度服務器、二次開發(fā)網管及TD-LTE基站設備等組成。核心網設備和CCTV、PIS等業(yè)務控制平臺互聯(lián)，向業(yè)務系統(tǒng)提供LTE數據交換功能，并提供集群調度業(yè)務，向下管理基站，并允許終端鑒權接入。TD-LTE基站設備實現控制中心的室內無線覆蓋。（2）車站/場段子系統(tǒng)主要部署TD-LTE基站設備，基站的基帶單元（BBU）放置在機房中，車站基站的射頻單元（RRU）通過漏泄同軸電纜實現線路區(qū)間的無線覆蓋。車輛段/停車場的綜合樓頂設置天線桿塔，在桿塔上安裝RRU及天線，實現車輛段/停車場的室外無線覆蓋，車站室內區(qū)域及車輛段/停車場車庫內通過室內分布系統(tǒng)實現無線覆蓋。（3）TD-LTE車載終端TAU部署在列車的前后司機室，前后司機室各部署一套TAU，兩套TAU以主備方式工作，提供車輛的數據接入。PIS與CCTV車載設備通過交換機連接到TAU，實現車地無線傳輸。車頭車尾的車頂各部署兩套鯊魚鰭天線，車體底部側面各部署一套定向天線，共8副天線。

4結束語

綜合上述，TD-LTE技術具有支持高速移動、抗干擾能力強、傳輸速率高及多業(yè)務承載的優(yōu)點，是軌道交通無線通信系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢，將成為軌道交通無線系統(tǒng)的主流方案，并在城市交通信息化建設中發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻

[1]戴克平，張艷兵.基于LTE的城市軌道交通車地通信綜合承載系統(tǒng)[J].都市快軌交通，2016，29（01）：69~74.

[2]高彥軍，馬子彥，賈萍.城市軌道交通車地無線TD-LTE的實現[J].都市快軌交通，2014，27（06）：9~12.

作者:徐軍 單位:溫州市鐵路與軌道交通投資集團有限公司