基于长期演进（LTE）技术的城市轨道交通车 地通信网络研究＊

徐 彦 赵 嵩

（1.郑州铁路职业技术学院机车车辆学院，450052，郑州；2.郑州航空工业管理学院电子通信工程系，450015，郑州∥第一作者，讲师）

我国城市轨道交通乘客信息系统（PIS）采用的车－地无线通信系统基本使用 WLAN（无线局域网）系列技术，如北京地铁10号线PIS、西安地铁2号线PIS等。但是，由于标准的 WLAN技术不支持快速移动，载波侦听多路检测技术影响系统吞吐率和QoS（业务服务质量），导致 WLAN技术存在网络的可靠性、抗干扰性及带宽均无法保证的问题，难以满足城市轨道交通的通信需求。

郑州轨道交通1号线一期工程于2013年年底通车运行。在1号线的建设过程中，曾面临车－地信息传递技术制式的选择问题。自2010年起，通过对802.11 WLAN、802.16 Wi MAX、Rail View、TD－LTE（分时长期演进）、DVB－T、MESH等多种无线技术的应用情况进行深入调研，结合国内多家通信运营商的相关技术，及时提出了引入TDLTE技术的观点，并根据郑州轨道交通的实际运营情况完成了技术方案研究。该方案已在郑州轨道交通1号线一期工程最终得以实现。

1 LTE用于车－地无线通信的技术优势

1.1 LTE技术概述

LTE技术采用正交频分复用（OFDM）、多输入多输出（MI MO）、自适应调制编码（A MC）及混合自动重传（HARQ）等技术，在20 MHz频谱带宽下能够提供下行150 Mbit／s与上行75 Mbit／s的峰值速率，同时在改善小区边缘用户的性能、提高小区容量和降低系统延迟等方面有显著提升。

LTE系统同时定义了频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两种方式。郑州市轨道交通1号线无线传输系统采用TDD－LTE制式。TDD－LTE具备频谱申请灵活、上下行资源可调配等特点。LTE较WLAN的技术优势如表1所示。

表1 与WLAN相比LTE技术的优势

基于LTE技术的车－地无线通信系统的高速移动性、大带宽性、有效实施性、先进性、系统标准化、强扩展性和包容性等优势，可满足城市轨道交通车辆信息系统对数据传输的要求。

1.2 车－地无线通信的需求分析

城市轨道交通车辆控制系统的信号和数据传输通过车载设备与车站或控制中心进行交换。通信信息主要分为服务类、安全类、数据类和控制类等。不同类别的信息在传输时有具体的技术需求，如表2所示。

表2 城市轨道交通车－地无线通信需求

2 车－地无线通信实施方案

2.1 总体架构

LTE车－地无线解决方案由控制中心级、车站级和车载级三层架构组成，如图1所示。

（1）控制中心级子系统：为PIS提供车－地宽带无线系统接口、核心网设备及配套网管平台。

（2）车站级子系统：由LTE基站及配套设备构成。

（3）车载子系统：主要由车载无线设备（TAU）构成，提供车载PIS的无线传输接口。

TD－LTE核心网设备与PIS控制中心分线交换机互联，实现中心PIS信息在车－地无线传输系统的传输。接口为2个标准的100 Mbit／s、1 000 Mbit／s以太网接口。接口类型为RJ45。

在车站站台布置LTE基站的基带处理单元（BBU）和射频拉远单元（RRU）设备，覆盖站台周边区域，根据无线信号覆盖的要求在区间隧道布置RRU设备延伸无线覆盖，实现与车载无线设备之间的无线数据通信。各LTE基站通过百兆以太网接入车站网络交换机，通过通信传输系统提供的通道与控制中心连接。

图1 LTE车－地无线解决方案

正线、出入段、出入场线隧道利用商用无线覆盖系统漏泄同轴电缆进线覆盖，将RRU信号合路进漏泄同轴电缆中；车辆段、停车场地面及库内采用天线覆盖。

在每列车的车头、车尾各设置一套TAU，通过车载交换机与车载控制器和LCD（液晶显示）控制器相连，接收由控制中心提供的实时视频信息以及向控制中心发送多路实时的车厢监控信息。

本方案可实现郑州市轨道交通PIS车－地无线组网达到在线运行的每列列车上行带宽至少为6 Mbit／s。

2.2 无线覆盖方案

2.2.1 车站组网

基于TD－LTE技术的无线覆盖方案在车站设置基站BBU和RRU设备。其中，BBU设置于车站弱电综合设备室；RRU设置于隧道壁靠近漏泄电缆位置，通过合路器与POI（多系统合路平台）输出的商用通信系统信号合路，分别将无线信号送入商用收发两根漏泄电缆中，实现隧道内覆盖（如图2所示）。为实现长区间TD－LTE无线信号覆盖，采用在区间增设RRU、共用区间商用多频分合路器方式。合路器也放置在隧道壁靠近漏泄电缆位置。RRU及合路器应达到IP65的标准。

TD－LTE信号与其他系统的信号合路后，共用漏泄电缆。为达到在线运行每列车上行带宽至少6 Mbit／s的要求，需要将上下行隧道的信号独立成2个小区。由于POI无法将LTE的多路信号隔离后与商用通信系统信号合路，故需要配置额外的合路器，与POI合路后的信号二次合路。车站组网方案如图3所示。

图2 RRU设备与二次合路器

图3 车站组网方案

2.2.2 区间组网

LTE的信号与商用通信系统信号，如GSM（全球移动通信系统）、UMTS（通用移动通信系统）、CDMA（码分多址通信）等合路后共用漏泄电缆。2根商用漏泄电缆安装在隧道的右侧（按列车前进方向）。4Pat h RRU分别连接左右两端的2根漏泄电缆，达到2T2R的MI MO效果。

RRU尽量和BBU一起放置在车站。如果车站间距大于相邻车站RRU的覆盖能力，需在隧道中增加RRU，通过合路器馈入漏泄电缆的方式进行覆盖。其他系统采用馈线跳线方式连通。

2.2.3 车辆段组网

车辆段两个车库内RRU挂墙安装，左右两侧使用抱杆安装2幅天线。BBU安装在车辆段综合楼机房内。RRU通过光纤连接到机房的BBU。天线使用3 m抱杆固定在楼顶平台。

3 车－地无线通信系统TD－LTE性能测试

郑州轨道交通1号线一期工程自2013年12月28日开通运营至今，其LTE车－地无线网络总体运行情况良好，除个别站点因施工原因造成GPS（全球定位系统）天线被遮挡导致搜星不足问题，未出现过严重的问题或故障；核心网、基站及TAU设备工作正常，监测监控的各项数据指标无误，基本符合方案设计要求，较好地保障了车地无线网络的稳定性，极大地减少了维护工作量。车－地无线通信测试数据如表3所示。

表3 车－地无线通信数据测试表

3.1 站间吞吐量情况分析

郑州轨道交通由于频段资源有限及业务容量需求的原因，数据传输时受到的干扰情况复杂，如需要考虑同向隧道中前后同频邻区间的干扰、位于车站两侧双隧道的两个小区的相互干扰，以及多径干扰和电磁干扰等情况。为验证LTE技术对干扰解决的效果，完成了一次全线往返的PIS车－地无线系统TD－LTE性能测试。测试结果如图4、图5所示。

图4 A站吞吐量测试结果

图5 B站吞吐量测试结果

由图4及图5可知：A站双向吞吐量为14.039 Mbit／s，地到车吞吐量为7.0 Mbit／s，车到地吞吐量为7.0 Mbit／s；B站双向吞吐量为11.445 Mbit／s，地到车吞吐量为5.7 Mbit／s，车到地吞吐量为5.7 Mbit／s。两者均符合LTE车－地通信技术要求。测试中，车辆在区间切换时有吞吐量降低、时延增加的情况，其他时间基本正常，丢包率均为0。

3.2 线路场强情况分析

对上行视频监控，视频图像的压缩格式采用MPEG－4或H.264，每路视频图像所占带宽为512 kbit／s～1.5 Mbit／s，图像质量要求达到 D1（720×576）。D1质量的图像占用带宽最高也不会超过1.5 Mbit／s。每列车暂按上传2路视频图像考虑，其占用的带宽最高为3 Mbit／s。为预留一定的上行带宽满足地铁客户的其它应用需求，按照小区边缘预留6 Mbit／s带宽设计，则列车无论出于小区内任何位置，可保证最少6 Mbit／s的上行速率，峰值可达8 Mbit／s左右的上行速率，保证了视频传输的实时性和高质量。上行方向全线场强图如图6所示。

需支持单列车下行一路视频，速率为4～6 Mbit／s；考虑到预留一定的下行带宽满足地铁客户的其它应用需求，按照小区边缘预留8 Mbit／s带宽设计，则列车无论出于小区内任何位置，可保证最少8 Mbit／s的下行速率，峰值可达40 Mbit／s左右的下行速率，保证视频传输的实时性和高质量。下行全线场强覆盖如图7所示。

图6 上行全线场强覆盖图

图7 下行全线场强覆盖图

4 效益分析

4.1 社会效益

基于LTE的车－地无线通信技术进一步提高了轨道交通的监控水平，也提高了对乘客的服务质量，为提供优质信息服务搭建了一个崭新的平台。目前郑州轨道交通1号线的乘客信息服务（如广播、列车运行信息显示牌等）系统已能满足乘客对获得综合、实时信息（如运营服务信息、公共资讯信息、新闻娱乐信息，以及地铁事故时应急疏散的声音、图像引导等）的需求。LTE作为未来无线技术的发展方向，具有更高的用户数据速率、更高的系统容量、更好的覆盖改善，同时可降低运营成本。

4.2 经济效益

基于LTE的车－地无线通信系统具有更高的综合经济效益，主要体现在基础建设、演进与维护成本，以及增值服务效益等几个方面。其中，增值服务效益方面，以广告为例，上海轨道交通在2005年时广告收入已达2.91亿元；南京地铁1号线在开通的第一年就实现了盈利，其票务收入为1.1亿元，而广告收入达到了4 968万元；北京地铁2013年的广告收入达1.8亿元。因此，基于LTE的车－地无线通信系统从空间与时间两个纬度上提升了经济效益，降低了运营维护成本。

5 结语

通过分析郑州轨道交通1号线基于LTE技术的车－地通信系统的方案，并对运行情况完成定期测试，证明LTE技术作为我国城市轨道交通无线通信系统应用发展的方向是合理的。其对轨道交通无线频率标准化具有示范作用，对综合平台下的终端设备标准化具有促进作用。LTE技术有利于轨道交通专业的整合，节约建设资金，并能净化区间隧道的设备及线路，降低维护成本。

［1］ 周承昊.广州地铁无线集群通信系统网络覆盖研究［J］.铁路通信信号工程技术，2010，7（3）：69.

［2］ 舒犁.城市轨道交通环境下WLAN的可行性分析与测试［D］.北京：北京交通大学，2010.

［3］ Meng Y S，Lee Y H，Ng B C.Empirical near groundpathloss modeling at V HF and UHF bands［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2009，57（5）：1461.

［4］ Fokum D T，Frost V S.Asurvey on met hods for broadband inter net access on trains［J］.IEEE Communications Surveys ＆Tutorials，2010，12（2）：171.

［5］ 甘玉玺，肖健华，金志虎，等.轨道交通车地无线通信技术研讨［J］.城市轨道交通研究，2014（1）：103.