LTE技术在地铁通信工程中应用探讨

黄健

【摘 要】随着时代的进步及科学技术的发展，无线通信技术领域进入了4G时代，不再局限于文字和音频信息，纵观国内外地铁交通事故的发生，让通信监控设备及对乘客的监督管理改善起着重要的支撑作用，以便应对突发事件。本文主要对LTE技术在地铁通信领域中的应用进行分析，以期为地铁通信的进步及完善提供借鉴。

【关键词】地铁无线通信；LTE技术；应用

前言：

LTE技术在技术层面上是增强空中接入及技术改进，也是由3G的基础上向4G过渡的一项技术。与传统的3G网络技术比较，4G具有更强的数据下载、传输速率、容量及覆盖率。主要采取了OFDM和MIMO，被认为是3G向4G时代的主流技术。

一、LTE技术在地铁无线通信中的应用优势

（一）LTE的抗干扰技术

WIFI在干扰检测方面只能提供带宽级的信号强度进行检测与反馈，这样难免会出现不精确的数据，而LTE运用导频设计均匀分配时频域，以2ms快速调度响应跟踪信道时频域变化。同时还可以同步反馈多个终端，提升了干扰检测的及时性和准确性，及时根据干扰情况进行调整资源，被检测到之后，LTE根据终端的信道状况分配子带频率资源，LTE也可以通过AMC自动调整编制和编码策略。

（二）LTE的高移动性

WIFI由于覆盖范围小，比较适用于固定场所，由于地铁车辆时移动的，在地铁车辆上应用WIFI技术，导致频繁地选择和关联新AP时会耗费大量时间。LTE技术则不同，它采用无缝切换算法，大大缩短了延时，这种高移动性也满足了地铁在高速移动的时候仍然能连接网络。

（三）LTE的高可靠性

在可靠性上，WIFI的数据传输无优先级，它采用基于用户竞争的QoS算法，没有绝对的用户优先级，在这种情况下，出现一个同频干扰源，丢包率就有60%，当出现两个同频干扰源时，丢包率高达100%，这无法满足地铁任一级别业务。而LTE采用的是9级QoS算法，按照优先级进行传输，优先传输高优先级，尽量传输低优先级的，这种多级QoS算法便保证了网络数据的有效传输。

二、LTE技術在地铁无线通信中的应用分析

（一）LTE的信道和接收性能

LTE需要综合运用CBTC、CCTV、PIS多种通信业务，可以实现CCTV视频快速上传，使调度员、值班员可实时监控列车内部情况，可以满足PIS实时高清播放需求。在承载工作进行过程中，有以下几个问题需要注意：A、B两网相互独立、并行工作；A网分配较大带宽，承载双向CBTC，上行CCTV，下行PIS；B网分配较小宽带，承载双向CBTC信息作为备份。经测试和分析，在相同的接收功率情况下，LTE技术相较于WIFI可以支持更快的列车速度，在相同的列车速度下，LTE技术灵敏度更高。

（二）LTE的地铁业务带宽分析

带宽是用来保障图像质量的，在地铁的通信应用中，包括CCTV、CBTC、PIS三种业务。在CBTC系统中符合列车需求的传输带宽为：在最不利情况下传输带宽不能小于1Mbit/s。为了保证在列车高速移动时满足上网需求，LTE网络要为PIS和CCTV预留15M带宽，分别给CBTC系统和语音视频调度系统预留3M和7M带宽，总计需要带宽25M才能完全满足地铁通信业务需求。

（三）LTE技术的设计原则

在设计LTE技术，只有满足以下几个基本原则，才会真正地满足地铁的网络需求。

①可靠性原则。为了保证有突发事件时，网络和信息传输不受影响，CBTC信号系统要求任何节点都有备份；

②安全性原则。这是为了数据在传输过程中不丢失，或者能抵御其他不良信息的攻击，保证其安全性；

③实时性原则。能够保证数据、信息的实时传输，对于车厢内的情况进行实时监控；

④高带宽原则。为了防止视频卡顿、信息传播速度慢、不能实时更新等情况，需要有高带宽来满足地铁对网络速度的要求；

⑤环境适应性原则。无线的布置要考虑到乘客的上网需求，做到网络覆盖所有乘客。

（四）效益分析

LTE技术一定程度上提高了地铁的监控水平，为保障列车的安全提供了实时信息，也为乘客提供了一个更好的乘车体验，乘客可以在列车行驶过程中查看到服务信息、公共资讯、娱乐新闻等。此外，LTE 技术在数据传输上有更快的速率，有更充足的系统容量，有更低的运营成本。可以说，LTE技术的运用既降低了成本，又提高了经济效益。

三、LTE技术应用于CBTC分析

（一）LTE技术的安全机制

用户的所有操作是在安全密匙生产和相互认证的基础上实现的，LTE的密匙生产过程是通过对所有密匙进行计算得出加密密匙和完整性密匙，再由这两种密匙得出一个父密匙KASME，由父密匙产生各层所需的子密匙，这样便形成了防止上下级密匙泄露的密匙分层系统。LTE的密匙协商过程采用的是Milenage算法，目前为止，这种算法还未被攻破过，这种算法具有AKA鉴权过程中五元组鉴权机制，可以实现用户设备和网络方面的双向鉴权。它的优势在于，其具有128bit的密匙长度很难被破解，并且它的双向鉴权可以抵抗不良伪基站的攻击，它能够很好地满足CBTC的安全需求。

（二）LTE技术的时延

在高速移动的地铁中，为了保证信号接收的及时性和通信质量，一定需要有严格的数据时延控制。目前LTE对时延的控制是：用户面单项传输要小于5ms；把控制面从睡眠状态唤醒到激活状态小于50ms，把控制面从驻留状态迁移到激活状态时间小于100ms；用户网络中断时间不能超过100ms。在芬兰的LTE网络测试中，平均时延仅有23ms。这些指标表明，LTE网络传输速度非常快，能满足大部分地铁通信的需求，比如VoIP、高清IPTV或者视频流媒体。

（三）LTE技术的丢包率

所谓丢包率，顾名思义就是在数据包发送时，丢失的数据包数量占总数据包的比率。目前最稳定的美国VERIZON4G网络被测试过，结果显示，在美国这样一个4G网络非常成熟的国家，LTE的丢包率竟然高达30%。由此可见，LTE在保证数据完整传输上存在比较大的问题，丢包率过大难以符合CBTC 的安全稳定要求。

四、地铁的LTE需求

（一）车载CCTV安全需求

发生紧急情况时，LTE能传送地铁高清视频，使调度员能对车厢内的各种情况进行实时监控。况且LTE可以优先运行安全信息，以确保行车安全。车载CCTV图像转发给各个车厢，通过车厢内的PIS屏可显示正确的引导信息，安全、正确地乘坐地铁。

（二）车载PIS实时高清需求

随着网络技术的普及和不断发展，人们对视频的观看体验要求越来越高，而在地铁上，也需要有流畅的地铁影音服务来满足乘客的这一需求，车载PIS可以通过LTE提供实时的重大新闻、赛事进行、电视节目的播放，满足高清视频的无延时播放需求，满足乘客的娱乐需求，提高了PIS的媒体实时性。

（三）增值业务需求

LTE可以按时间段和高峰人流量等数据进行相应的广告投放，这种广告投放模式和运营方式更加科学高效，也极大地提高了广告投放效率，并且降低了运营成本，提高了经济效益，可见LTE是一个比较完善的公共媒体实时信息投放平台。此外，LTE网络技术还可以实现集多种功能于一体的综合音视频集群通信系统，在语音调度的基础上，增加远程监控、视频会议、智能分析、视频调度等多种功能，很大程度上增加了调度的及时性和准确性。

五、结语

LTE技术在地铁通信工程中的应用取得很大进步，大大减少了延时和数据的丢包率，提高了传输效率，保证信号接收的及时性及通信质量。同时也满足了当前乘客对地铁影音服务的需求，LTE技术所具备的众多优势，相信在未来的地铁通信领域得到更为广阔的应用市场。