LTE车地无线通信传输在城市轨道交通中的应用

贾建海

摘 要：LTE是一种具有中高速移动性管理能力、较高频谱利用率、多业务优先级调度机制的无线网络技术，与当前城市轨道交通车地无线通信业务需求匹配度较高。因此，文章以LTE车地无线通信传输系统需求为切入点，阐述了LTE车地无线通信传输系统的应用方案，并对其应用效益进行了进一步分析。

关键词：LTE;车地无线通信传输;城市轨道交通

0 前言

城市轨道交通迎来高速发展，截止至今，我国城市交通投资超1.228 9万亿，已开通的城市轨道交通线路超百条，里程总数近四千公里，仅2021年5月份全国45个城市轨道交通客运量就达到了22亿人次。但从城市轨道交通车地无线专网解决方案上来看，其在安全性、综合承载能力、可靠性等方面均呈现出“力不从心”。基于此，将LTE应用到城市轨道交通车地无线专网解决方案中就非常必要。

1 LTE车地无线通信传输系统需求

1.1 安全性

解决WLAN使用公用频段被干扰问题，规避因公众大量使用WLAN设备情况下信号受扰而引发的被迫停车事故。同时解决彻底无线专网传输中数据重传、大量丢包等引发的PIS系统视频马赛克、CBCT系统制动停车问题[1]。

1.2 综合承载能力

解决局域网无QoS保障机制导致的专网多频点网络分别承载服务的多网络共存问题，提高车地无线传输运行维护效率，控制部署资本投入压力。

1.3 可靠性

简化切换接入点，维持网络带宽稳定，在满足宽带化城市轨道交通服务需求的同时，解决80 km/h高速移动场景中无法平滑越区切换导致的业务数据丢失问题。

2 LTE车地无线通信传输的应用方案

2.1 框架设计

如图1所示，LTE车地无线传输结构是针对轨道交通安全运营综合业务需求而定制的专用通信系统，包括服务器、路由器与调度服务器、核心交换机、无线接入系统、数传终端与监控终端几个模块。其中路由器直接与列控CBTC、PSTN公话、Tetra集群、Internet相连，而无线接入系统包括CPRI、eRRU几个部分，可以经eBBU与WAN传输系统相连，实现全网均配置完全冗余，可以保障单点故障下的信号系统安全。基于车地信息传输运送可靠性要求，针对相同的信息，在业务系统发送端选择两份数据发送形式，接收端也获取同样的两份数据，此时，车地无线传输系统仅需保证其中一份数据传输正确性就可以完成bit/s端数据交互任务。

2.2 组网设计

LTE车地无线传输结构总体设计需要根据城市轨道交通应用特征，根据高架车站、地下车站不同要求，选择适应性较强的天馈方式[2]。网络总体架构包括车载终端、基站系统、核心网三个模块，其中基站系统与组网实现紧密相关，包括BBU（基带单元）、RRU（远端射频单元），具体如下：

如图2所示，控制中心是LTE系统核心网设备部署空间，上端业务接口、核心网交换机可以直接相连，与传输系统骨干网环状连接，进而与地面PIS系统设备相连接。核心网可以通過接口连接的方式与基站系统BBU相连，基站系统BBU主要放置在通信设备室内，经LTE骨干网与核心网建立信息交互。与此同时，沿列车行驶路线，在折返线、正线车站、车辆段出/入段、停车线等区域进行RRU部署，实现无线信号全面覆盖。在这个基础上，于列车编组的前后司机车厢（司机车厢车顶、下方左侧与右侧相对中轴线位置）内进行TAU（车载终端车载无线模块）部署，避免漏缆、天线遮挡对车地无线传输效率的影响。进而在车端头、端尾部设置一套TAU的情况下，经以太网接口，将TAU与车载交换机、车载PIS设备相连，实现车到地的点对点连接。

2.3 优化配置

在车到地点对点连接的基础上，考虑到LTE在频域上资源块（RB）占用频宽带宽为200 kHz（含隔离带宽），包括若干个子载波频段，时域上每一时隙为0.5 ms，可以为7个符号传输提供依据。根据上述数据，可以获得调制方式改变情况下LTE车地无线传输系统理论最大吞吐率计算公式为：

（1）

（1）中RB为LTE在频域上资源块，b为对应调制方式下LTE每一子载波携带信息bit数。在信道环境中，LTE自适应调制方式包括64QAM、QPSK、16QAM几种类型，其子载波所携带的信息为6 bit、2 bit、4 bit;NRB表示对应带宽下资源块数量，在带宽为5 MHz时资源块数量为25个。将上述数据代入（1）中可以得出：在带宽为5 MHz时，不考虑LTE自适应信道编码形成信息冗余的情况下，64QAM调制方式下理论最大吞吐率为25 200 kbit/s，QPSK调制方式下理论最大吞吐率为8 400 kbit/s，16QAM调制方式下理论最大吞吐率为16 800 kbit/s。

在确定LTE车地无线通信传输理论最大吞吐率的情况下，可以根据城市轨道交通地下区间泄露电缆覆盖特点，在信号系统子系统频段为1 720 MHz～1 735 MHz/1 815 MHz～

1 830 MHz时，分析上下行同频相邻区对LTE车地无线传输的干扰。为避免干扰引发小区边缘信噪比最大导致的信道切换延迟，可以分别在上行信道、下行信道引入调度优化算法、业务异频调度方式，提高核心网中心数据吞吐能力。

3 LTE车地无线通信传输的应用效益

3.1 高强度干扰下信号屏蔽

在面对干扰源-45 dbm极高强度干扰下，LTE车地无线通信传输可以通过车载天线+地面漏缆布放工程化抗干扰措施，配合优化上行调度算法，将干扰控制在最低水平，在保证上行业务带宽精确性、高效性的同时，满足CBTC业务正常开展需要[3]。

3.2 多业务优先级承载保障

在面对列车状态监测、传输CBTC、车载视频监控乘客信息等多业务传输需求时，LTE车地无线通信传输可以提供9级QoS保障机制，根据各业务对时延、可靠性的要求，分别对轨道交通业务、低优先级业务进行定制化优先级匹配与需求带宽控制。

3.3 高速移动下可靠传输

在面对每小时200公里高速移动场景下列车车地通信传输要求时，LTE车地无线通信传输可以根据轨道交通特性，适时引入基于频偏的切换技术，通过自动频率控制进行无线链路稳定性的切换，满足高速场景下的传输稳定性要求。

4 总结

综上所述，LTE车地无线通信传输系统可以为城市轨道交通安全、可靠运营提供技术支撑。因此，为了顺利发挥LTE车地无线通信传输“高强度干扰下信号屏蔽”、“多业务优先级承载保障”、“高速移动下可靠传输”功能，各地可以LTE作为统一承载网络，在互联互通规范指导下，进行车地无线传输系统架构的组建以及网络部署。在这个基础上，借鉴已有LTE车地无线通信系统业务承载经验，进一步完善多线路制式下的QoS保障机制，全面优化LTE部署方案。

参考文献：

[1]万建.浅析车地无线通信传输系统构成及原理[J].技术与市场，2019（6）：149-150.

[2]刘洋.城市轨道交通全自动运行模式下的车地无线综合通信网络方案分析[J].城市轨道交通研究，2019（12）：22-25.

[3]李晨晨，臧海娟.基于LTE的车地无线通信安全性增强的研究和进展[J].通信技术，2018（7）：1716-1721.