基于特殊频段的LTE系统在城市轨道交通中的应用

马汀

摘要：近几年无线技术飞速发展，LTE系统在城市轨道交通中也在逐步推进，但频率资源的限制使得LTE系统无法得到全方位的应用。本文提出了5GHz的特殊频段LTE系统思路，并针对城市轨道交通专用无线网络的具体业务进行了研究，对其他类似的工程设计提供参考作用。

关键词：LTE；轨道交通；特殊频段

中图分类号：U285 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）02-0033-03

1 概述

城市轨道交通中的无线系统大致可分为三类，专用无线网络、公安无线网络和民用无线网络。专用无线网络主要为地铁专网服务，用户为地铁运营人员；公安无线网络为地面公安无线在地铁区域的延伸，用户为公安人员；民用无线网络为公众移动运营商（中国移动、中国联通、中国电信等）无线系统在地铁区域的延伸，用户为手机客户。

根据国家无线电管理的相关规定，LTE系统在地铁专用无线网络中可申请的频率范围仅为1785～1805MHz共20MHz频宽。随着城市轨道交通的飞速发展，无线业务需求日益丰富，高速增长的无线带宽需求与有限的频率资源之间的矛盾日益凸显，利用特殊的5GHz频段的LTE（也称为LTE-U）成为一种新思路。本文将基于佛山地铁2号线一期工程研究LTE-U在专用无线网络的应用。

2 项目背景

2.1 项目概况

佛山城市轨道交通2号线一期工程整体呈东西方向，起点为南庄站，终点为广州南站，正线线路总长为32.4 km，共设车站17座、车辆段及综合维修基地一座、停车场一座、控制中心一座。

2.2 频率资源现状

工信部在2015年通过《关于重新发布1785-1805 MHz频段无线接入系統频率使用事宜的通知》（工信部无201565号）发布了关于LTE系统的应用范围，明确城市轨道交通可采用1.8GHz的 LTE系统应用于无线通信，具体频率资源的申请事宜可与当地无线电主管部门充分沟通，确定合理的无线方案。同时，近几年中国轨道交通协会也通过各种渠道推动LTE在城市轨道交通中的应用，在条件允许的情况下尽量申请到1785～1805MHz的全部20MHz频段。

经过与无线电主管部门的多次沟通，了解到当地频率资源的现状，1790～1795MHz的5MHz已批复其他用户。同时，考虑到与其他公众移动运营商的频段相邻，易相互干扰，针对1785～1790MHz以及1800～1805MHz范围的频率资源原则上不建议过度使用。综合上述情况，1.8GHz频段资源紧张，对于方案的稳定存在不确定性，于是着手考虑基于5GHz频段的LTE-U在本工程中的应用研究。

3 无线方案设计

3.1 业务需求

专用无线业务涉及面较广，主要用户为地铁运营人员，包含了信号车地无线系统、集群专网无线系统、PIS车地无线系统和车载视频监控等。

信号车地无线系统在整个信号系统中起着关键作用，承载了列车间距防护、列车速度防护、列车自动运行与调度等多项功能，确保行车安全，同时又能高效运行、便于管理人员灵活调度指挥。信号车地无线系统主要传送地面与列车之间的各类数据信息，主要包含列车控制信息、列车地理位置信息、鉴权信息等。所有数据均要求独立高可靠性的冗余通道、低速率的实时数据传输以及最高的优先级。

集群专网无线系统为固定用户、移动用户之间提供迅速、高质量的无线通信保障。其中固定用户包括控制中心调度员、车辆段/停车场调度员、车站车控室值班员等，移动用户包括站务人员、列车司机、检修人员等。集群专网无线系统主要提供无线语音调度、日常通话等功能，确保行车安全、提高列车运行效率、在紧急情况下提供必要保障。该业务要求低速的准实时数据的可靠传输、较高优先级逻辑需求以及高可靠性的通道。

PIS车地无线系统主要承载列车车厢内广告、新闻、咨询发布，同时进行必要的乘客指引信息播放。无线传输的数据主要为图片、文字、视频等信息。 该业务要求直播为主、录播为辅。直播数据要求实时性强、切换稳定无卡顿。录播要考虑在车辆段/停车场列车车库内的静态工况下大批量数据的稳定传输。该业务要求紧急信息数据优先级高、限制录播数据带宽、保证组播数据通道。

车载视频监控系统用于实时监控列车车厢内的情况，并在紧急情况下为应急调度指挥提供实时的车内高清动态图像信息。无线数据主要为视频信息。该业务要求大量的多路实时视频数据传输，带宽压力主要集中在上行带宽，且数据优先级较高，尽量避免重传。

其他的无线业务主要体现为列车车况信息，一般为低速率的数据信息，对实时性要求较高。

信号车地无线系统和集群专网无线系统主要承载低速数据，实时性、可靠性要求较高，一般采用WLAN或 LTE制式承载 信号车地无线系统业务， 采用TETRA或LTE制式承载集群专网无线业务。 信号车地无线系统和集群专网无线系统涉及行车安全，与调度指挥息息相关，地铁公司往往考虑选用产品成熟度高、行业内广泛采用并认可的无线制式， 基于此背景，本文将重点研究 LTE- U制式承载非关键业务、带宽需求较高的 PIS车地无线系统、车载视频监控系统等解决方案。

3.2 总体方案

LTE-U网络由有线承载网、无线承载网。有线承载网由专用通信系统传输网络提供，专用通信系统传输网络采用环网结构，以控制中心为切点组建两个传输环网。无线承载网由LTE核心网、车站/段场基站以及车载设备组成。各类无线业务数据在控制中心通过交换机连接至LTE核心网，经由有线承载网、无线承载网、车载网络与列车进行数据交互。总体组网架构如图1所示。

3.3 业务承载方案

LTE-U网络主要承载车载PIS信息、车载CCTV信息以及列车车况信息。

3.3.1 车载PIS

LTE-U网络提供车载PIS业务，由地面将文字、图像以及视频信息通过无线方式传送到列车车厢内播放。具体如下：

（1）要求支持单播或组播通信；

（2）要求能够传输图像分辨率为高清的视频，传输速率占用下行带宽4-8Mbps；

（3）要求传输时延不超过500ms的概率不小于98%；

（4）要求丢包率不大于1%。

3.3.2 车载CCTV

LTE-U網络提供车载CCTV业务的车地无线传输，可用于控制中心管理人员或公安干警实时监控列车车厢。在紧急情况下，为公安、消防人员提供实时的高清图像，为打击犯罪、指挥救灾等工作提供辅助。

车载CCTV业务要求针对全线各列车所有摄像机摄取的画面进行实时调看或历史查询。本工程采用列车6节编组，每节车厢需要上传一路高清视频，图像分辨率采用1080P全高清制式、H.264/H.265编码，码流不超过3Mbps，帧率不低于30帧/秒。单列车需要占用上行带宽18Mbps。

3.3.3 列车车况信息

列车车况信息一般为低速率的数据信息，需要占用上行带宽1-3Mbps。

综合上述业务需求，单列车的无线通信带宽要求上行不小于21Mbps、下行不小于8Mbps。

3.4 无线覆盖方案

（1）正线区间。正线区间可以采用波导管和天线两种无线覆盖方式。波导管无线覆盖均匀，方向性集中，能够适应正线区间的弯度和坡度的变化，但造价较高，施工安装难度大。天线造价低，安装方便，施工难度小，但传播距离受隧道变化影响较大。综合考虑技术难点以及造价，建议正线区间采用天线方式进行无线覆盖。

天线主要采用定向天线，在地下段应安装在隧道较高处，尽量与列车车顶天线平齐；天线在高架段应安装在疏散平台下方的托架处或自行立杆安装，具备条件的情况下可以安装在接触网立柱上。

（2）车辆段/停车场。车辆段/停车场范围较大，通过多个基站组建无线分布系统进行场强覆盖，天线采用全向天线与定向天线相结合的方式。

3.5 无线链路计算

考虑到单个无线小区仅有单列列车同行，无线小区边缘速率需求按照上行21Mbps下行8Mbps进行计算。列车速率按照80Km/h考虑，LTE-U基站考虑单载波组网，链路预算表如表1所示。

由上表可知单个无线小区的覆盖半径为370米，考虑到小区之间的切换以及设计余量，站间距可按照600米建设，大于600米的两车站之间需要增加1套基站设备。

4 结语

专用无线网络是城市轨道交通中必不可少的重要组成部分，为车-地之间提供稳定的数据传输通道，为信息的相互传递保驾护航。本文基于佛山地铁2号线一期工程，结合当前LTE无线频率的现状，对特殊频段的LTE-U系统在轨道交通的应用提出了新的思路，并进行了业务分析、网络架构规划、无线覆盖方案设计等研究，为城市轨道交通专用无线网络的设计提供参考。

参考文献

[1]张成国，李文明.长期演进（LTE）技术在地铁无线通信中的应用[J].城市轨道交通研究，2015，（01）：112-117.

[2]唐霈.城市轨道交通PIS车地无线传输方案研究[J].信息通信，2014，（12）：177-178.

[3]沈嘉，索士强，全海洋，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.