基于LTE的乘客信息系统车地无线通信方案研究

穆潇 夏昕

摘 要:本文对城市轨道交通乘客信息系统的车地无线通信方案及建设现状进行了分析,发现现有方案不能完全满足系统需要,而LTE技术是一项更适合更先进的新技术,并探讨了LTE系统应用于车地无线通信的优点及实施方案。

关键词:城市轨道交通乘客信息系统车地无线通信LTE

中图分类号:TN92 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)05(b)-0004-02

乘客信息系统(PIS)是依托多媒体网络技术,以计算机系统为核心,以车站显示终端和车载显示终端为媒介向乘客提供信息服务的系统。乘客信息系统车-地无线通信网络是将地面乘客信息系统和车载乘客信息系统联系起来的纽带,车载乘客信息系统可以通过车-地无线通信网络实时接收地面乘客信息系统各种信息,在车载显示终端上播放;同时,车载乘客信息系统利用车-地无线通信网络,将车辆上的视频监控信息传输至线路控制中心,供运营及公安人员调看,提高了轨道交通的运营管理能力。乘客信息系统车地无线通信网络的建设将乘客信息系统的功能延展到列车车厢,使乘客在移动的列车上依然可以获取大量的实时信息,并能向列车上发布运营信息和紧急信息,提高了乘客的舒适度,提高了运营安全,提升了地铁的形象。

另一方面,线路控制中心可以实时调看正在线路上运营列车车厢内的视频监控图像,为线路控制中心人员处理突发事件,提供了直观、准确的现场资料,提升了地铁处置车厢内突发事件的能力。

1 PIS车地无线系统建设现状及未来需求

1.1 建设现状

目前国内已建及在建的PIS车地无线系统主要包括无线局域网(WLAN)、数字移动电视技术(DVB-T)两种方案。

1.1.1 无线局域网(WLAN,Wireless Local Area Network)

地铁PIS系统中常见的车地无线方案是基于802.11g标准的无线局域网(WLAN)。WLAN作为有线局域网的延伸,遵循802.11a/b/g/n等协议,可提供地面与列车通信的手段。WLAN是在目前技术水平及国内政策支持下,唯一可以实现列车与地面之间的双向高速通信的系统,既能够广播发送下行PIS信息,又能够将车厢内的视频监控信息上传到中心。但目前采用的WLAN方案具有很大的局限性:WLAN网络在固定情况下能提供高达54Mbps的数据带宽,但在支持步速移动情况下提供11～13Mbps的数据带宽,仅能实现标清信号的传输,暂不能满足高清的要求;系统工作在ISM频段,干扰源多,且需在隧道内安装大量AP点,增大了维护工作量;AP功率受限,覆盖范围小,切换频繁,导致系统易丢包,造成视频画面停滞或马赛克。

1.1.2 数字移动电视技术(DVB-T)

数字移动电视以数字技术为支撑,通过无线数字信号发射、地面数字接收的方式进行电视节目传播。它最大的特点是传输带宽比较宽,在处于移动状态、高速行驶的交通工具上,能保持电视信号的稳定接收和清晰播放。采用单频网技术,可以完成无缝切换,有较好的覆盖效果。同时,由于数字移动电视技术采用OFDM调制系统,能很好的支持移动性。但DVB-T应用于PIS系统其最大的局限性是:只能单向广播发送下行信息,不能将车厢内的视频监控信息上传到中心。因此采用DVB-T进行车地无线通信的PIS系统多见于建设运营较早的线路。

1.2 系统需求分析

随着城市轨道交通建设的飞速发展,PIS系统扮演者越来越重要的角色。目前看来,PIS车地无线系统对上行传输实时录像监控信号,下行传输高质量的视频信号需求是相当迫切的。

地铁列车一般由6～8车厢组成,其中车头、车尾还有两个驾驶室,车辆监控方案中每节车厢放置2个摄像机,车头车尾各一个,全车共14～18个摄像机。为保障监控效果,每个摄像机的编码带宽至少为2Mbps,但考虑目前-地无线通信条件,建议车辆监控以同时上传两路图像为主(可轮巡或人工指定),其他摄像机监控数据车载设备本地存储。

PIS系统车地无线通信带宽需求如下:

下行带宽需求:由控制中心向列车下发送2路视频信息,D1(720x576)图像质量,带宽约8Mbps;

上行带宽需求:每列列车向控制中心至少上传2路车载CCTV的视频信息,D1(720x576)图像质量,每路按2Mbps计算,带宽约为4Mbps;每列列车向控制中心上传所有车载CCTV的视频信息,以8辆编组,每节车厢2个摄像机计算,共计18路/车,以D1(720x576)图像质量上传,每路按2Mbps计算,带宽约为36Mbps。

就目前PIS系统应用的最先进的WLAN系统而言,在高速移动情况下11～13Mbps的带宽远远达不到系统需求,迫切需要采用新技术解决车地无线通信带宽及高移动性问题。LTE技术的不断发展与成熟为解决该问题提供了可靠的技术支持。

2 LTE技术

2.1 系统构成及特点

LTE（Long Term Evolution）以OFDM/FDMA为核心，可以被看作“准4G”技术。能够在20MHz频谱带宽能够提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率； 支持100Km半径的小区覆盖；为350Km/h高速移动用户提供>100kbps的接入服务；除了20MHz的最大带宽外，还能支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz等系统带宽，以及“成对”与“非成对”频段的部署，以保证将来在系统部署上的灵活性；系统延迟低，用户平面内部单向传输时延低于5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms；具有简单的网络架构和软件架构，以信道共用为基础，以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上将基于分组交换，可通过系统设计和严格的Qos机制，保证实时业务的服务质量。

总之,LTE系统采用分组传送、延迟低、能够在高移动情况下实现无缝覆盖的高数据速率,较WLAN、DVB-T技术更能满足PIS系统双向视频传输的需求。三项技术特点及应用对比见表1。

2.2 关键技术

LTE的关键技术主要有OFDM和MIMO。

2.2.1 正交频分复用技术(OFDM)

OFDM的基本原理是将一个较宽的频带分成若干个彼此正交的子载波,在每个子载波上进行窄带调制和传输这样既减少了子载波间的相互干扰,同时又提高了频谱利用率。如果各子载波所占带宽足够窄,它们将分别经历平坦衰落,大大减少了符号间干扰(ISI)。OFDM技术是LTE系统的技术基础与主要特点,具有诸多优势,例如在频率选择性衰落信道中具有良好的性能,基带接收机复杂性低,拥有较好的频谱特性和较强的多宽带处理能力等。

2.2.2 多输入输出(MIMO)

MIMO技术包含空分复用、空间分集、波束赋形等多项技术,其主要思想是在多组不相关的天线上分别发送多个数据流,把传统通信系统中损害系统性能的多径衰落因素转变成对用户通信性能有利的增强因素。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率,是无线通信系统实现高数据速率传输和提高传输质量的重要途径。

2.3 TDD-LTE和FDD-LTE

LTE作为3G技术的演进,目前主要分为TDD-LTE和FDD-LTE两种;

FDD-LTE是在分离的两个对称频率信道上进行接收和发送,用保护频段来分离接收和发送信道。FDD必须采用成对的频率,依靠频率来区分上下行链路,其单方向的资源在时间上是连续的。FDD在支持对称业务时,能充分利用上下行的频谱,但在支持非对称业务时,频谱利用率将大大降低。

TDD-LTE用时间来分离接收和发送信道。在TDD方式的移动通信系统中,接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载,其单方向的资源在时间上是不连续的,时间资源在两个方向上进行了分配。在支持非对称业务时,其频谱利用率较高。

由此可见,TDD-LTE技术是更适合PIS系统特点及中国国情的一项技术,TDD-LTE用时间来分离接收和发送信道,在采取不同配置下,上、下行带宽能够较好的根据需求进行分配,频谱利用率高,对非对称业务支持好,且由于TDD-LTE源于TD-SCDMA技术的研究,中国企业拥有更多的知识产权。

3 系统设计

基于LTE的PIS车地无线通信系统,其主要设备包括设置在控制中心的LTE交换设备、设置在车站的LTE基带设备(BBU)、沿途隧道内的光缆、设置在区间的LTE远端设备(RRU)及合路设备、车载的无线单元和天线等设备。LTE中心交换设备通过传输系统与各车站LTE基带设备(BBU)相连,车站LTE基带设备通过隧道内敷设的光缆与区间LTE远端设备(RRU)相连,LTE远端设备通过跳线及合路设备与漏缆连接。

BBU放置于车站机房内,主要作用是完成Uu接口的基带处理功能(适合空中传输的信道编码、复用、调制和扩频等)。RRU为射频处理单元,放置于隧道,主要功能是发送和接收射频信号。信号从RRU射频口输出后经过衰减器馈入无线覆盖系统。TDD-LTE在下行可考虑采用MIMO技术达到下行带宽的双倍复用,但结合地铁建设来看,MIMO技术造成的成本压力会很大,是否启用MIMO可根据下行带宽最终需求来确定。

TDD-LTE系统可以根据业务类型及带宽需求灵活配置TDD-LTE帧的上、下行配比,如2DL:2UL、3DL:1UL等。同时,系统应按车站双向隧道划分小区,将地铁在两个运行方向上划分成不同小区,并利用小区合并技术,减少小区数量及切换次数。这样可以使地铁两个运行方向上,都获得足够的资源支持大数据传输。

4 结语

本文对目前PIS车地无线通信建设情况的进行了简单的分析和比较,WLAN技术是目前普遍采用的一种技术,但由于该技术一直是为固定接入网服务的,导致对移动性的支持不足,当列车行进时,无法完全保证PIS系统所需带宽。LTE作为一项逐步发展完善的技术,是更适合PIS车地间的无线通信的技术。随着城市轨道交通领域安全压力的逐渐加大,地铁车厢内的视频监控实时上传的要求也提上了日程,车地无线带宽需求及质量有了更高要求,基于TDD-LTE的车地无线通信系统提供了可靠的技术支持。同时,该技术在城市轨道交通领域的应用也可推动TDD-LTE技术的进一步发展与完善。

参考文献

[1] 沈佳,索士强,等．3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计[M].北京,人民邮电出版社,2008.

[2] 曾召华,等．LTE基础原理与关键技术[M].西安,西安电子科技大学出版社,2010.