LTE技术在城市轨道交通车地无线通信系统中的应用探索

2016-10-20赵彦芳

天津建设科技 2016年2期

关键词：车地移动性车载

□文/赵彦芳

□文/赵彦芳

城市轨道交通车地无线通信的稳定性和准确性对运营安全至关重要。将LTE技术与WLAN技术进行比较，分析LTE用于城市轨道交通车地无线通信的技术优势。根据LTE的技术特点提出了两套系统解决方案。

WLAN技术；车地无线通信；LTE技术；轨道交通

目前城市轨道交通基本上采用无线局域网技术（WLAN）承载基于通信的列车控制（CBTC）和乘客信息系统（PIS）及视频监控系统（CCTV）。信号系统是关系行车安全和提高运行效率的系统，PIS系统影响乘车环境的舒适度，CCTV系统需要具有多路画面实时录像、多路画面实时显示以及根据需要灵活设置图像压缩质量和录像存储等功能。CBTC信号系统和PIS、CCTV系统采用何种车地通信方式和措施来避免干扰，以保证车地通信的可靠性、安全性、实时性、抗干扰等，是城市轨道交通建设必须研究的重要问题。

1　WLAN技术

IEEE802.11又称为无线局域网标准。在无线网络中，侦测碰撞十分不容易，因为是利用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Acess with Collision Avoidance）存取模式来传输。

WLAN定位在网络的接入层。1997年，IEEE802.11标准定义了单一的MAC层和多样的物理层，先后推出IEEE802.11a/b/g/n标准。目前在城市轨道交通行业广泛使用IEEE802.11n标准。

WLAN承载的综合业务一直运行在公共开放的2.4 G频段上，存在易受干扰、维护困难、高速移动性差等问题，对轨道交通的安全运营造成了很大的影响。随着无线承载业务越来越多，无论在带宽还是安全性方面WLAN技术将无法满足业务发展需求。

随着LTE技术的发展，LTE公网已在全球商用，越来越多的专网用户开始关注LTE在专网应用的可行性。

2　LTE技术特点

LTE（Long Term Evolutiong）移动通信技术的目标，是建立一个高传输效率、低时延、支持增强型多媒体广播组播业务、基于包优化的、可演进的无线接入框架。因此LTE系统采用接近于全IP化的、扁平化的网络结构，集成适用于宽带移动通信传输的众多先进技术，如正交频分复用（OFDM）、多输入多输出（MIMO）、自适应调制编码（AMC）等，有效提高数据速率、频谱效率和抗干扰性，提供综合业务承载的优先级调度和高速移动性支持并通过抗干扰技术和安全机制保证无线数据业务的安全可靠传输，见表1。

表1　LTE技术的主要特点

2.1系统内抗干扰

系统内干扰主要来自于同频邻区干扰，需考虑同向前后同频邻区间的干扰。系统内小区间的同频干扰会对小区吞吐量、覆盖产生影响。LTE系统由于频段资源有限及业务容量需要高带宽的原因，全线设计使用同频组网方式。因而需要考虑同向前后同频邻区间的干扰。

通过调度算法、IRC等来进行小区间的干扰控制、协调和消除。

1）调度技术。下行可采用业务异频调度来满足小区边缘的信噪比，保证小区边缘的业务速率。

2）IRC。通过基带解调IRC（Interference Rejection Combining）算法，可以将单小区来自列车方向相反方向的干扰去除，适合地铁场景的列车分布情况，IRC算法在方案中用于上行干扰消除。

2.2可维护性

1）采用漏缆作为媒介，轨旁设备数量减少。在综合承载的情况下，RRU布置间隔为1.2 km；在单独承载信号的情况下，RRU的布置间隔可达到2 km。

2）TD-LTE采用扁平化网络架构，无线网络部分只由核心网、BBU、RRU和车载TAU组成，网元整体数量减少，便于维护。

3）RRU和TAU采用工业级制造标准，适应多种环境应用。

2.3组网灵活性

1）接口协议标准化，支持多厂家设备的混合组网。

2）支持多种时钟同步协议，可根据环境选择不同同步方式。

2.4移动性

1）TD-LTE脱胎于3GPP，技术的发展源于解决高速移动环境下的网络高速接入。

2）先进多普勒频偏纠正技术支撑其高移动性。

3）高移动性支撑该技术能适用除城市轨道交通行业以外的城际铁路甚至高速铁路的业务应用。

2.5Qos

9级Qos能保证多业务承载的带宽合理使用，见表2。

表2　Qos

3　LTE技术与轨道交通需求匹配度的研究

1）轨道交通安全运营的重要性。要满足轨道交通的安全运营必须实现多级QoS算法、专用频率，专业抗干扰技术、高移动性、远距离覆盖、无缝切换技术。LTE技术良好的QoS体制保证多种业务的并发要求并且能降低小区边缘干扰，增加小区覆盖范围，降低系统时延，用户面数据传输延时＜5 ms。

2）轨道交通多业务平台的共用。轨道交通要求CBTC、PIS、CCTV多种业务共平台并且语音视频联动，现场可见，调度可达。LTE技术峰值速率可达到20 MHz带宽：下行100 Mbps，上行50 Mbps。能为速度达到350 km/h的用户提供高速的接入服务，从而满足多业务平台共用和语音视频的联动功能。

3）轨道交通的定制化服务。轨道交通要求采用多种频宽配置方式满足轨道交通不同业务需求情况下对频率灵活性要求、灵活时隙配比满足业务变化需求。LTE技术带宽配置灵活，可支持1.4、5、10、15、20 MHz。

经过以上研究可得出结论：LTE技术与轨道交通需求高度匹配，满足技术需求的基础上还能实现系统结构简单化，低成本建网，降低运营成本。

4　系统整体解决方案

4.1设计原则

1）可靠性原则。CBTC信号系统要求任何节点都是双份，避免任何节点出错导致故障。A/B双网保证双节点同时工作。

2）安全性原则。保证数据传输的安全性、采用鉴权，避免非法用户的攻击。

3）实时性原则。为实现实时对车辆的控制，数据传输要求实时；保证视频传输的清晰度、流畅性。

4）高带宽原则。视频高清质量要求上下行的大带宽。

5）环境适应性原则。充分考虑轨道设备、车辆设备的环境要求。

4.2设计思路

根据车地宽带无线传输平台传输内容的不同，LTE车地无线通信网络可分为两种。

1）系统方案A。LTE网络承载PIS信息+CCTV信息。采用的是非冗余单LTE网络、上行承载CCTV信息、下行承载PIS信息，见图1。

图1　LTE车地无线网络架构——PIS+CCTV

此方案中控制中心放置核心网设备eCNS，与PIS系统（含车载CCTV）相连，同时设置路由保证业务的隔离性。在车站布置LTE基站的BBU和RRU（按需配置）设备，长大区间内设置RRU设备。LTE基站通过通信传输系统提供的通道与控制中心连接。在每列车的车头和车尾分别设置1套车载接入设备TAU，通过车载交换机与应用系统车载设备相连，接收控制中心下发的PIS图像信息、上传列车内实时监控信息。

2）系统方案B。LTE网络完成CBTC+PIS+CCTV信息综合承载。采用的是A、B双网冗余，双网完全独立，并行工作，互不影响。A网承载双向CBTC信息，上行CCTV信息，下行PIS信息，分配较大带宽，如15MHz。B网只承载双向CBTC信息作为备份网络；分配较小带宽，如5 MHz，见图2。

图2　LTE车地无线网络架构——CBTC+PIS+CCTV

此方案中控制中心放置双套核心网设备eCNS，主备与信号系统和PIS系统（含车载CCTV）相连，同时设置路由保证业务的隔离性；在车站布置LTE基站的BBU（双套）和RRU（按需配置）设备，长大区间内设置RRU设备。LTE基站通过通信传输系统提供的通道与控制中心连接；在每列车的车头和车尾分别设置1套车载接入设备TAU，通过车载交换机与应用系统车载设备相连，接收控制中心下发的PIS图像信息、上传列车内实时监控信息。