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(duì)無線技術(shù)提出了更高的要求，目前傳統(tǒng)軌道交通無線通信技術(shù)已經(jīng)無法滿足日益增長(zhǎng)的無線通信需求，越來越多的城市開始研究TD-lte技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用。結(jié)合溫州S1線一期工程的建設(shè)情況，探討TD-LTE技術(shù)在軌道交通行業(yè)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】LTE；軌道交通；無線通信

引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來越多的城市開始規(guī)劃建設(shè)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(gè)復(fù)雜的綜合性系統(tǒng)，其中無線通信系統(tǒng)對(duì)于保證城市軌道交通運(yùn)輸?shù)氖孢m、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(dú)立建設(shè)模式，不利于實(shí)現(xiàn)資源共享及降低建設(shè)成本，而且當(dāng)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(duì)無線通信系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的需求。

1無線通信現(xiàn)狀

為保證軌道交通列車安全、可靠、高效和高密度運(yùn)行，目前在軌道交通的通信與信號(hào)系統(tǒng)中有多套專用的無線系統(tǒng)同時(shí)為運(yùn)營(yíng)、維護(hù)工作提供支持。一套是基于TETRA的窄帶無線集群系統(tǒng)，為運(yùn)營(yíng)單位提供行車、維修和防災(zāi)無線調(diào)度通信。一套是基于WLAN的CBTC車地?zé)o線通信，為列車提供自動(dòng)防護(hù)相關(guān)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(yùn)行信息和出行服務(wù)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(shù)由于沒有良好的QOS保障機(jī)制，無法保證各種業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)調(diào)度，綜合業(yè)務(wù)承載能力差。建設(shè)3套獨(dú)立的無線通信系統(tǒng)，增加了項(xiàng)目投資造價(jià)，同時(shí)也增加了后續(xù)設(shè)備維護(hù)的工作量以及軌旁設(shè)備復(fù)雜度，降低了設(shè)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(shù)據(jù)等窄帶業(yè)務(wù)，不能提供多媒體和寬帶業(yè)務(wù)。（3）目前無線網(wǎng)絡(luò)工作在開放頻段，隨著寬帶無線網(wǎng)絡(luò)的普及，個(gè)人用戶廣泛使用該頻段，干擾源日益增多，無線干擾問題嚴(yán)重影響了軌道交通的安全運(yùn)營(yíng)。（4）WLAN技術(shù)移動(dòng)性能差，WLAN并非針對(duì)高速移動(dòng)開發(fā)的技術(shù)，當(dāng)列車移動(dòng)速度達(dá)到120km/h以上時(shí)，面臨高速移動(dòng)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(gè)AP的覆蓋范圍大概為200m，列車在高速移動(dòng)時(shí)，車載無線設(shè)備會(huì)頻繁發(fā)生漫游切換，頻率的切換易造成無線通信數(shù)據(jù)延時(shí)、丟失和中斷。

2LTE技術(shù)優(yōu)勢(shì)

LTE是基于OFDMA（正交頻分復(fù)用多址接入）技術(shù)，依據(jù)由3GPP組織制定的全球通用標(biāo)準(zhǔn)。LTE系統(tǒng)同時(shí)定義了FDD和TDD兩種方式，其中，TD-LTE技術(shù)上下行時(shí)隙可配置的特點(diǎn)，非常適用于行業(yè)客戶的非對(duì)稱業(yè)務(wù)要求。與WLAN技術(shù)相比，TD-LTE系統(tǒng)應(yīng)用在軌道交通無線系統(tǒng)中有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：（1）TD-LTE技術(shù)支持高速移動(dòng)性，采用自動(dòng)頻率校正技術(shù)，有效克服多普勒效應(yīng)，確保高速移動(dòng)場(chǎng)景下的無線鏈路質(zhì)量，理論上能為350km/h的用戶提供接入服務(wù)。（2）抗干擾能力強(qiáng)，針對(duì)系統(tǒng)中存在的干擾，采用ICIC技術(shù)進(jìn)行小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)，采用IRC技術(shù)進(jìn)行干擾消除。2015年2月工信部的“工業(yè)和信息化部關(guān)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(wǎng)絡(luò)使用工信部批準(zhǔn)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(dòng)場(chǎng)景下平均吞吐速率達(dá)到70Mbit/s，上行速率26Mbit/s，下行速率44Mbit/s。（4）覆蓋距離遠(yuǎn)，效果更好，單個(gè)RRU（射頻拉遠(yuǎn)單元）設(shè)備能夠覆蓋1.2km的距離，軌旁設(shè)備數(shù)量少，維護(hù)簡(jiǎn)單，列車在運(yùn)行中切換次數(shù)也更少。（5）LTE制定了完善的QoS機(jī)制，針對(duì)不同質(zhì)量要求的業(yè)務(wù)進(jìn)行區(qū)分，可定義不同的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)，因此LTE支持多種業(yè)務(wù)承載，包括CBTC、多媒體集群調(diào)度、車載PIS和CCTV等。相比TETRA+WLAN多系統(tǒng)方式，大幅簡(jiǎn)化系統(tǒng)、在降低造價(jià)的同時(shí)，還可減少故障點(diǎn)，便于系統(tǒng)維護(hù)。（6）組網(wǎng)靈活，支持成對(duì)或非成對(duì)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(yīng)用

3.1業(yè)務(wù)流量及寬帶需求

（1）專用無線調(diào)度系統(tǒng)為控制中心調(diào)度員、車站值班員等固定用戶與列車司機(jī)、防災(zāi)、維修等移動(dòng)用戶之間提供通信手段，滿足行車指揮及緊急搶險(xiǎn)的需要。按照一個(gè)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(wù)將列車內(nèi)的實(shí)時(shí)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(yīng)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(hào)系統(tǒng)單列車單網(wǎng)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(shí)時(shí)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(wù)帶寬需求及優(yōu)先級(jí)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(shù)，使用1785~1800MHz頻段，主要承載視頻監(jiān)控，專用無線調(diào)度及乘客信息業(yè)務(wù)，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)控制中心、車站、車輛段、停車場(chǎng)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(chǎng)所設(shè)置可分為控制中心子系統(tǒng)、車站/場(chǎng)段子系統(tǒng)和車載子系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)。（1）控制中心子系統(tǒng)由核心網(wǎng)設(shè)備，CCTV和PIS等業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)器、調(diào)度服務(wù)器、二次開發(fā)網(wǎng)管及TD-LTE基站設(shè)備等組成。核心網(wǎng)設(shè)備和CCTV、PIS等業(yè)務(wù)控制平臺(tái)互聯(lián)，向業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供LTE數(shù)據(jù)交換功能，并提供集群調(diào)度業(yè)務(wù)，向下管理基站，并允許終端鑒權(quán)接入。TD-LTE基站設(shè)備實(shí)現(xiàn)控制中心的室內(nèi)無線覆蓋。（2）車站/場(chǎng)段子系統(tǒng)主要部署TD-LTE基站設(shè)備，基站的基帶單元（BBU）放置在機(jī)房中，車站基站的射頻單元（RRU）通過漏泄同軸電纜實(shí)現(xiàn)線路區(qū)間的無線覆蓋。車輛段/停車場(chǎng)的綜合樓頂設(shè)置天線桿塔，在桿塔上安裝RRU及天線，實(shí)現(xiàn)車輛段/停車場(chǎng)的室外無線覆蓋，車站室內(nèi)區(qū)域及車輛段/停車場(chǎng)車庫(kù)內(nèi)通過室內(nèi)分布系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無線覆蓋。（3）TD-LTE車載終端TAU部署在列車的前后司機(jī)室，前后司機(jī)室各部署一套TAU，兩套TAU以主備方式工作，提供車輛的數(shù)據(jù)接入。PIS與CCTV車載設(shè)備通過交換機(jī)連接到TAU，實(shí)現(xiàn)車地?zé)o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(cè)面各部署一套定向天線，共8副天線。

4結(jié)束語

綜合上述，TD-LTE技術(shù)具有支持高速移動(dòng)、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高及多業(yè)務(wù)承載的優(yōu)點(diǎn)，是軌道交通無線通信系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢(shì)，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(shè)中發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[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?zé)o線TD-LTE的實(shí)現(xiàn)[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(tuán)有限公司