基于LTE技术的车地无线通信组网方案研究

孙寰宇,顾向锋

(1.郑州市轨道交通有限公司,郑州 450002;

2.中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司,郑州 450002)

基于LTE技术的车地无线通信组网方案研究

孙寰宇1,顾向锋2

(1.郑州市轨道交通有限公司,郑州 450002;

2.中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司,郑州 450002)

基于轨道交通车地无线通信技术应用现状分析,结合轨道交通现场条件和乘客信息系统对车地无线通信的需求,提出适用于轨道交通的TD-LTE技术组网方案,并进一步在郑州市轨道交通1号线一期工程实验验证。该方案能够解决现有地铁行业车地通信的瓶颈,能够达到净化隧道区间、减少隧道设备、降低维护工作量的目的,有利于其他系统接入。

轨道交通;TD-LTE;乘客信息系统;车地无线通信;无线局域网

随着城市轨道交通系统的不断发展,其安全性、舒适性和高效性得到社会的普遍关注。车地无线通信系统担负着轨道交通运行中车厢内与外界信息交互的“桥梁”作用。除了承载传统的语音业务,还需要承载乘客出行信息、视频监视信息、宽带集群、多媒体广告信息、电视信息以及CBTC等业务,在提高地铁运营效率、公共安全管理以及改善乘客出行体验方面都起着重要的作用。

目前国内建设的城市轨道交通车地无线通信系统采用的技术基本为802.11系列无线局域网技术(WLAN)[1],WLAN作为一种宽带无线接入网技术,其网络化、宽带化等特点具有相当的优势。但目前采用的WLAN技术方案具有很大的局限性:WLAN网络在固定情况下能提供高达54 Mbps的数据带宽,但在支持步速移动情况下提供11～13 Mbps的数据带宽,仅能实现标清信号的传输,暂不能满足高清的要求[2]; WLAN天线覆盖范围较小,轨旁AP在直线隧道一般每间隔200 m布设1个,系统越区切换频繁,导致系统易丢包,造成视频画面停滞或马赛克系统工作[3]; WLAN工作在2.4G频段,干扰源多,对运营安全要求较高的无线传输系统会导致系统传输中断,进而影响车辆的正常运行[4]。

随着宽带无线技术的不断发展,新技术的出现,尤其是第四代移动通信技术LTE的日渐成熟[5],使轨道交通无线网络的统一、达到更好的传输效果成为可能。

1 乘客信息系统车地通信需求

1.1 业务需求

乘客信息系统(PIS)依托多媒体网络技术,以计算机系统为核心,以车站和车载显示终端为媒介向乘客提供下列信息服务。

(1)安防业务

提供车地高清视频传输业务,实时监控车厢内一举一动,为公安系统提供实时动态图像传输,以应对紧急突发事件。

在紧急情况下,本着运营安全信息优先使用的原则,可提供动态辅助性提示。车载设备负责接收系统无线传输的信息,经处理后转发给车辆专业,以便其在列车客室内音、视频播放,使乘客通过正确的服务信息引导,安全、便捷地乘坐地铁。能实时传输监控、检测、车厢内管理数据等信息,监控行车状态。

(2)乘运业务

乘客信息系统在正常情况下,提供乘车须知、地铁首末车服务时间、列车到站时间、列车时刻表、管理者公告等运营信息及政府公告、出行参考、媒体新闻、赛事直播。

(3)增值业务

提供高清广告等公共媒体实时信息投放平台,目前细分时间段的广告投放是重要的广告盈利模式。

1.2 带宽需求

PIS系统各种业务着眼于在移动状态下提供高清,实时监控,车辆管理信息及测试诊断信息,增值业务等;因此,对车地无线的需求的落脚点是“高移动性+稳定宽带”。

地铁列车一般由6～8节车厢组成,车辆监控方案中每节车厢放置2个摄像机,车头车尾各1个,全车共14～18个摄像机。

对于上行信息,每列列车向控制中心至少上传2路车载安全监控视频系统视频信息,视频图像的压缩格式采用MPEG-4或H.264,图像质量要求达到D1(720×576),每路按2 Mbps计算,带宽约为4 Mbps;每列列车向控制中心上传14路车载视频系统信息,以D1(720×576)图像质量上传,每路按2 Mbps计算,带宽约为28 Mbps。

对于下行信息,由控制中心向列车下发2路高清数字视频信息,视频编码采用MPEG-2、MPEG-4或 H.264格式,带宽约为8 Mbps。

根据上述信息类型的分析后,车地传输的带宽一般需要,下行带宽为8 Mbps,如果每列车上传2路视频图像上行带宽为4 Mbps,当14路监控同时上传时上行带宽至少为28 Mbps。

1.3 高速移动性需求

地铁列车最高运行速度一般为80 km/h,车辆构造速度为90 km/h。车地无线传输网系统应充分考虑列车在高速情况下的切换问题,采取有效措施减少切换时间和降低因切换带来的数据损失,以保证在车上的实时播放不中断(切换时间应少于50 ms),且播放质量不受影响。

1.4 QoS需求

PIS系统无线带宽应有QoS分级控制。所传图像要顺畅清晰,不能出现画面中断或者跳播现象。

2 TD-LTE技术介绍

TD-LTE是一种新一代宽带移动通信技术,是我国拥有自主知识产权的TD-SCDMA的后续演进技术, TD-LTE目前已成为3GPP里面唯一的基于TDD技术的4G LTE标准技术。

2.1 TD-LTE的关键技术

基于TDD的双工技术、基于OFDM的多址接入技术和基于MIMO的多天线技术是TD-LTE标准的三大关键技术。[6]

(1)基于TDD的双工技术

TDD时间切换的双工方式是在一个帧结构中定义了它的双工过程,它是用时间来分离接收和发送信道。在TDD方式的移动通信系统中,接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载,其单方向的资源在时间上是不连续的,时间资源在两个方向上进行了分配,基站和移动台之间必须协同一致才能顺利工作。

(2)基于OFDM的多址接入技术

正交频分复用技术(OFDM)的基本原理是将一个较宽的频带分成若干个彼此正交的子载波,在每个子载波上进行窄带调制和传输,这样既减少了子载波间的相互干扰,同时又提高了频谱利用率[7]。OFDM技术是LTE系统的技术基础与主要特点,具有诸多优势,例如在频率选择性衰落信道中具有良好的性能,基带接收机复杂性低,拥有较好的频谱特性和较强的多宽带处理能力等。

(3)基于MIMO的多天线技术

多输入输出(MIMO)技术包含空分复用、空间分集、波束赋形等多项技术,其主要思想是在多组不相关的天线上分别发送多个数据流,把传统通信系统中损害系统性能的多径衰落因素转变成对用户通信性能有利的增强因素。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率,是无线通信系统实现高数据速率传输和提高传输质量的重要途径。

2.2 TD-LTE与WLAN比较分析

LTE技术具有高数据速率、分组传送、延迟降低、广域覆盖和移动支持能力强等优势,主要有以下特点。

(1)在20 MHz频谱带宽下能够提供下行100 Mbps、上行50 Mbps的峰值速率。0～120 km/h移动场景下平均吞吐速率达到70 Mbps,上行速率26 Mbps,下行速率44 Mbps。

(2)下行链路频谱利用率可达到5 bps/Hz,上行链路频谱利用率可达到2.5 bps/Hz。

(3)支持成对或非成对频谱,可灵活配置1.4～20 MHz间的多种系统带宽。TDD LTE可以调整上下行流量。

(4)扁平网络架构,网元节点少,用户面传输时延＜10 ms,控制面信令传输时延＜100 ms。

(5)严格的QoS机制保证多种不同质量要求的业务并发的服务质量。

(6)采用频偏补偿机制,有效克服多普勒效应,确保高速移动场景下的无线链路质量。

(7)切换时参考频率偏移变化,提高切换成功率,保证高速切换场景下的带宽稳定。

(8)多RRU共小区,减少由于切换带来的时延、抖动、丢包,保证高速切换场景下的带宽稳定。

目前轨道交通车地通信主要通过WLAN承载,存在安全性差、覆盖难、切换频繁、移动场景带宽低、干扰源多等问题,需要一套稳定的车地通信系统,实现车-地间的信号和数据的传输。

TD-LTE与WLAN技术对比见表1。

表1 TD-LTE与WLAN技术对比

3 地铁TD-LTE车地无线解决方案

采用先进的4G TD-LTE技术的宽带多媒体数字传输系统提供了从芯片、终端、网络到应用的端到端解决方案,为行业客户提供了在一张网络内、使用一个频率,在一部终端上同时提供专业级的宽带数据传输、高清视频上传及分发调度等丰富的多媒体通信手段,同时在网络的安全性、可靠性、可扩展性及定制化等方面具有强大的技术优势。

TD-LTE宽带多媒体技术可根据轨道交通应用场景特点对空口性能做相关优化工作,增加了小区覆盖,保证视频数据的实时、清晰播放,降低信号传输时延保证信号业务的高优先级和可靠的快速传输,支持超过120 km/h的高速运动场景下相关业务的有效性,通过完善的QoS保障机制,区分优先级保证高优先级的QoS要求,可同时支持乘客信息系统和信号系统业务的并发,打造新一代的统一平台的车地无线系统。

为验证新一代无线通信技术TD-LTE在城市轨道交通车地传输的应用,通过郑州地铁1号线部署一张TD-LTE网络,用于承载具有宽带数据要求的PIS系统和车载CCTV车地无线传输网络。通过实际应用验证车地无线(TD-LTE)传输网在城市轨道交通领域应用方案的合理性、功能完备性、技术先进性。

3.1 网络总体架构

基于TD-LTE技术PIS系统车地无线解决方案由3层网络架构组成,分别为控制中心子系统、车站子系统、区间覆盖子系统和车载子系统,如图1所示。

控制中心子系统,主要实现PIS系统的编辑、播放、管理及控制等功能,通过PIS系统交换机与TDLTE核心网设备互联,使用GE/FE光口或电口连接,实现中心PIS信息在车地无线传输系统的传输。

车站子系统主要由基站、传输设备和配套设施构成,在车站站台布置TD-LTE基站的BBU和RRU设备,覆盖站台周边区域,根据无线信号覆盖的要求在隧道区间布置RRU设备延伸无线覆盖,实现与车载无线设备之间的无线数据通信。各基站通过百兆以太网接入车站网络交换机,通过通信传输系统提供的通道与控制中心连接。

地铁正线、出入段、出入场线隧道利用商用泄漏电缆进行无线覆盖,将RRU信号合路进泄漏电缆中,车辆段、停车场地面及库内采用天线覆盖。

在每列车的车头、车尾各设置1套车载无线设备(TAU),通过车载交换机与车载LCD控制器相连,接收由控制中心提供的实时视频信息和向控制中心发送多路实时的车厢监控信息。

图1 TD-LTE车地无线通信系统网络架构

3.2 无线覆盖方案

基于TD-LTE的PIS车地无线通信系统采用BBU+RRU方式进行无线覆盖,如图2所示。在车站设置基站基带设备(BBU)和射频单元(RRU),BBU可设于车站设备室,RRU可设于隧道入端,TD-LTE信号通过合路器与POI(多系统接入平台)输出的商用通信系统信号合路,合路后的无线信号送入商用漏泄电缆中,实现隧道内覆盖。为实现隧道长区间TD-LTE无线信号覆盖,采用在区间增设RRU方式,TD-LTE信号通过区间多频分合路器合路,合路后的无线信号送入区间漏泄电缆中。基于实际情况考虑,站间距按1.2 km规划,大于1.2 km的地方需要增加RRU,大于2.4 km的地方需要增加2个RRU。

4Path RRU分别连接隧道区间左右两端的2根商用漏缆,达到2T2R的MIMO效果。TD-LTE系统可以根据业务类型及带宽需求灵活配置TD-LTE帧的上、下行配比,如2DL∶2UL、3DL∶1UL等。同时,系统应按车站双向隧道划分小区,将地铁在两个运行方向上划分成不同小区,并利用小区合并技术,减少小区数量及切换次数。这样可以使地铁两个运行方向上,都获得足够的资源支持大数据传输。

图2 TD-LTE无线覆盖示意

4 工程经济性研究

基于LTE的车地无线通信系统相对于采用WLAN的传统车地无线通信系统具有更高的综合经济效益。主要体现在基础建设与维护成本和增值服务效益等几个方面。

从目前LTE的设备商务水平看,比WLAN略高,但是由于LTE技术可以支持大型组网,它的三层式网络架构使得LTE解决方案可以共用最上层的核心网设备,针对轨道交通而言,一个城市会建设多个地铁线路,而LTE的网络架构和技术体制使多个地铁线路共用一个平台成为可能。另外,LTE车地无线通信系统可实现一张网络同时承载PIS、CCTV、宽带集群、CBTC,宽带集群同时支持语音及视频调度,这样就避免了多张网络独立建设与共存的问题,大大减少了投资建设成本。

同时随着LTE全球商用化的进程进一步加快,全球各大设备供应商的全力投入以及产业链和产业生态环境的快速发展,整体设备和终端成本会有较大的降低,预计到2014年设备成本会迅速降低到一个与工业级WLAN相当的水平。因此LTE的固定成本整体看并不比WLAN高很多,甚至会比WLAN低。

可变成本主要是安装成本、维护成本和运营成本构成,由于WLAN的1个AP覆盖的范围只有150～200 m,一条轨道线路基本要按照200～600个AP进行部署,而LTE由于远覆盖的技术一个基站可以覆盖1500 m,一条轨道线路只需要20～60个AP进行部署,即可保证整条线路的覆盖,因此在施工安装的成本上会远远低于WLAN;同时LTE基站设备采用分布架构,轨旁设备为射频单元,可通过远程网管监控管理,无需进行轨旁设备的巡检维护,而且WLAN的设备数量比LTE的基站多10倍,因此巡检维护、故障维修都没有LTE容易,耗电量也比LTE高,需要配置更多的人力维护和增加更多的电费成本,因此运营成本和维护成本会随着后续地铁线路的运营急速增加。

增值服务效益方面,由于采用LTE的车地无线同系统具有高用户数据速率、高系统容量的特点。除了全程提供乘车指引及咨询服务、车上实时娱乐信息传递、到站换乘等列车咨询、地铁周边设施及方位信息等基本业务外,网络可以承载更加丰富的多媒体增值服务,如实时电视转播、互动广告、品牌传播等。

5 结论

TD-LTE作为目前最为先进的4G无线技术,具有高带宽、高质量、高可靠、高抗干扰能力等优良特性,与传统WLAN技术相比更为适合应用于轨道交通车地无线通信领域。同时,TD-LTE车地无线通信系统使用专用频段,抗干扰能力强,可以共用商用通信系统的泄漏电缆,施工难度小,设备维护工作量少。为充分利用该系统的多业务承载能力,可综合考虑地铁内其他业务的应用,如车辆信息管理系统、车辆检测信息系统、预警监视、宽带集群和CBTC等。

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[4] 于鑫,阚庭明,吴卉.轨道交通乘客信息系统车地无线传输方案设计与优化[J].铁路计算机应用,2012,21(2).

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Research on Networking Plan for Train-Ground Wireless Communication System Based on LTE Technology

SUN Huan-yu1,GU Xiang-feng2
(1.Zhengzhou Metro Co.,Ltd.,Zhengzhou 450002,China;2.The 4th Branch,China International Telecommunication Construction Group Design Institute Co.,Ltd.,Zhengzhou 450002,China)

Based on analysis of present application status of train-ground wireless communication technology in rail transit,considering the field condition of rail transit,and in combination with the wireless communication requirement of passenger information system,this paper proposed the networking plan suitable for rail transit based on TD-LTE technology.And then the experimental validation of this networking plan was carried out with the first-phase project of Zhengzhou urban rail transit Line 1.Finally this paper come to the conclusion that this networking plan can solve the bottleneck problem of trainground communication of rail transit at present,can achieve the goals of purifying the tunnels,reducing tunnel equipment and decreasing maintenance work,and can be good for the access of other systems.

rail transit;TD-LTE;passenger information system;train-ground wireless communication; wireless local area network

U239.5;U285.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.039

1004-2954(2014)08-0159-04

2013-12-04

孙寰宇(1975—),男,工程师,2006年毕业于武汉大学,工学硕士,E-mail:sunhuanyu@126.com。