基于LTE技术的城市轨道交通车地通信综合业务承载可行性分析

王先磊



基于LTE技术的城市轨道交通车地通信综合业务承载可行性分析

王先磊

南宁轨道交通集团有限责任公司运营分公司，广西 南宁 530028

针对WLAN技术存在的一些主要问题，对TD-LTE技术的特点和优势进行了简明的陈述，并通过对城市轨道交通现有通信业务的需求分析，提出了将LTE应用于城市轨道交通车地通信综合业务承载的一种可行性思路，为今后轨道车地通信建设提供参考。

城市轨道交通；车地通信；TD-LTE

随着我国大城市人口的急剧膨胀，交通拥堵、阻塞和混乱的现象日益严重。因此，各大城市都在大力发展自己的城市轨道交通体系。目前，全国已有39个城市获批建设地铁，预计到2020年，全国地铁总里程将达到6000km，投资达到4万亿。伴随着城市轨道的发展，各种涉及安全营运、舒适坐乘的通信需求也日益增加。如何将车地无线通信等信息技术应用于城市轨道交通CBTC、列车状态信息、CCTV、PIS等系统，营造高效、舒适、便捷的城市轨道交通体系以满足人们不断增长的出行需求，已经成为城市轨道交通领域令人关注的一个焦点[1]。

1 目前城市轨道交通通信系统中存在的问题

目前，城市轨道交通的车地无线通信主要采用工作在2.4GHz开放频段的无线局域网技术（以下简称WLAN技术）。所有使用2.4GHz WLAN技术的设备均为信号无线车-地通信系统的干扰源，系统不可避免的会遭到民用通信产品（MiFi，WiFi，蓝牙等）的干扰，而且随着将来无线智能城市的建设以及手机上网应用的普及，将会有更多的干扰源出现。而且近期发生的城市轨道交通信号系统车地通信受到民用3G热点设备干扰，导致列车正常运行受到较为严重影响的情况已逐渐显现。表1为某城市轨道交通集团现有车地无线系统（为统一说明，本文规定列车至地面传输方向为上行方向，反之为下行方向）。

表1 现有车地无线系统

由表1可以看出，轨道交通车地无线通信存在着多业务对应多系统，施工建设成本较高，难度加大，也给维护管理带来了不便。如果能找到一个综合承载的通信平台，将会大大降低施工和维护的成本和难度。然而，由于WLAN技术存在的一些局限性，使得利用WLAN作为车地无线通信综合承载平台存在诸多难点，主要有：

（1）移动速度限制。WLAN技术不是为高速移动而设计的通信技术，在高速移动的情况下，OFDM报头开销中频率校正部分不能适应多普勒频移，导致误码率急剧增加，甚至引起通信中断。一些仿真和研究表明，在较低速度移动的前提下，WLAN才能同时保证较大的传输速率和较低的误码率。

（2）发射功率限制。由于CBTC、CCTV和PIS目前均采用基于IEEE 802.11的无线设备，工作在ISM（Industrial Scientific Medical）频段，而国家无线电管理委员会对工作在这一频段的无线设备有严格的功率限制（等效全向增益小于27dBm），较小的发射功率使得AP的覆盖范围短，这一方面需要在轨道沿线安装大量的AP及附属设备，使得系统的可靠性降低，一方面造成列车在运行中频繁在AP间切换，降低通信的服务水平，影响传输质量。同时，无线设备发射功率的偏低也使在利用漏泄波导、漏泄电缆等传输媒介传输车地信息时，需要设计复杂的射频链路，以克服较大的耦合损耗。

（3）无线干扰。ISM频段是一个开放频段，使用不需要无线电管理部门的批准，也无需付费，因此很多民用设备都工作在这一频段，如WIFI、蓝牙、微波炉等。它们都可能对城市轨道交通的车地无线传输产生干扰。2012年8月到11月，深圳地铁2号线、5号线就多次发生由于无线干扰影响列车运营的事故[2]。

（4）多业务并发时无法按优先级调度。由于WLAN技术的固有机制，在车地无线传输时，无法区别对待所传输的各业务数据包的传输质量，无法在传输质量不理想，带宽不足的情况下，优先保证高优先级业务的实际带宽，而对于城市轨道交通现有的CBTC、PIS、CCTV等业务而言，CBTC是列车运行的基本条件，优先级明显高于CCTV、PIS等业务，必须得到重点保护。

2 车地通信综合承载业务的需求分析

（1）CBTC系统应用需求

CBTC系统无线覆盖范围：正线（含折返线、联络线）、出入段（场）线、段（场）咽喉区、段（场）车库内、试车线。

CBTC系统具有对实时性要求高，对带宽要求低的特点，一般都要求在无线覆盖范围内任意地点都应实现红蓝双网覆盖，上下行有效带宽不低于各100kbps，越区切换时延不高于150ms，误码率不高于0.01%，丢包率不高于0.8%[3]。

（2）CCTV系统应用需求

正常情况下，一般一列列车全线需向控制中心上传2路客室监控视频信息，按照高清传输大约4Mbps的带宽要求，则两路上行带宽为8Mbps，时延不高于300ms，丢包率不高于0.8%。

（3）PIS系统应用需求

PIS视频采标清图像质量，只有下行需求没有上行需求，每列车业务信息承载带宽为下行2Mbps。在AP正常覆盖范围内，考虑到无线小区不可能会同时存在两列列车的情况，因此PIS图像的下发总带宽需求为2Mbps，时延不高于300ms，丢包率不高于0.8%。

3 TD-LTE综合承载技术分析

TD-LTE（以下简称LTE）是基于OFDMA技术、由3GPP组织制定的全球通用标准，是一种专门为移动高宽带应用设计的无线通信标准。LTE技术在设计之初就考虑了高速移动高吞吐率的需求，在20MHz带宽组网情况下，峰值速率下行可达100Mbps，上行可达50Mbps，完全满足城市轨道交通对综合承载业务平台的需求[4]。针对WLAN所面临的几个问题，LTE都有自己的解决方案。

表2 LTE的业务服务质量分类

（1）高速移动支持

为解决高速下的多普勒频偏，LTE在设计上主要采用在基站侧接收机利用自动频率控制来进行频率纠偏（AFC）。AFC通过快速测算高速带来的频率偏移，补偿多普勒效应，改善无线链路的稳定性，从而提高解调性能。从LTE在高铁上的应用来看，体验效果应该是相当不错的。

（2）抗干扰技术

针对无线空间中存在的干扰，LTE采用ICIC进行小区间的干扰协调，采用IRC技术进行干扰消除。ICIC通过管理无线资源使得小区间干扰得到控制，是一种考虑多小区资源使用和负载的无线资源管理功能。IRC算法同时考虑的干扰和噪声的影响，对干扰抑制合并，是一种先进的干扰抑制算法。IRC在很大程度上提高了上行信号的接收质量，特别是对于“掉话率”、“指派成功率”等指标的改善明显。

从用户感知的角度来说，IRC技术应用提升了上行质量，上行传输速率普遍得到提高，特别是在进行大数据量上传时，用户体验感知明显得到改善。同时，IRC技术的应用还可以提升小区内平均数据的吞吐率，特别是对于小区边缘的改善比较明显。

（3）服务质量保障

LTE系统可以实现9个调度优先级，并且按照预定义的可能承载业务类型，对应不同的服务质量（时延、丢包率等）要求，可以定义9个QCI（服务质量类别标识）。系统根据QCI对应的优先级进行资源分配和调度，以确保在极端情况下优先保障高优先级业务的服务质量。研究表明，LTE的QOS业务承载能力可塑性很强，具备相当的开放能力。

对应城市轨道交通车地通信业务，可以将CBTC信号承载业务的优先级设置为1，具有最高的优先级较低的时延和丢包率，将CCTV业务的优先级设置为4，PIS业务的优先级设置为5，完全能满足各种业务的实际需求。

随着城市轨道交通服务水平和管理水平的不断提高，城市轨道交通对车地无线通信系统的性能提出了更高的要求。LTE技术在城市轨道交通专网当中具有高度的应用价值，克服了地铁的电磁环境，实现了大带宽传输以及高速移动的重要目的，完成了多业务承载，有助于搭建可靠的地铁车地无线通信传输平台。将LTE应用于城市轨道交通通信业务的综合承载是一项较新的研究课题，LTE在具备本文所述的优势的同时，也有建设成本较高、组网复杂等一些具体的问题。如何充分发挥LTE固有的特点，尽量弥补其自身的弱点，将是下一步工作的重点内容。

[1]缪琦.轨道交通未来投资超十万亿[N].第一财经日报，2015-09-10（A03）.

[2]聂明星，蒋新华.基于WLAN快速移动接入仿真研究[J].计算机工程与应用，2009（27）：99-101.

[3]韩冰.大唐移动TD-LTE高速公路覆盖方案[J].通信世界，2012（33）：35.

[4]宋谱，孙震强，李英奇.LTE无线网络QOS业务承载能力分析[J].电信技术，2015（02）：32-37.

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