长期演进（LTE）技术在地铁无线通信中的应用

张成国 李文明

（南京电子技术研究所，210019，南京∥第一作者，硕士研究生）

长期演进（LTE）技术在地铁无线通信中的应用

张成国 李文明

（南京电子技术研究所，210019，南京∥第一作者，硕士研究生）

介绍了现阶段各种无线通信技术在轨道交通行业中的应用。针对地铁的无线业务需求，提出了基于LTE（长期演进）技术的CBTC（基于通信的列车控制）、车载PIS（乘客信息系统）、车载CCTV（闭路电视）和语音视频综合调度三网合并应用方案，并给出了相应的LTE网络架构。结合地铁业务分析了LTE的技术优势和LTE信道带宽。从LTE的安全机制、数据丢包率、时延等方面对LTE在CBTC系统的应用情况进行讨论。根据地铁的LTE需求得出结论：三网合并方案在实现功能升级的同时能降低建设成本，降低维护成本，后期运营还可增加广告收入；LTE无线通信在轨道交通行业具有良好的发展前景。

地铁；无线通信；LTE；应用方案

First-author's addressNanjing Research Institute of Electronics Technology，210019，Nanjing，China

目前，城市轨道交通行业使用的无线通信技术主要有TETRA（陆上集群无线电）、GSM（全球移动通信系统）、CDMA（码分多址通信）、3G（第三代移动通信技术）、Wi-Fi（无线局域网）等，按应用可分为商用无线通信、专用无线通信和列车控制无线通信。其中专用无线通信业务主要分为三部分：以TETRA为代表的语音调度业务；保障CBTC（基于通信的列车控制）的Wi-Fi网络；车载PIS（乘客信息系统）与CCTV（闭路电视）的专用Wi-Fi网络。如图1所示。

图1 城市轨道交通无线通信业务示意图

三种业务各自独立并单独组网成本较高，且Wi-Fi网络存在以下问题：Wi-Fi站址多，隧道内维护困难；Wi-Fi高速移动无法保障传输质量，无QoS（业务服务质量）保障机制；Wi-Fi天然免费开放频率，干扰源多。另外，从建设、运营、维护成本考虑，TETRA、CBTC系统的Wi-Fi网络及PIS与CCTV的专用Wi-Fi网络投资较高，需优化。

城市轨道交通无线通信需完成以下任务：通过通信系统承载列控信息，通过车厢和轨道的视频监控提高列车运行安全性，以车载PIS业务和车内宽带接入业务提升乘客的出行体验。面对以上需求，基于LTE（长期演进）无线通信的集语音、视频和数据为一体的宽带数字集群技术，本文提出轨道交通无线通信系统的应用方案：地铁通信系统要用LTE网络为CBTC、车载PIS、车载CCTV和语音视频综合调度提供通道，实现地铁通信无线传输三网合并。

1 地铁无线通信中的LTE应用方案

LTE是由3GPP（第三代合作伙伴计划）组织制定的UMTS（通用移动通信系统）技术标准的长期演进。LTE系统引入了OFDM（正交频分复用）和MIMO（多输入多输出）等关键传输技术，增加了频谱效率和数据传输速率。轨道交通行业可供划分使用的LTE频段为1.785～1.805 GHz。

LTE专用网络为CBTC、车载PIS、车载CCTV和语音视频综合调度提供通道，其应用方案如图2所示。CBTC是保证地铁控制信号实时和稳定传输的列车自动控制系统，因其安全性优先级等要求，本文先假定CBTC中LTE可替代Wi-Fi，再讨论其可行性。

图2 应用方案示意图

本方案通过专频双网可靠通信设计、长距离覆盖车地统一设计和车地一网多业务承载设计，解决城轨车地网络目前存在的问题，提高运营效率。LTE网络架构如图3所示。控制中心存放各系统的核心设备；LTE网络分为核心层、汇聚层和接入层，将控制中心与底层应用连接组网，经行数据交互保障各通信系统完整可靠。

2 LTE的优势

2.1 LTE的抗干扰技术

LTE有着完善的抗干扰技术，在干扰检测、干扰避免、干扰控制三个层面均优于Wi-Fi。首先，从干扰检测层面来说，不同于Wi-Fi只能提供系统带宽（20 MHz/40 MHz/80 MHz）级的信号强度检测和反馈，LTE采用OFDM直载波调度，导频设计使得时频域均匀分配，保证了对信道时频域变化的及时跟踪，能够实现2 ms的快速调度响应，使干扰检测更及时、更准确。另外，LTE采用周期或非周期的及时反馈机制，多个终端可同时反馈，使得干扰反馈更及时。其次，在干扰避免方面，LTE也明显优于Wi-Fi。LTE网络具有完善的编码、重传和IRC（干扰抑制合并）机制，并拥有毫秒级的调度机制，可根据干扰情况动态调度资源。在检测到干扰后，LTE可以通过频选调度，根据每个终端的信道状况优先分配干扰小、信号质量高的子带频率资源。同时，LTE还可以采取AMC（自适应调制编码），根据信道干扰情况自适应调整调制与编码策略。而Wi-Fi只能提供固定的、系统带宽级（如20 MHz）的信道选择，且由于频点不足，该功能的实际效果非常有限。最后，从干扰控制角度来说，LTE拥有完善的功率控制机制，能够有效控制整个网络的干扰水平。为了控制信号干扰，LTE采取了多种干扰抑制算法和机制，如ICIC（小区干扰协调）干扰抑制算法和CoMP（协同多点）上行干扰控制等，来降低网络的整体干扰水平。而Wi-Fi只能通过TPC（发射功率控制）来约束AP（无线访问接入点）和SAT（用户接入终端）的最大发射功率，干扰控制能力有限。LTE与Wi-Fi的抗干扰对比见表1。

图3 城市轨道交通LTE系统网络架构

表1 LTE与Wi-Fi抗干扰对比表

无论是发现、规避干扰，还是控制干扰，LTE都具有独特的优势，这使得LTE可获得20 dB以上增益，大大提升了其抗干扰能力。

2.2 LTE的高移动性

LTE在移动性方面要优于Wi-Fi。Wi-Fi的覆盖范围较小，列车在运行过程中需要频繁地重选和关联新的AP，由此带来的高时延会直接影响到网络接入的稳定性。LTE采用的无缝切换算法、远距离覆盖等措施具有高移动性，能保证列车以200 km/h的速度运行时其延时小于50 ms。

2.3 LTE的高可靠性

LTE的多级QoS算法保证了网络关键数据的可靠传输。QoS通常是在交换机或者路由器上设置的，包括设置带宽、设置ACK（确认字符）或ICMP（网络控制报文协议）优先级、限制P2P（对等网络）、策略。在EPS系统中，QoS控制的基本粒度是EPS承载（Bearer）。即：相同承载上的所有数据流将获得相同的QoS保障（如调度策略、缓冲队列管理、链路层配置等），不同的QoS保障需要不同类型的EPS承载来提供。LTE具有9级QoS算法，按优先级划分地铁用户业务，高优先级的优先传输，低优先级的尽量传输。LTE与Wi-Fi的可靠性比较见图4。

图4 LTE与Wi-Fi可靠性比较

2.4 LTE的信道

Wi-Fi网络存在同频及邻频干扰，LTE因为空中接口的独特帧结构不存在同频干扰问题，可组建同频网络节省带宽。LTE基于15 k Hz子载波调度，可用20 MB组建同频网络，Wi-Fi基于20 MB信道选择，需要20 MB×7=140 MB才能组建无干扰网络。LTE可根据不同用户需求动态分配传输信道，其频谱示意图如图5所示。

图5 LTE时频谱资源配置示意图

2.5 LTE的接收性能

图6为列车运行时LTE与Wi-Fi的接收性能曲线，运行测试图表明，相同的接收功率时，LTE可支持的列车速度明显高于Wi-Fi；相同的列车速度时，LTE具有更高灵敏度，Wi-Fi在接收功率低于-90 dBm时无法接收数据，LTE在接受功率低至-130 dBm时仍能满足低速数据需求。因此，同等情况下，相较Wi-Fi，LTE具有高移动和高接收性能。

2.6 LTE的地铁业务带宽分析

图6 LTE与Wi-Fi接收性能比较

LTE在地铁的实际应用中，上传数据只有车载CCTV、CBTC系统、语音视频综合调度三部分，所需带宽低于下行带宽，故本文着重讨论LTE网络下行带宽是否满足需求。LTE网络的理论下行峰值速率可达100 Mbit/s以上，上行峰值速率可达50 Mbit/s以上。PIS所需最低带宽为8 M（按MPEG 2格式），考虑到车辆内部监控（车载CCTV）需4 M带宽（每列车有多个摄像头，同时只上传2路图像），则无线网平均带宽应至少在12 M以上。带宽是保障图像高质量的最基本要求。国内外CBTC系统列车运行要求的传输带宽为：列车高速移动时能满足系统传输速率需求，最不利情况下传输带宽不小于1 Mbit/s。

LTE无线通信可以为车载PIS、车载CCTV系统预留15 M带宽，为CBTC系统预留3 M带宽，为语音视频综合调度预留7 M带宽。地铁LTE实现三网（车载PIS和车载CCTV系统、CBTC系统、语音视频调度三个通信网络）合一所需带宽共计25 M，LTE带宽完全满足地铁功能需求。

3 LTE应用于CBTC的探讨

国内大多数城市地铁采用WLAN（无线局域网）技术或者LAN（局域网）与漏泄光缆的结合（或者TETRA多基站与中继器和漏泄光缆的结合）承载CBTC和PIS系统，主要的出发点是基于技术和产品链的成熟度。本文从LTE的安全机制、数据丢包率、接入时延等方面探讨LTE在CBTC中的应用。

（1）LTE的安全机制。LTE通过认证和密钥协商过程实现用户的所有操作。即安全密钥生产和相互认证。LTE鉴权与密钥协商过程是：通过AUC（鉴权中心）和USIM卡（用户全球识别卡）中所共有的密钥K来计算加密密钥（CK）和完整性密钥（IK），并由CK和IK作为基本密钥计算一个新的父密钥KASME，随后由此密钥产生各层所需要的子密钥。即密钥分层系统。密钥分层推衍可防止上下级密钥相互泄露等情况发生。LTE/SAE的AKA（第三代移动通信网络的认证与密钥协商协议）鉴权过程与UMTS中的AKA鉴权过程基本相同，其采用Milenage算法（尚未有攻破案例，安全性能高），继承了UMTS中五元组鉴权机制的优点，实现了UE（用户设备）和网络侧的双向鉴权。双向鉴权可抵抗地铁中不良伪基站的攻击，同时，128 bit密钥长算法使破解难度增加。因此在安全性方面，LTE优于Wi-Fi，满足CBTC的安全性要求。

（2）LTE的丢包率。丢包率是指测试中丢失数据包数量占所发送数据包的比率。国外同行theverge对号称目前最稳定的美国VERIZON 4 G网络做了一番测试，测试结果表明，即使在4 G网络最成熟的美国，LTE的平均丢包率也高达30%。可见，LTE的丢包率过大，存在丢失关键数据的可能性，不符合CBTC安全稳定、成熟可靠的要求。

（3）LTE的时延。LTE对时延的具体要求为：用户面单项传输时延小于5 ms；控制面从睡眠状态到激活状态时延小于50 ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100 ms。用户面中断时间不会超过100 ms。测试芬兰最新建设的基于Teliasonera的LTE 4 G网络，记录的峰值下行速率为48 Mbit/s（平均值36.1 Mbit/s），平均延迟仅23 ms。延迟指标表明，LTE服务能满足大部分地铁无线通信的应用需求，包括VoIP、视频流媒体甚至高清IPTV（时延值目前没有行业标准，只有经验值，在100 ms以下都属于正常范围）。

综上所述，LTE无线网络完全满足车载PIS、车载CCTV和语音视频综合调度的技术要求，但不满足CBTC系统低时延、低丢包等安全性要求。故本文所提三网合并方案中CBTC采用LTE网络进行车地通信仅为示意，并不可行。

4 地铁的LTE需求

（1）车载CCTV安全需求。车载CCTV通过LTE提供车地高清视频传输业务，可实时监控车厢内的情况，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。车载设备接收系统无线传输的信息，经处理后转发给车辆专业，以在列车客室内音、视频播放，使乘客通过正确的服务信息引导，安全、便捷地乘坐轨道交通。

（2）车载PIS实时高清需求。车载PIS通过LTE提供车地高清视频传输业务，可无延时实时放送重大新闻、重大赛事转播、电视广播节目等，大大增强了PIS的媒体实时性和平台层次。

（3）语音集群调度增加视频需求。TD-LTE视频集群系统是在语音调度基础上增加视频调度、远程监控、视频会议、视频联动和智能分析等功能于一体的综合音视频集群通信系统，增加了调度的及时性、准确性。

（4）增值业务需求。LTE提供高清广告等公共媒体实时信息投放平台，可细分时间段进行广告投放，根据不同时间段高峰人流量等统计数据细化广告投放模式，实现运营盈利的科学化高效化管理。

LTE技术具有组网灵活、性价比高、扩展性好、业务提供能力强等优点，能满足系统扩展性、维护管理、业务提供等方面的需求，也符合无线通信技术的发展趋势。实施车载PIS、车载CCTV和语音视频综合调度无线融合方案技术优势明显，同时可降低投资成本，减少运营维护，增加运营广告收益。可以预见，未来地铁是LTE最重要的应用市场之一，而融合方案将是LTE应用于轨道交通的必然发展趋势。

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同济大学校友总会铁道大学校友分会即将成立

经向同济大学领导申报同意，同济大学校友总会铁道大学校友分会将于2015年5月18日正式成立。这是我们原上海铁道大学、上海铁道学院、上海铁道医学院广大师生及全体校友值得庆幸的一件大事。

自2014年年初开始，同济大学老科技工作者协会（简称同济老科协）第五届新的理事会，即把筹备成立同济大学校友总会铁道大学校友分会列为新年度工作的一项重要议程，并立即开展工作。经过近一年的筹备，现各项准备工作基本就绪，即将迎来召开成立大会的喜庆日子。

同济大学校友总会铁道大学校友分会的成立，为我们搭建了一个开展活动的平台。我们可以借助这个平台开展校友间的联谊、交流与合作；通过这个平台，我们可根据校友们的需求，为校友提供更好的服务；通过这个平台，我们可以凝聚广大校友的智慧与力量，为母校，乃至国家轨道交通事业的建设和发展，提供有力的支持和帮助。总之，我们确信，通过广大校友的共同努力，一定能在为实现中华民族伟大复兴中国梦的奋力拼搏中，奉献出我们的一份光和热！

我们热诚地欢迎铁路系统、城市轨道交通系统、全国各地及海内外的校友们立即与我们取得联系，以推动我们的校友联谊工作顺利开展。我们热切地期盼着！

联系地址：上海市普陀区真南路500号霜红庐三楼

邮编：200331

联系电话：021-51030491、021-51030718

联系人：阎恒良（13918061953）

王守丽（13122007476）

张永聚（13764871053）

同济大学老科技工作者协会

同济大学校友总会铁道大学校友分会筹备组

2014年12月25日

Application of Long Term Evolution Technology in Subway Wireless Communication

Zhang Chengguo，Li Wenming

Various wireless communication modes applied in rail transit industry are introduced.Aiming at the requirements for wireless business in subway，the combination scheme of 3 networks：CBTC，PIS（passenger information system）and CCTV（closed circuit TV）based on LTE technology is presented，the corresponding application scheme and network architecture is put forward.Combined with subway business，the technical advantages of LTE and channel bandwidth are analysed，the application of LET in CBTC system is discussed.The combination scheme of 3 networks can greatly reduce costs in construction，operation and maintenance while upgrading the performance，also increase the advertisement revenue in the operational period. LTE wireless communication will have a wide prospect in the development of urban rail transit industry.

subway；wireless communication；long term evolution（LTE）；application scheme

U 231.7

10.16037/j.1007-869x.2015.01.027

2014-04-10）