LTE技术在城市轨道交通信号系统中的应用分析

张卫民

1 引言

LTE技术是建立在3G网络技术的基础上创新发展演变而来，也被大多数人认为是4G技术，但是LTE技术实际上属于3.9G的范围。LTE技术是实现列车运行自动化的基础，在城市轨道交通信号系统中，主要是由地面相应的信号设备对行驶的列车进行移动的命令授权行为，列车通过车载的信号接收设备来实现对命令的执行操作，在这一过程中，交通信号的传输过程一般需要依靠LTE技术来实现。

2 我国城市轨道交通信号系统无线通信的现状

2.1 容易受到其他同频段设备的干扰

从我国城市轨道交通信号系统的应用现状来看，大多采用的是基于通信的列车自动控制系统（CBTC）。CBTC系统主要由安全装置、对象控制装置和辅助列车检测设备等组成，利用这些装置与外部的网络系统连接，可以实现对列车的自动控制（详见图1）。CBTC信号系统具有列车间隔短、轨道运输能力强等优势，但是在实际的应用中还存在一定的缺陷，其中最为明显的一类问题就是城市轨道交通信号系统非常容易受到其他同频设备的干扰，从而影响到正常的信号传输。具体的原因主要是因为当前列车上免费开放的无线局域网络和信号系统采用的均是2.4GHz频段，这类开放频段会导致信号传输通道被外界其他同频段设备抢占的现象，系统内部的信号传输也会因此被阻断，严重时甚至会影响到列车的正常运营。针对这种情况，想要进一步降低外界因素对轨道交通信号传输的影响，还需要额外采取应对措施，相关研究人员也就此展开了一系列的研究工作，致力于将不易被干扰的信号投入到城市交通的信号系统中。

图1 CBTC信号系统构成示意图

2.2 不支持高速移动

通过对各个地区城市交通信号系统的研究发现，有大部分地区在对城市交通规划时都将列车的运行速度定位到120km/h，针对120km/h甚至更高的列车运行速度，会对城市交通信号系统的信号传输带来巨大的压力。从当前的WLAN技术应用标准的制定来看，最早是被定位在室内场景之间的无线宽带传输，对于运行速度较高的移动设备来说，还没有相应的信号传输优化设备能够支撑移动设备的快速运行，过高的移动速度会在很大程度上增加信号传输误码率，进而对无线信号的传输造成影响。

2.3 城市交通轨道两侧的无线设备较多

从目前城市轨道交通信号系统来看，列车运行的实际速度越快，WLAN技术设备在信号传输过程中的可靠距离就越短，以列车运行速度80km/h为例，在设置WLAN设备的两个AP点之间的距离需要控制在200m以内，那么如果一条轨道线路长达30km，则需要至少设置300个以上的AP设备（参考图1）。但是在城市交通轨道两侧设置的信号传输设备越多，不仅需要更多的资金成本投入，对于城市交通信号系统中的安全隐患问题也会随之增多[1]。如果轨道两侧的无线设备发生故障，技术人员往往无法及时赶到故障发生地点，对无线设备的抢修和日常维护的工作难度都相对较大。

3 LTE技术在城市轨道交通信号系统中的应用价值

3.1 LTE技术概述

LTE技术是建立在3G网络技术的基础上，经过不断的创新和完善发展而来。LTE技术是由3GPP组织定义的一种空中无线接口标准，依靠LTE技术建立的移动通信目标是达到更高的信号传输速率，同时可以支持各类多媒体广播的业务组播以及支撑包优化基础上的无线接入架构。此外，LTE技术包含了当前最为先进的信号处理技术、灵活的频谱解决方案以及具有非常灵活的上下行资源配比，因此具有非常广泛的应用。其中日本便是利用了LTE技术中的频谱解决方案的灵活性，将TD-LTE网络频谱设置为2.545-2.575GHz，国内使用的则是2.57-2.62GHz等等。LTE技术在我国城市轨道交通信号系统中的应用，不仅显著提高了列车运行的安全性，还进一步实现了列车的自动化运行，对于交通行业的发展具有不可忽视的重要作用。

3.2 LTE技术在城市轨道交通信号系统中的应用优势

3GPP针对LTE技术的性能要求指标主要是：城市轨道交通信号系统在20MHz频谱的带宽条件下需要提供100Mb/s的下行以及50Mb/s的上行峰值速率。LTE技术在城市轨道交通信号系统中具有多种优势，具体总结为以下几点：（1）扁平化的网络。LTE技术网络采用的是BBU和RRU以及EPC两层扁平的网络构架模式，这一类型的网络构架往往需要的网元节点会很少，时延小，可以进一步满足网络的低时延、低复杂度以及低成本的实际需求；（2）LTE技术在城市轨道交通信号传输系统中具有非常高的传输带宽，并且支持成对以及非成对的频段；（3）LTE技术在城市轨道交通信号系统中的应用表现出了较强的移动接入性能，可以通过对频率的自动校准来进一步保证无线链路的质量。

3.3 LTE技术与WLAN技术的性能对比

表1 LTE技术与WLAN技术的性能对比

4 LTE技术在城市轨道交通信号系统中的应用分析

4.1 LTE信号系统的应用

随着科学技术的不断发展，LTE技术也在不断完善和优化，LTE技术在城市轨道交通信号系统中的应用也为城市轨道交通的进一步发展起到了极大的推动作用。例如：郑州市在2013年底开始开通运行的地铁1号线，其中使用的PIS系统便是对LTE技术在无线通信方案中的首次运用。其次，LTE技术在深圳、温州以及杭州等多地的城市轨道交通信号系统中中标[2]。LTE技术信号系统的应用主要涉及了列车的行车安全系统，对于无线通信的稳定性、可靠性以及安全性会有较高的要求。LTE技术在城市轨道交通信号系统的信号传输过程中，所需要的带宽很小，并且具有较高的实效性和可靠性。由于城市轨道交通信号系统与城市轨道交通PIS系统在需求上存在一定的差异，所以在实际的LTE技术应用过程中，还需要根据实际的信号无线通信传输特点来进行适当的调试。

4.2 LTE技术在城市轨道交通信号系统中的应用测试

LTE技术在城市轨道交通信号系统中的应用测试主要是从2014年北京市交通委、北京市轨道交通建管公司、北京市轨道交通路网指挥中心以及北京市地铁运营公司等多家公司和部门的共同支持下进行，通过联合无线网络通信厂商以及通信厂商对LTE技术在城市轨道交通信号系统中的应用信息进行了整合和测试工作。LTE技术在城市轨道交通信号系统中的应用测试拓扑示意图如图2所示，其中CBTC业务流数据包的具体大小为400bytes，实际的发送周期是100ms；信道仿真器主要采用的是ETU信道模型，同时按照漏缆信道衰落的特点设置信道仿真器链路衰耗，将传输频宽控制在5MHz和15MHz。利用这个测试平台，可以对LTE传输时延、丢包性能以及切换传输性能等关键性指标进行测试。参加LTE技术在城市轨道交通信号系统中应用测试的信号厂家有很多，比如：华为、中兴、普天、54所等通信厂商以及卡斯柯、交控科技、富欣智控、全路通等信号厂家。LTE技术在城市轨道交通信号系统中的应用测试主要依托与实验室测试平台搭建的基础上，各个通信厂商和信号厂家通过对城市轨道交通的模拟，进一步实现了对无线通信传输的测试。

图2 LTE技术在城市轨道交通信号系统中的应用测试拓扑示意图

在完成LTE技术在城市轨道交通信号系统中的应用测试试验之后，参与测试的各方都将LTE技术相关设备积极地转移到城市轨道交通环境展开实际的应用测试，测试结果也进一步表明了LTE技术在城市轨道交通信号系统中的巨大应用价值，标志着城市轨道交通又向前迈了一大步。

5 LTE技术在城市轨道交通信号系统中的使用专用频率

LTE技术在城市轨道交通信号系统中的使用专用频率，主要是为了LTE技术在城市轨道交通信号系统中的信号传输环节可以进一步增加抗干扰能力。2015年年初，工信部发布的关于城市轨道交通信号系统中1785-1805MHz频段将接入到信号系统的频率使用事宜，对于城市轨道交通信号系统可以申请专用的频段进行了明确规定[3]。这一规定的发表，也直接表示了城市轨道交通单位可以对LTE技术应用的专用频段进行申请，并将申请下来的频段作为商用通信运营之外的独立频段存在，避免了民用手持移动设备可能对城市轨道交通信号系统中信号传输的影响。此外，在LTE技术在城市轨道交通信号传输中的专业频段的应用，也进一步促进了LTE技术在城市轨道交通信号系统中应用的发展，更好地为城市轨道交通的发展提供坚实的技术支持。

6 总结

综上所述，通过对LTE信号系统的在城市轨道中的应用、LTE技术在城市轨道交通信号系统中的应用测试以及LTE技术在城市轨道交通信号系统中的使用专用频率三个方面的深入研究，进一步明确了LTE技术在城市轨道交通信号系统中的应用价值。作为当前移动通信发展中最为先进的一类技术形式，只有对LTE技术不断地进行创新和优化，才能更好地为城市轨道交通的发展提供技术支持。