免授权长期演进系统辅助城市轨道交通长期演进系统进行综合承载的研究

吴 可

(北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，100070，北京//助理工程师)

济南市轨道交通R1线工程已于日前完成频率申请工作，其批准频宽为10 MHz(1 790 MHz～1 800 MHz)。根据实际频率申请情况，其车地无线通信系统方案已由LTE-M(城市轨道交通长期演进)系统综合承载方案变为LTE-M系统只承载CBTC(列车控制系统)业务，其他业务由Wlan(无线局域网络)系统承载。济南市的实际情况引发了笔者对城市轨道交通车地无线综合承载系统的思考，并产生了使用LTE-U(免授权频谱长期演进)系统辅助LTE-M系统进行综合承载的想法。

1 LTE-M系统

LTE-M系统是在现有LTE(长期演进)系统基础上结合城市轨道交通特点发展而来的城市轨道交通专用车地无线通信系统，主要对基于通信的CBTC、PIS(乘客信息系统)、IMS(视频监控系统)、集群调度等业务进行综合承载。根据《LTE-M系统综合承载信息分类与要求规范》中的规定，列车不同运行等级下的传输速率需求如表1所示。本表按一个小区下6列车计算；表中GOA 1/2为有人驾驶，GOA 3/4为无人驾驶。

由表1可知，在GOA 3/4运行等级下，LTE-M系统至少需要27.9 Mbit/s传输速率才能满足城市轨道交通车地无线通信系统综合承载的需求，其中A网6 Mbit/s，B网21.9 Mbit/s。

若由LTE-M系统承载所有业务，由表1和表2可知，LTE-M系统组网方案应选用A网5 MHz+B网15 MHz方能满足基本传输速率需求。表2中子帧配比按SA1(第1类上下行子帧配比)配置。

根据工信部无管局【2015】 65号文规定，城市轨道交通LTE-M系统可使用1 785～1 805 MHz频段下共20 MHz频宽进行建设。根据我国无线频谱资源分配规划，1 785～1 805 MHz频段紧邻LTE FDD(频分双工LTE系统)上行频段和中国移动DCS 1800系统(1 800 MHz数字蜂窝系统)的下行频段，因此在使用时需考虑以上两个频段对LTE-M系统的边缘速率产生的干扰。

表1 列车不同运行等级下传输速率需求表

表2 某设备厂家LTE系统传输速率测试数据表

LTE FDD上行频段和中国移动DCS 1800系统下行频段与LTE-M系统间的干扰情况详见表3。

表3 LTE FDD上行频段和中国移动DCS 1800系统下行频段与LTE-M系统间的干扰情况分析表

若单独使用LTE-M系统进行城市轨道交通车地无线综合承载系统建设，在考虑干扰的因素下，其小区边缘传输速率只能满足综合承载的基本需求。因此，需要寻找一种新的方案进行城市轨道交通车地无线综合承载的建设。

2 LTE-U系统

LTE-U系统是一种将LTE技术应用在5 GHz 的免授权频谱为用户提供运营商级网络服务的无线接入系统。其系统架构与现行LTE系统的差别只是工作在不同频段，所以技术上更容易实现。

由于LTE-U系统工作在5 GHz免授权频段上，所以面临与Wi-Fi(无线保真)系统之间存在干扰的问题。其根本原因在于LTE-U系统采用OFDMA(正交频分多址技术)信道接入技术进行通信，而Wi-Fi系统采用CSMA/CA(带有冲突避免的载波监听多路访问技术)信道接入方式进行通信。

OFDMA技术具有载波的独占性，使得LTE-U系统的传输性能基本不受影响。CSMA/CA接入技术具有异步性和分散性等特点，用户终端或AP(网络节点)在使用载波进行传输之前，需要对所有载波进行监听，以寻找空闲载波进行传输，如载波均被占用，则推迟传输。这使得Wi-Fi系统成为一个具有竞争性的系统，受载波使用情况干扰较大。

由此可知，载波使用权是二者存在冲突的原因。目前有以下几种技术可以予以解决。

(1) LBT(载波监听)机制。将LBT机制应用在LTE-U系统中，当LTE-U系统需要传送数据时，首先对所有Wi-Fi载波进行监听，选择空闲载波完成数据的传输，如无空闲载波，则LTE-U系统进行短时间避让，直到出现空闲载波。目前，通过对LTE-U系统空中接口的修改，已可达到ms级监测。LBT机制能够一定程度上解决LTE-U系统与Wi-Fi系统在5 GHz免授权频段上的载波冲突问题，但其工作原理决定了LTE-U系统数据传输上的被动性，因此LBT机制在更加注重数据传输实时性的轨道交通领域并不适用。

(2) 功率控制技术。当LTE-U系统进行上行数据传输时，可以对其UE(移动台)的上行功率进行控制，在保证UE上行发送数据质量的前提下，减少对Wi-Fi系统的干扰，使CSMA/CA机制认为该载波处于空闲可传输状态，以达到两个系统在同一载波上进行传输的目的。功率控制技术是一种单向保证Wi-Fi系统数据传输质量的技术手段，对LTE-U系统的数据传输质量无法进行优化。因此，在城市轨道交通领域的实际应用中，功率控制技术仅可作为辅助手段增加LTE-U系统与Wi-Fi系统共存的公平性。

(3) CSAT(载波监听自适应传输)技术。CSAT技术是一种基于自适应占空比的共存技术，也是一种使用时分复用技术针对通信媒介进行侦测的技术，其工作原理如图1所示。CSAT技术也是一种与LBT技术相结合的共存技术，其基本模块为一个占空比周期。

图1 自适应占空比共存方案

Wi-Fi系统设定接入时间并接入时，LTE-U系统只对载波进行监听，不进行数据传输；当Wi-Fi系统结束接入时，LTE-U系统监听到载波全部空闲，此时开启数据传输，并设定与Wi-Fi系统相同的接入时间。采用CSAT技术时，LTE-U系统为自适应传输状态，在保证LTE-U和Wi-Fi系统数据传输不中断的前提下，理论上可以完全互不干扰。CSAT技术可对LTE-U系统和Wi-Fi系统的数据传输进行统筹管理，在城市轨道交通领域的实际应用中，能够保证LTE-U系统与Wi-Fi系统之间的绝对平衡。

综上所述，LTE-U系统与Wi-Fi系统共存且互不干扰是可以实现的，其主要实现手段就是采用CSAT技术对LTE-U系统与Wi-Fi系统数据传输时间进行统筹管理，实现载波利用最大化，并辅助运用功率控制技术以减少可能发生的干扰。但以上两种共存技术的应用尚需一些国际标准的制定。

3 LTE-U在城市轨道交通中的应用

随着LTE技术的逐渐成熟，LTE-M系统在城市轨道交通行业的应用也越来越多，但综合全国城市轨道交通项目的频率申请情况来看，绝大部分只在地上区间申请到了5～10 MHz频率供城市轨道交通行业使用，远远无法满足城市轨道交通车地无线综合承载系统的实际使用需求。因此，使用LTE-U系统对LTE-M系统进行辅助承载成为了建设车地无线综合承载系统的一种优化选择。

将LTE-M系统与LTE-U系统相结合进行城市轨道交通车地无线综合承载系统建设的主要实现手段为CA(Carrier Aggregation，载波聚合技术)。上文对LTE-U系统的网络架构进行了分析，其与现行LTE系统的网络架构基本一致，故只需额外设置工作在5 GHz频段的RRU(远端射频模块)即可接入城市轨道交通LTE-M系统。如图2所示，将LTE-M系统使用的1.8 GHz频段与LTE-U系统使用的5 GHz频段进行载波聚合，在5 GHz频段同时部署下行链路和上行链路进行数据传输，但所有控制层流量由部署于1.8 GHz的LTE-M系统提供，由此完成对LTE-U系统的控制。

图2 载波聚合方案

在城市轨道交通车地无线综合承载系统的实际建设中，由LTE-M系统负责A网和C网CBTC业务的传送，LTE-U系统进行B网业务的传送，通过LTE-M系统的控制信号对LTE-U系统的数据传送进行控制，同时使用CSAT技术以与Wi-Fi系统实现和谐共存。

将LTE-M系统与LTE-U系统相结合进行城市轨道交通车地无线综合承载系统建设的优势主要有以下几点：① 解决LTE-M系统频点资源不足问题，能够用少量频宽实现车地无线综合承载；② 增加频率带宽，在地面区间使用LTE-U系统进行辅助承载时可提高PIS视频清晰度，及增加车载IMS调看路数；③ 在车辆段的试车线区域，可使用LTE-U系统划分独立频段对试车线上的车辆进行控制。

因车辆段同时具有正线及试车线两种线路特点，故系统建设方案以车辆段为例，将LTE-M系统与LTE-U系统相结合，进行城市轨道交通车地无线综合承载系统建设的系统方案如图3所示。

图3 LTE-U系统辅助LTE-M系统进行综合承载系统方案图

本方案实现了系统的全冗余，不仅对EPC及交换机做了冗余备份，同时对CBTC业务设置了互为独立的LTE-M双系统进行承载，以保证行车安全的可靠性。

在正线区域，CBTC业务采用LTE-M系统组建A网和C网两张相对独立的数据传输网，以保证CBTC业务传输的可靠性和安全性；采用LTE-U系统构建的B网承载IMS、PIS、集群调度等非CBTC业务，以保证大带宽业务的高质量传输。

在试车线区域，对CBTC系统进行了双网承载，优先以LTE-U系统中试车线专属频点进行承载，当LTE-U系统信号差以致无法满足传输需求时，由工作在1.8 GHz的LTE-M系统进行补盲承载。

4 结语

对单独LTE-M系统使用授权频段进行城市轨道交通车地无线综合无线系统建设存在的问题进行了分析，并简要介绍了使用LTE-U系统辅助LTE-M系统进行综合承载所存在的问题和优势。显而易见，利用LTE-U系统辅助承载LTE-M系统进行综合承载的建设技术上还存在一定不足，但是其优势也是极具诱惑力的，即有利于打破目前城市轨道交通行业综合承载建设的瓶颈。为此应积极追踪LTE-U技术的最新动态，期待其最终能进入城市轨道交通行业，提升服务品质，降低服务风险。