LTE技术在长春市地铁1号线的应用

程 鑫 王天怡

（北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037）

1 概述

乘客信息系统是依托多媒体网络技术，以计算机系统为核心，以车站和车载显示终端为媒介向乘客提供信息服务的系统。一方面系统通过车载设备在列车车厢进行音视频播放。另一方面，控制中心可以实时调看列车车厢内的视频监控图像，提升了地铁处置车厢内突发事件的能力。

系统要求保证图像质量，不能出现马赛克、中断等现象，因此车-地无线网络要有足够的带宽并且能够保证车-地间信息的可靠传输。

2 技术选择

2.1 无线带宽需求分析

车地无线通信需要承载的业务主要包括CBTC、CCTV和PIS等。CBTC系统鉴于安全级别较高，本工程由信号系统单独建设基于WLAN技术车地无线网络用于承载CBTC信息，通信系统单独建设车地无线网络用于承载CCTV及PIS业务。

按照全线列车接收一路中心下发的信息，保证D1（720×576）的图像质量，采用MPEG-2编码方式，需要带宽约为8 M；每列车上传2路图像信息，按MPEG-4或H.264编码方式，每路按2 M计算，需要的带宽约为4 M。

车地传输的数据主要如表1所示。

表1 无线带宽需求

由此可知，能够保证无线网络的平均带宽大于13.1 Mbit/s，即可满足本线对带宽需求，实现实时视频传输。

2.2 系统建设现状

目前国内的PIS车地无线主要包括数字移动电视技术（DVB-T）、无线局域网（WLAN）、LTE、EUHT等技术。

2.2.1 DVB-T技术

数字移动电视技术能满足高清多媒体信息传输，它采用数字电视发射机将视频信号传输到车载接收装置。目前，国内已在建设运营较早的深圳、南京等地的城市轨道交通中有所应用。

优点：系统传输带宽可以满足实时传输高清视频信号的要求，列车运行过程中可以实现无缝切换，覆盖效果较好。

缺点：系统是单向系统，只能发送下行信息到车厢，车厢内的视频监视信息无法上传。为实现双向传输，必须增加其他辅助系统，增加了系统的复杂性，提高了投资。

2.2.2 WLAN技术

无线局域网技术是目前应用最为广泛的一种移动宽带传输技术，其标准先后经历802.11a、802.11g、802.11n和802.11ac标准。

该网络目前可提供54 Mbit/s的带宽（其中802.11n标准理论带宽高达300 Mbit/s），稳定带宽约为15 Mbit/s，可满足80 km/h运行状态下的视频数据传送需求。由于无线局域网技术成熟、产业化水平高，在目前国内轨道交通PIS系统建设中，已开通的线路车地无线双向宽带传输网大部分采用此技术。

2.2.3 LTE技术

LTE项目是3G的演进，改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。在20 MHz频谱带宽下能够提供下行100 Mbit/s与上行50 Mbit/s的峰值速率。

目前国内有很多厂商能够提供整套的LTE解决方案，产品成熟度较高，可选择范围大，但其工作频段不能采用目前4G公用频段，虽然工信部发布了“工业和信息化部关于重新发布1785-1805 MHz频段无线接入系统频率使用事宜的通知”，但仍涉及频率申请问题。

2.2.4 EUHT技术

超高速移动通信技术（以下简称EUHT）是我国自主研发的全球首个能够解决“移动宽带一体化”的通信技术系统。目前，EUHT拥有超高速无线局域网等两项中国通信行业标准（标准号YD/T 2394.2-2012）。EUHT已全面推进产业化，京津城际、广州地铁6号线的EUHT商业示范线也于2016年10月底相继建成。上海、深圳等城市也在计划实施以EUHT技术为基础的智能交通方案。

2.3 车-地无线技术选择

为保证地铁1号线2017年6月30日开通试运营的目标，各设备系统均于2015年完成招标，中国城市轨道交通协会还并没有发布“关于推荐城轨交通项目新建CBTC系统使用1.8G专用频段和LTE综合无线通信系统的通知”，因此，信号系统按WLAN技术进行招标建设。同时，工信部及国家无线电管理局从紧缺的无线频段资源中明确1.8G作为城市轨道交通等行业专用频段，经与长春市无委会沟通，同意批复1785-1795共10 M频点用于地铁建设车地无线网络。结合信号的建设方案及LTE技术的优势，本工程采用LTE技术组建车地无线网络，用于承载上行CCTV业务及下行PIS业务。

3 方案设计

3.1 系统组成

系统主要由车辆段和区间的射频单元RRU、隧道多频分合路器、漏缆（与专用无线合用），车站的LTE基站BBU、射频单元RRU设备、合路器POI、GPS天线、控制中心的核心网控制单元设备、无线管理工作站以及列车上的无线接入设备（含天线）等组成。

车地无线网络构成如图1所示。

3.2 无线覆盖设计

本系统在隧道区间合用专用无线漏缆，在车辆段采用定向天线覆盖。

3.2.1 车站附近隧道覆盖

为车站的上下行隧道配置独立的RRU，上下行隧道的漏泄同轴电缆分别连接到RRU上。

RRU的每个通道和TETRA系统使用一个合路器。

组网示意如图2所示。

3.2.2 长区间隧道覆盖

通过链路预算设计，受限于上行链路，RRU单边最大覆盖可到680 m，考虑切换带的重叠覆盖区域为40 m，建议RRU单边覆盖不超过640 m。

当两站之间站间距大于1 280 m时，区间增加RRU。

长区间隧道组网示意如图3、4所示。

3.2.3 车辆段覆盖

车辆段覆盖区域大，区域内列车数量多，数据传输的并发性高。采用4T4R型RRU，采用定向天线挂侧墙安装的方式进行覆盖。

3.2.4 无线RRU设备分布设计

RRU设备分布情况如表2所示。

表2 无线RRU设备分布表

3.3 切换设计

在设计中，无线越区切换的迟滞为2 dB，无线切换时延小于50 ms，保守计算取值100 ms，列车速度按照最大80 km/h，传播模型按照漏缆每100 m损耗4.3 dB计算，切换带在40 m左右。系统切换过程如图5所示：在TAU终端接入LTE系统网络后，由网络给TAU终端下发信号强度检测测量消息，由TAU终端进行信号强度检测。TAU给网络上报测量报告消息，网络侧根据报告消息触发切换动作，让TAU从原先小区切换到信号强度较好的小区。

4 测试数据

1号线开通之后，对LTE车地无线传输性能进行了测试，测试区间为北环路站-红咀子站，测试结果如表3所示。根据招标文件，标准要求为双向吞吐量≥15 Mbit/s，车→地吞吐量≥6 Mbit/s，地→车吞吐量≥8 Mbit/s。测试结果表明LTE车地无线通道性能符合标准要求。

表3 车地通信测试数据

续表

以目前的数据配置，各小区均已达到设计目标：下载速率＞8 Mbit/s；上传速率＞6 Mbit/s。除长春站北广场和北京大街站间由于不具备施工条件未开通长春站南广场站不连续覆盖，其余基站丢包率指标正常、时延、站间切换正常、衔接顺畅，实际直播效果良好，未出现卡屏、马赛克等现象。

5 结语

TD-LTE技术在长春地铁1号线乘客信息系统的成功应用和开通，进一步验证了LTE技术数据传输速率高、切换更快、QoS等级保护多、运营维护量小等特点，提出的设计方案可对今后城市轨道交通无线网络设计提供参考。根据中国城市轨道交通协会 “关于推荐城轨交通项目新建CBTC系统使用1.8G专用频段和LTE综合无线通信系统的通知”文件精神及LTE-M技术标准的逐步完善，未来在城市轨道交通领域LTE将发挥更大的作用。

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