LTE技术在城市轨道交通车－地无线通信中的应用探讨

文 | 单瑛 中铁二院通号院

1 基于WLAN技术的车-地无线通信网络兼容性分析

基于IEEE 802.11标准的WALN技术是城市轨道交通信号系统，目前主要可用的宽带数据无线通信技术，该技术于2004年在国内运用，并成为国内城市轨道交通信号系统主流的车-地通信技术，已在北京、上海、广州、深圳、成都、西安、杭州等城市广泛运用。近年来，通信PIS系统可用的宽带数据无线通信技术制式相对信号系统较多，但国内城市轨道交通已开通和正在实施中的线路采用WLAN方案占多数。综上，目前城市轨道交通环境中车-地无线通信系统以两张WLAN网络共存的情况为主。

两个无线通信网络电磁兼容是工程实施中必须考虑的问题。根据已实施项目的实际使用情况，信号系统和PIS系统的电磁兼容主要有三个方案：

方案一：信号系统和PIS系统采用同一家WLAN供货商，将信号系统和PIS系统集成建设。例如，北京机场线采用该方案。

方案二：信号系统和PIS系统分别使用不同频段，例如：信号系统使用2.4GHz频段，PIS系统使用5.8GHz频段或其它无线频段。目前，上海地铁10号线和西安地铁2号线均采用该方案。

方案三：信号系统和PIS系统采用同频段，当两系统采用同频段（如ISM频段）时，在工程实施中一般采取以下三项措施以尽量减少相互间的干扰：选择不同天线极化方向；合理规划无线频点；协调AP点位置。

2 目前城市轨道交通车-地通信存在的问题

车－地无线通信系统采用2.4GHz开放频段，所有使用2.4GHz WLAN技术的设备均为信号无线车－地通信系统的干扰源，系统不可避免的会遭到民用通信产品（MiFi，WiFi，蓝牙等）的干扰，可能导致信号车－地无线通信传输系统无法工作，影响信号系统的可用性。而且随着将来无线智能城市的建设以及手机上网应用的普及，将会有更多的干扰源出现。而且近期发生的城市轨道交通信号系统车地通信受到民用3G热点设备干扰，导致列车正常运行受到较为严重影响的情况已逐渐显现，如2012年10月份以来，深圳蛇口线（2号线）、环中线（5号线）信号车－地无线受外界干扰，列车多次发生信号保护功能动作而产生的列车紧急制动，造成了列车严重晚点，使旅客大量滞留，产生较大的社会影响。成都、重庆等城市的城市轨道交通线路也发生了类似的情况。

3 LTE技术在车-地无线通信中应用的可行性分析

若要从根本上解决目前车－地无线通信中的干扰问题，保证信号系统可靠、稳定工作，只能通过采用专用频段及更先进的无线通信技术解决。因此，工业和信息化部无线电管理局正在开展城市轨道交通采用专用频段的前期调研工作。

城市轨道交通车－地通信系统主要应具备以下几个特点：高可靠性、高数据业务传输速率和低数据传输时延、良好的移动性能。LTE技术较WLAN技术可以更好的满足上述需求[1]。

第一，LTE系统采用扁平化组网方案，简化了网络架构，减少了网元数量，系统可靠性高。

第二，LTE技术的数据业务速率和频谱利用率高，优于窄带系统TETRA、GSM-R，也优于WIFI、WiMAX。

第三，LTE系统采用扁平化网络结构，有效地缩短了端到端的数据传输时延，更加满足城市轨道交通特别是信号系统的应用需求。

第四，LT E技术可支持高达350km/h的移动性能，虽然城市轨道交通列车移动速度一般不会大于100km/h，但会造成由于移动性而导致的数据传输性能下降。

第五，LTE系统具有频谱灵活性特点，可支持不同大小的频谱分配，可在不同大小的频谱中部署，包括1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz，以及20MHz，支持成对和非成对频谱。

4 信号与PIS共享LTE车-地无线通信网络可行性分析

信号CBTC系统承载安全信息，对数据传输实时性、丢包率、安全性要求高，但数据量较小；PIS系统承载的为非安全性信息，数据量大，但对时延、丢包率要求相对较低[2]。

结合LTE方案提供的网络通信条件，为充分利用宽带移动通信平台的能力、实现资源共享和投资最大化，信号CBTC系统和PIS系统在理论上可以共用车－地无线通信网络，可以通过设定不同优先级的方式保证信号系统信息的可靠传输。

5 LTE在车－地无线通信应用中的频段选择

3GPP组织在制定LTE协议的时候已经制定了频率范围，并且制定FDD与TDD各自的频段，兼容了全球现有无线通信的频段。

工业和信息化部于2013年12月4日向中国移动、中国电信和中国联通颁发了TD－LTE的经营许可，中国移动1880 －1900 MHz、2320－2370 MHz、2575－2635 MHz；中国联通的频谱资源为2300－2320 MHz、2555－2575 MHz；中国电信的频谱资源为2370－2390 MHz、2635－2655 MHz。FDD系统使用频段尚未能确定。

为了推动新一代宽带无线接入技术(含数字集群功能)在重点领域的行业应用，国家在政策和频率上也给予大力支持。针对行业信息化应用的新需求，2008年无线电管理局发布了工信部无[2008]332号文扩展了1785－1805MHz频段的业务应用范围，不仅可以开展语音、低速数据等窄带应用，也可以开展无线视频传输等宽带应用。

近年来，我国拥有自主知识产权的TD－LTE专网宽带集群产品已在政务网和重点行业开展商用。目前，北京、天津等城市已部署基于TD-LTE技术的政务网，我国为TDLTE政务网分配了1447－1467MHz共20MHz试用频率。

目前在中国可申请用于城市轨道交通车－地无线通信系统中频段主要包括1.8G H z（1785－1805MHz）和1.4GHz(1447－1467MHz)。考虑到信号系统车－地无线通信系统采用双网同时工作的需求，且为了降低两张网络同频干扰的概率、提高系统的可用性和可靠性，建议在1.8GHz和1.4GHz各申请一定频段，建立异频双网。

[1] 沈佳，索士强等.3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计[M]. 人民邮电出版社，2008.

[2] 李佳. 轨道交通PIS与CBTC无线组网技术及干扰分析研究 [J]. 铁道工程学报，2011.（06）