LTE-M系统可靠性研究及综合承载设计探究

冯杰，赵宗耀

（北京城建设计发展集团股份有限公司云南京建轨道交通投资建设有限公司，昆明650000）

1 引言

在社会经济快速发展的同时，城市网络化进程的步伐逐渐加快，网络拥堵以及资源能耗问题越来越突出，城市轨道交通建设中的网络应用也面临着诸多问题。随着轨道交通运行里程的不断增加，网速滞后这一问题也日益凸显。列车在高速行驶过程中，传统的WLAN网络通信信号不稳定，干扰源较多等问题越来越明显，而LTE-M系统能够有效解决WLAN存在的问题，为列车安全稳定的运行提供保障。

2 LTE-M系统简述

2.1 运行方式

LTE-M系统是对下一个移动宽带网络标准的定义，分为频分双工（FDD）与时分双工（TDD）2种方式。FDD主要是通过2个相对独立的频率信道接收与发送信息。为了有效减少不同信道之间相互干扰的情况，设置有专门的保护频段间隔。通过成对的频段，能够实现信号发送与接收同时进行，因此，FDD可以有效减少信号反馈时间。TDD主要是根据时间区分发送与接收信道，在不同时隙传输信号，TDD对于频段在对称性方面没有特殊的要求，且配置频率比较灵活，可全面使用频段资源。因接收与发送信号在同一频率，加上传播特性的影响，使信道测量减少，降低了移动终端处理的复杂。

2.2 LTE（长期演进）关键技术

OFDM（正交频分复用技术）可以充分利用频谱资源的新型多载波传输方式，传统数据传输系统是对信号频段进行划分，从而形成多个不重叠的频率子通道，这样能够有效减少信道之间的相互干扰，但是无法高效利用频谱资源，OFDM可以将信道逐渐划分为多个信道，波载之间是能够相互重叠的，这样能够充分利用频谱资源逐步实现多载波通信[1]。

MIMO（正交频分复用技术）通常主要指的是发送端与接收端二者分别采用天线对信号进行发送与接收的一种术，该技术通过天线空间的独立性能够大幅度提升数据的实际传输速率，从而有效改进通信质量。

该技术的可靠性非常高，且同时具备FEC高效率等优势，当检测到发射端的数据出错的情况下，发送端会再次传送数据帧，从而有效还原出源数据，能够有效减少误码率，也能有效保障时延以及提高信道的适应性。

3 提高LTE-M系统可靠性的有效措施

3.1 提高硬件设备可靠性

单网覆盖方式需要的设备相对较少，系统出现故障的具体类型也比较少，在设备维护工作过程中具有明显的优势，系统可靠性与双网覆盖的方式相比较低，设备一旦失效，会出现系统故障，导致数据无法正常稳定传输。所以，选择可靠性比较高的设备能够有效避免设备突发性失效从而导致系统故障，大幅度提升系统的可靠性。

3.2 提高设备冗余度

故障树分析法系统失效度原则，冗余设备的总失效度是各个不同设备失效度之积，也能够充分说明设备的冗余度越高，系统的总失效度也就越低，适当地提升相对比较薄弱环节设备的冗余度，能够有效提高LTE-M系统的整体可靠性。

3.3 强化定期维护和日常检测

设备突然失效具有偶然性和不可预测性，为了尽可能地减少系统设备突然失效对系统造成的不利影响，在日常设备运行过程中，要加强日常检测和定期维护，只有这样，才能最大限度地保障系统设备的稳定性。

4 LTE-M系统综合承载设计

4.1 系统业务需求

4.1.1 CBTC业务

CBTC（列车自动控制系统）主要是通过精准度非常高的定位设备建立双向通行，传输列车的具体运行位置、速度等相关授权信息，使地面与车载之间形成连续的运行控制系统。主要是为了保障列车的实际运行安全间隔，并组织单向及双向连续性发车，针对路线状况和条件实现对列车的控制和调度，其主要分为地面设备与车载设备2部分。地面设备包含监控系统、区域控制器以及连锁设备；车载设备包含自动驾驶系统以及自动防护系统，地面和车载设备之间主要通过相应的网络进行连接。地面设备在获取列车运行状态与具体位置等相关信息之后，通过计算将其发送给车载设备，车载设备再结合自身的实际运行状态计算列车的运行速度，控制列车安全平稳的运行。

4.1.2 PIS业务

城市轨道交通的出现和应用极大地缓解了城市的交通压力，随着人们的需求逐渐发生变化，已经不再满足于当前的文字信息与广播服务，逐渐转向新闻以及节目等多样化的服务体验。PIS（智能交通地铁系统）业务主要指的是控制中心将不同类型的视频和图像信息通过处理编辑之后根据相应的规则授权在车厢内播放，为乘客提供相关信息数据。乘客可以根据收听到的信息乘坐地铁，PIS业务被广泛应用于城市轨道交通领域中[3]。

4.2 系统组网设计方案

4.2.1 控制中心子系统

控制中心子系统主要是为CBTC（列车自动控制系统）、PIS（智能交通地铁系统）以及CCTV（闭路电视系统）提供车地宽带无线接口、配套网管平台以及核心网设备，核心网是LTE-M系统中非常关键的部分，可提供双向数据传输通道，并对网络数据进行整合与转发，维护与管理网络，核心网设备通过接口和业务系统之间的连接，实现不同系统之间的运行。

4.2.2 车站子系统

车站子系统主要负责基站相关设备，车站需要布置BBU（基带处理单元）以及RRU（射频拉远模块）基站设备，可通过交换机对核心网设备进行连接，一个BBU能够同时连接多个RRU，RRU信号与系统其他信号合路敷设在小区区间，从而实现无线信号的覆盖。

5 结语

在北京城建设计发展集团股份有限公司承建的昆明地铁4号线工程中，引进了LTE-M的综合业务承载无线网络解决方案，用以解决列车行驶过程中网络的高移动性、高带宽、高可靠传输需求。在传统WLAN网络方式已经无法满足当前发展需要的时期，LTE-M系统应用的出现，有效提高了系统带宽与数据传输速率，减少了干扰，弥补了传统WLAN网络方式存在的缺陷，在今后也会得到进一步应用与发展。