TD—LTE网络在铁路货场中的应用

张昊

【摘要】将TD-LTE网络引入铁路货场，以达到提高作业效率的目的。本文以在建的沙良货场为例，通过对WLAN系统及TD-LTE系统方案的讨论，对比各个系统的优缺点。此外，利用LTE系统级仿真，论证了TD-LTE网络的可行性。

【关键词】铁路货场 TD-LTE WLAN 系统级仿真

一、引言

近年来，铁路货运业务迅猛发展，各地区开始了铁路物流园区及货运车站的建设热潮。同时，随着铁路货场场区面积的不断扩大，管理难度成倍增加。为了解决大型货场的管理问题，以及确保高效的货运作业效率，利用信息化、发展信息化变得尤为迫切。

传统上，一个中型货场作业的调度、指挥几乎全靠人力完成。例如，当一辆拉着集装箱的卡车进入场区之后，作业人员首先需根据集装箱箱号查询该车的装卸作业地点，通过告知司机、路标引导该车去往相应位置完成装卸作业，往往由于司机对于场区的不熟悉，以及装卸流程衔接的不紧密，作业效率十分低下。

随着信息化产业不断深入发展，部分大型货运站、物流园区引入了WLAN系统，通过在场区内布置WLAN热点，并为集卡车辆配置车载终端，为作业人员配置手持终端，通过网络的全覆盖，图形化的引导司机行驶，并通过无线网络下达调度命令，使得作业衔接更加紧密，以达到提高作业效率的目的。

然而，WLAN系统的建设有着其致命的弱点，即土建工程耗费巨大。由于WLAN热点覆盖范围较小，需要在场区内星形撒布大量AP，光缆的敷设、电杆的树立不可避免。对于一些已建成的场区，当需引入无线网络全覆盖时，往往由于无施工条件而不得不放弃。

在移动网络发展日臻成熟的今天，TD-LTE网络因其较高的频谱利用率，较强的抗干扰性能，以及相对简单的工程，越来越受到人们的欢迎。因此，将TD-LTE网络引入铁路货场或物流园区，是有必要且有着显而易见优势的。

二、TD-LTE网络概述

LTE（Long Term Evolution）由第三代数字通信3G演进发展，并对3G的空中接入网技术进行了改进。在20MHz频谱带宽下行峰值速率可达到lOOMbps、上行速度可达到50Mbps。LTE按照传输方式的不同，可分为TDD和FDD两种双工方式，即分为TDD LTE（即TD-LTE）和FDD LTE。TD-LTE采用正交频分复用OFDM传输方式和多输入多输出MIMO技术，从而提高小区容量，降低了系统延迟。

三、TD-LTE网络在沙良货场中的应用

沙良货场位于呼和浩特市赛罕区黄合少镇沙良村，项目北侧为沙良车站和既有铁路，西侧为道路和农田，南侧、东侧为农田。主要建设内容为1个整车作业区、1个集装箱作业区、1个大长笨作业区及1个特货作业区，货场共建设设4个线束8条装卸线，车站新建到发线11条。根据地区货源调查分析及呼和浩特地区铁路集疏运节点规划，沙良货场今后货物集疏运品主要为乳制品、集装箱以及特货、快货及生活物资等，规划近远期到发货运量将达到550万吨，远期将达到1040万吨。本工程投资估算总额为9.54亿元，占地1830亩。

沙良货场卫星图俯瞰如图1所示，该货场近似于一个长边1700m、短边1300m、高400m的等腰梯形。按照一般TD-LTE基站覆盖范围3km考虑，如需在场区内完全覆盖网络仅仅需要一个基站。即使考虑到在新建沙良货场南侧还规划建设有大面积的物流园区，一个TD-LTE基站基本上满足了近期网络的需求。

假设TD-LTE基站位于梯形短边的中心线上，我们将通过系统仿真论证小区内某用户的平均吞吐量。

系统级仿真是解决LTE网络模拟仿真的最有效手段之一，系统级仿真依赖于链路级仿真结果，通过将整个LTE系统以及各个链路的仿真集成于一个平台，通过将整个LTE网络的工作过程精确到TTI中的仿真，达到模拟整个LTE网络的效果。在本案例的模拟中，通过计算小区内随机撒布的20个点在每个TTI中的吞吐量的统计平均，来得到整个LTE小区中各个点的平均吞吐量。其中每个点称之为drop。仿真参数如表所示。

利用MATLAB绘制小区内各drop点的平均吞吐量如图2所示。从图中可以看出，在距离小区中心500m的范围内，用户的平均吞吐量大于50Mbps，距离小区中心lOOOm的范围内，用户吞吐量大于25Mbps。

在沙良货场中，大部分的作业区域处于距离小区中心500m的位置，通过仿真可以发现，TD-LTE应用于沙良货场建设是十分具有可行性的。

四、TD-LTE与WLAN网络的对比

在沙良货场的无线网络解决方案中，如果采用WLAN技术，按照一个AP热点覆盖半径150m考虑，由于需要完全覆盖，必须使得圆形覆盖有一定的重叠区域，则场区内共需建设AP热点大约在16-20个之间。工程量差别的巨大让TD-LTE方案优势叫显

TD-LTE还具有一个WLAN网络绝对没有优点，即灵活的调度能力。TD-LTE网络采取中心控制，可灵活设置不同手持终端的接入优先级别，使得网络频谱的划分更加科学，保证重要业务的频谱占有率，也大大提高了现场作业的安全性，消除了重要调度命令由于网络堵塞而不能及时下达的隐患。不仅仅如此，从全局的角度来讲，科学的调度使得网络资源不会大量闲置，在WLAN网络中，处于不同位置的AP热点往往承载着截然不同的网络压力，例如在作业繁忙区域，AP热点的接入能力不堪重负，而在部分区域，仅仅只有极少的业务流量，这样大大降低了频谱利用效率。

此外，WLAN网络对于移动性的支持相比TD-LTE劣势明显，同样以沙良货场为例，一辆集卡车辆从大门进入开始接入WLAN网络，直到进入集装箱货区，共需经过10个左右的WLAN覆盖区域，这意味着车载终端共需经历10次左右的硬切换，这并不具备可用性。

不过，相比于TD-LTE，WLAN网络也有其不可比拟的优点，例如AP设备价格低廉，数据速率高，终端应用成熟等等，WLAN网络与TD-LTE是可以共存的，对于室内以及作业量较大的区域，WLAN网络可以视作TD-LTE网络的有效补充。

五、结论与展望

通过对沙良货场的工程实践分析，结合计算机模拟仿真，可以发现，TD-LTE网络对于在特定区域下的网络覆盖具有其他方案不可比拟的优势。尤其是对于一些既有的、日常作业繁忙的铁路货场，利用TD-LTE网络可以大大提升其作业效率，并且易于搭建，施工期间不会影响场区的正常作业。

LTE网络的能量不仅仅如此，随着LTE-A的继续演进，现有TD-LTE网络还有巨大的提升空间。尤其是波束赋形、CoMP等技术，在铁路场景下有着更好的应用前景。