LTE-U在城市轨道交通中的应用研究

青岚昊



LTE-U在城市轨道交通中的应用研究

青岚昊

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

随着LTE在城市轨道交通中的推广应用，授权频谱资源不足与城市轨道交通车地间数据传输需求的矛盾制约着车地无线通信系统建设方案的选择，利用非授权频谱实现LTE的LTE-U新兴无线技术有望缓解甚至解决该问题。通过对LTE-U的技术研究，分析其在城市轨道交通应用中的技术优势：移动和切换性能优异、传输时延小、抗干扰能力强、覆盖半径大、QoS保障好、安全性高、可靠性高等特点。通过搭建LTE-U测试网络，在实验室进行120 km/h、140 km/h、160 km/h典型速度下加载CCTV和PIS业务测试；在80 km/h城市轨道交通线路上，采用 A、B冗余组网测试，A网承载CBTC业务，B网综合承载CBTC、CCTV和PIS业务；选择在80～170 km/h的速度下搭建LTE-U网络，并进行CCTV和PIS业务测试。测试结果显示，LTE-U具有对城市轨道交通CBTC、CCTV、PIS业务的承载能力。同时，LTE-U在城市轨道交通的应用仍面临诸多挑战，如LAA技术的TAU有待开发、Standalone技术的多载波聚合产品不成熟以及其他非授权频谱产品的竞争等，最终提出在城市轨道交通中部署LTE-U的建议。

LTE-U；城市轨道交通；车地无线通信；非授权频谱；长期演进

1 研究背景

随着中国城市轨道交通协会中城轨[2015]008号文“关于转发工信部1 785～1 805 MHz频段使用事宜通知及有关落实工作的意见”和中城轨[2016]003号文“关于推荐城轨交通项目新建CBTC系统使用1.8 GHz专用频段和LTE综合无线通信系统的通知”文件的相继发布，各地积极开展城市轨道交通（以下简称城轨）车地无线通信系统建设和试验、推广采用1.8 GHz授权频段的长期演进（long term evolution，LTE）技术建设城轨车地无线通信系统。

除城轨外，1785～1805 MHz频段在机场、石油、电力、重载铁路等行业也可使用，但各地无线电管理机构审批给城轨线路使用的频率资源除个别城市在地下隧道区间能达到20 MHz频谱外，大部分仅为10 MHz，甚至个别城轨线路只批准了5 MHz。随着城轨业务数字化、IP化、图像业务高清化的不断提高和大数据、无人驾驶、智慧城轨应用的推进，城轨内的物物、人人、人物之间的联系越来越紧密，车地间的数据传输需求大幅增加，当前的频谱资源已制约着城轨车地无线通信系统的网络容量，大量的车地间数据无法及时上传（列车至控制中心）和下达（控制中心至列车），同时也制约着城轨车地无线通信系统建设方案的选择。然而，在开放的免授权频段却存在着丰富的频谱资源，如能有效地利用这些资源，就可缓解甚至解决城轨授权频率资源不足与车地间数据传输需求的矛盾。非授权频谱上的LTE（LTE in unlicensed spectrum，LTE-U）技术的提出为有效利用非授权频谱资源提供了一种全新的解决方案。

2 LTE-U技术方案

2013年12月3—6日举行的3GPP RAN#62次全会上提出LTE-U，旨在将LTE扩展至非授权频段，利用非授权频谱承载移动通信业务，缓解移动网络容量的压力。利用非授权频谱实现LTE主要有3种方案：授权辅助接入（licensed assisted access，LAA）技术方案、双连接（dual connectivity，DC）技术方案和无授权接入（Standalone）技术方案，如图1所示，其中3GPP在R13版本中启动了对LAA的研究，另两种方案留待未来考虑[1]。

图1 LTE-U技术方案图[1]

LAA技术方案采用载波聚合（carrier aggregation，CA）技术，将授权频谱和非授权频谱聚合，授权频谱作为主载波传送关键信息和需要服务质量保证（quality of service，QoS）的业务，非授权频谱作为辅助载波，实现数据平面性能的提升。数据平面性能的提升在3GPP R13中明确为Downlink-only，即采用载波聚合技术时，辅助载波仅支持下行链路数据传输；而在3GPP R14中明确可Downlink+Uplink，即采用载波聚合技术时，辅助载波可以同时支持上行链路数据传输和下行链路数据传输，即eLAA（enhanced LAA，增强授权辅助接入）技术方案。笔者将LAA技术方案和eLAA技术方案统称为LAA技术方案。

DC技术方案采用用户终端同时在授权频谱和非授权频谱上建立连接，其中授权频谱发送系统广播信息，用于实现控制平面的功能，包括连接管理和移动性能管理，从而保证蜂窝通信的连续性。在数据平面，小基站数据业务可以在授权频谱发送、免授权频谱发送，或者两者都发送[2]。

3 LTE-U在城轨的工作频谱选择

目前，可用于LTE-U的非授权频谱主要有3段，即用于工业、科学和医学的2.4 GHz频段、非授权国际信息设施5 GHz频段，以及最新提出的28～60 GHz毫米波频段[4]。考虑到2.4 GHz频段被WLAN、蓝牙、ZigBee等无线系统共享使用，频率资源已拥堵不堪，28～60 GHz频段存在系统开发物理层和空口复杂、造价高，高频信号空间传输衰耗大、系统组网小基站过多等问题。而在国内，5G频段已经开放了5150～5350 MHz和5725～5850 MHz两个频段作为无线接入系统的非授权频谱，5470～5725 MHz频段的开放工作正在推进中，届时我国5 GHz非授权频谱总量将达到580 MHz[1]。因此，在城轨应用中，LTE-U选择5 GHz频段工作，将有丰富的非授权频谱资源可用，具有较好的应用前景。

4 LTE-U在城轨应用的技术优势

在城轨车地无线通信系统中，相比同样采用非授权频谱的其他接入技术，如在网主流应用于信号的基于通信的列车自动控制（communication based train control，CBTC）和应用于通信的乘客信息系统（pas­senger information system，PIS）的无线局域网（wireless local area network，WLAN），LTE-U具有明显的技术优势。

4.1 移动和切换性能优异，支持城轨快线等高速环境

众所周知，在普速线路中，城轨车地无线通信系统大量采用WLAN建网。然而近期各地规划新建的城轨快线速度已达120 km/h、140 km/h甚至160 km/h。通过在高速移动下测试表明，当移动速度在120～160 km/h 时，WLAN的移动和切换性能出现了明显下降，系统吞吐量下降了40%以上，且会出现不稳定的现象，切换时延常出现100 ms以上的大时延[5]，这基本不能满足城轨现有业务对车地无线通信系统切换性能的要求[6]。但LTE-U的移动和切换性能优异，可支持城轨快线等高速（速度达200 km/h以上）环境，其终端切换时只需要进行基站间切换而不需要重选入网，切换时延小、业务连续性强，有利于城轨CBTC、行车调度等高可靠性业务数据的有效传输。

4.2 传输时延小，支持高可靠业务

LTE-U继承了LTE在传输时延方面的优势，用户面和控制面已达到毫秒级。低传输时延提供了高可靠业务的支持，满足了城轨高实时性业务的传输需求，与城轨传统车地无线通信系统技术如WLAN等相比具有较大的优势。

4.3 抗干扰能力强

LTE-U抗干扰能力强，系统采用了干扰抑制合并（interference rejection combining，IRC）抗干扰技术，以及小颗粒精细化调度，在20 MHz下可调度1 200个子载波，子载波间隔为15 kHz，避免了WLAN调度颗粒大、子载波间隔较大时一旦受到干扰易导致整个子载波无法调度的缺点，同时LTE-U在干扰下可通过优化算法进行干扰规避。

4.4 覆盖半径大，可维护性强

采用LTE TDD技术的LTE-U，具有优异的编解码和抗干扰性能以及良好的信噪比和接收灵敏度，在同等频谱条件下覆盖半径可达到WLAN的2～3倍，可轻松实现城轨车地无线通信系统区间轨旁设备减半的目标，大大提高系统的可维护性，降低系统的运维成本。

4.5 部署灵活方便，可共享现有LTE网络，也可独立建网

LTE-U网络在系统架构上与LTE网络是相同的，仅是末端射频单元工作频率不一致，也是由EPC（evolved packet core network，演进型分组核心网）、eNodeB（evolved NodeB，演进型NodeB）和UE（user equipment，用户设备）组成，核心网与现有LTE网络共同运营管理，同时适用于授权与非授权频段[7]。在部署LTE-U网络时，可选择共享现有EPC设施，升级现有eNodeB，实现授权频段和非授权频段同时接入，也可选择独立建网；同时，LTE-U基站可以采用传统基站结构和分布式基站结构，采用分布式基站结构时，其eNodeB可根据组网和维护管理需要集中或分散设置，RRU（remote radio unit，射频拉远单元）根据无线覆盖需要设置在相应区域[8]，部署灵活方便。

野葡萄树长在右边园里。树干比大拇指粗点不多，又黑又干又硬，看上去一点生机都没有，春天的到来，他却来了精神，没几天长出新枝叶。新发出的枝叶向旁边的樟松树，没皮没脸地攀援着，青青的黄豆大的果实不知道啥时候长了出来，偶尔看到喜鹊在叶子里偷吃果子，当人接近时，发出嘎嘎叫声，似乎在向人们说：这是我的领地，不许靠近。

4.6 良好的QoS保障

LTE-U基于精细化的分级业务管理，采用与空口资源管理相结合，进行基于QoS的业务分类和优先级调度保障，在多业务综合承载下确保高优先级业务如CBTC、PIS紧急文本、调度语音等的高效传输。

4.7 网络安全性高

网络安全一直是网络建设高度关注的重要事项，城轨车地无线通信系统的网络安全涉及城轨车辆的安全可靠运行，关系到广大群众的切身利益。LTE-U采用专有的技术标准，比采用开放标准的WLAN相比，具有更加私密的安全防范技术体制。LTE-U采用双向鉴权认证、密钥协商、完整性保护等方法增强网络安全，同时支持国产祖冲之加密算法，网络安全性高。

4.8 系统可靠性高

LTE-U采用扁平化组网架构，网络构成简单、高效，冗余组网灵活，且系统设备达到电信级可靠，系统核心网、基站设备的关键板块均可冗余配置，与WLAN系统设备相比，LTE-U设备的可靠性得到了数量级的提升，采用LTE-U的城轨车地无线通信系统的系统可靠性高。

5 应用测试

为验证LTE-U网络对城轨PIS及CCTV等宽带业务的承载支持能力，获取LTE-U网络在城轨应用的全面、准确的技术数据，给城轨项目车地无线通信系统设计技术选型提供有益的借鉴，对LTE-U网络在城轨中的应用进行了测试。众所周知，在电信运营商LTE网络中，授权频段的多载波聚合早已开通商用，而在非授权频段，电信运营商基于LAA技术方案的LTE-U网络已于2017年2月在土耳其成功开通商用，实现了三载波聚合。结合城轨授权频谱获取现状、城轨业务需求及LTE-U技术发展情况，对Standalone技术方案的LTE-U应用测试研究就显得更加必要和紧迫。目前，各城轨线路基本都能申请到CBTC业务所需的授权频谱，因此基于Standalone技术方案的LTE-U加载CBTC业务测试只选择在普速线路上进行，以便为全业务综合承载网络建设提供借鉴。

5.1 实验室测试

在实验室，搭建了一套5.8 GHz频段LTE-U车地无线通信系统测试网络，主要包括核心网、基站和TAU（train access unit，列车接入单元）。测试工具采用Ixchariot，安装在业务服务器和业务客户端上，通过信道模拟器和可编程衰减器来仿真环境，模拟现场无线信道特性测试LTE-U网络车地通信能力。业务模型采用2路2 Mbit/s的视频监控（CCTV）系统业务和1路8 Mbit/s的PIS业务，其中CCTV业务数据包采用RTP协议，大小为1 400 bytes；PIS业务数据包采用RTP协议，大小为1 400 bytes。开启测试软件，加载业务，动态120 km/h、140 km/h、160 km/h速度，结果表明：高速运行下，传输时延平均13～45 ms，最大276 ms；上下行丢包率小于0.8%；切换时延平均58～74 ms，最大321 ms，切换成功率100%。在典型速度下，上下行子帧配比3︰1时，20 MHz、40 MHz频谱车地无线通信系统的上行、下行吞吐量如图2～3所示，其中测试40 MHz吞吐量时采用RRU分裂为两个20 MHz带宽的小区方式进行测试。

图2 20 MHz速度-吞吐量图

图3 40 MHz速度-吞吐量图

5.2 普速线路测试

在80 km/h城轨线路上进行了LTE-U车地无线通信系统的实际应用测试。LTE-U系统采用5.8 GHz频段20 MHz A、B双网冗余组网。A网承载CBTC业务，B网综合承载CBTC业务、CCTV业务和PIS业务等。开启测试工具Ixchariot，加载4路4 Mbit/s的CCTV业务、1路6 Mbit/s的PIS业务和256 kbit/s 的CBTC业务，CCTV和PIS业务数据包协议、大小与实验室测试相同，而CBTC业务数据包采用UDP协议，大小为400 bytes。通过实际线路测试表明：A网传输时延平均13 ms，最大146 ms；上下行丢包率小于0.177%；切换时延平均48 ms，最大85 ms，切换成功率100%。B网传输时延平均10～21 ms，最大135 ms；上下行丢包率小于0.116%；切换时延平均56 ms，最大88 ms，切换成功率100%。在上下行子帧配比3︰1时，A网上行平均吞吐量32.3 Mbit/s，下行平均吞吐量27.1 Mbit/s；B网上行平均吞吐量34.0 Mbit/s，下行平均吞吐量27.5 Mbit/s。

5.3 高速线路测试

在200 km/h客运专线铁路线上，选择列车运行速度在80～170 km/h作为高速线路测试段，搭建了一套5.8 GHz频段20 MHz的LTE-U车地无线通信系统测试网络，测试网络的车载TAU、天线、摄像机、业务终端等设置在CRH1型动车组车厢客室内。开启测试工具Ixchariot，加载2路2 Mbit/s的CCTV业务和1路6 Mbit/s的PIS业务，各业务数据包协议、大小与实验室测试相同。通过高速实际线路测试表明：传输时延平均24～38 ms，最大167 ms；上下行丢包率小于0.21%；切换时延平均61 ms，最大307 ms，切换成功率100%。在上下行子帧配比3︰1时，网络上行平均吞吐量16.5 Mbit/s，下行平均吞吐量11.5 Mbit/s。

6 LTE-U在城轨应用面临的挑战及部署建议

6.1 面临的挑战

从上述研究及测试结果来看，LTE-U在城轨中的应用具有较好的技术及应用优势，但也面临一些挑战，如LAA技术方案的LTE-U车载TAU仍需开发；Standalone技术方案的LTE-U基站和TAU产品现在支持20 MHz的小区带宽，而支持多载波聚合的产品仍不成熟，大量非授权频谱资源无法得到充分利用。与此同时，为解决城轨频谱资源与数据传输问题，在城轨中也出现了其他发展迅速的无线通信技术，如可在5 GHz频段工作的增强型超高吞吐（enhanced ultra-High throughput，EUHT）技术，采用该技术的系统网络已在城轨中进行了实际线路测试及初步应用，满足城轨PIS和CCTV业务的需求[9]，该技术将对 LTE-U在城轨的应用及推广构成竞争和挑战。

6.2 部署建议

结合LTE-U技术、产品的发展水平以及城轨业务应用需求，对城轨部署LTE-U建议如下。

1）新建线部署LTE-U。

目前，当城轨有授权频率时，新建城轨线路的CBTC车地无线通信系统采用LTE建设基本上已成为标配方案；同时，车地无线通信系统采用冗余配置设计，当一套无线网络故障时，另一套无线网络确保信号系统车地信息传输的连续性[10]。因此，该情况下部署LTE-U可采用LAA技术方案，也可采用Standalone技术方案，首选采用LAA技术方案。建议仅选择冗余双网中的一张网络部署LTE-U实现业务综合承载，这样既可达到充分利用非授权频谱资源，提高网络容量的目的，也可达到资源共享、控制网络复杂度和合理造价的目的。

当城轨无授权频率时，部署LTE-U需采用Standalone技术方案，若需要综合承载信号系统CBTC车地无线通信业务时，应采用冗余双网配置，否则采用部署一张LTE-U网络，这样可使用频谱资源更丰富，网络系统容量可做得更大，且更容易实现合理的性价比。

2）既有LTE网络上部署LTE-U

当城轨中运行有LTE网络时，部署LTE-U可采用LAA技术方案，共享既有EPC设施，对现有网络BBU、TAU等进行升级，实现现有网络BBU同时接入授权频段的RRU和非授权频段下的RRU以及TAU的多频工作，从而实现LTE-U的多载波聚合，提供更高的网络容量，满足城轨车地间大量数据传输的需求。

3）积极推动LAA技术方案的LTE-U车载TAU开发和上线测试。

近年来，新开工的城轨项目基本采用LTE技术建设车地无线通信系统，因此，需要积极推动LAA技术方案的LTE-U车载TAU开发和上线测试，尽快实现LAA技术方案的LTE-U系统在线运用，以较小的成本将丰富的免授权频谱资源纳入已有的城轨LTE网络使用，有效地解决当前城轨授权频率资源不足与车地间数据传输需求的矛盾。

4）关注Standalone技术方案的LTE-U产业发展，适时调整建设方案。

目前，在MulteFire联盟的推动下，Standalone技术方案的LTE-U产业链日渐成熟、发展迅速，多载波聚合功能正在开发中，从目前的进度来看，预计2018年底双载波聚合功能产品可投入商用。作为LTE-U重点用户的专网行业，应积极关注产业发展，适时调整城轨车地无线通信系统建设方案，以缓解或解决当前城轨授权频率资源不足甚至没有授权频率带来的困局。

7 结语

LTE-U技术作为3GPP、MulteFire联盟支持的新技术，将LTE的优势拓展到了非授权频段，有效地缓解了授权频谱资源与大数据传输需求的矛盾，在电信运营商网络中已得到了广泛应用，但在企业专网领域，尤其是在城轨中的应用仍属于初期研究试用阶段，还有部分技术问题需要解决，但从目前的研究及应用来看，通过产业链上下游的共同努力，LTE-U技术在城轨中的应用前景广阔。通过对LTE-U在城轨中的应用及测试研究，希望对LTE-U在城轨的应用和发展、城轨车地无线通信系统设计有借鉴和指导意义。

[1] 宋心刚, 王首峰, 李行政, 等. LTE-U关键技术与网络规划策略[J]. 电信工程技术与标准化, 2017, 30(1): 87-91. SONG Xingang, WANG Shoufeng, LI Xingzheng, et al. Key technologies and network planning strategies of LTE-U[J]. Telecom engineering technics and standardization, 2017, 30(1): 87-91.

[2] 徐景, 杜金玲, 杨旸. LTE和Wi-Fi系统间灵活频谱使用关键技术[J]. 中兴通讯技术, 2015, 21(1): 43-46. XU Jing, DU Jinling, YANG Yang.Key Technologies for flexible spectrum usage between LTE and Wi-Fi[J]. ZTE technology journal, 2015, 21(1): 43-46.

[3] MulteFire White Paper: MulteFire Release-1.0 Technical Paper[S]. MulteFire Alliance, 2017.

[4] 刘思嘉, 黄晓舸, 朱帆, 等. LTE-U与WiFi在非授权频段的共存方案研究[J]. 重庆邮电大学学报(自然科学版), 2017, 29(2): 182-189. LIU Sijia, HUANG Xiaoge, ZHU Fan, et al. Study on coexis­tence schemes of LTE-U and WiFi on unlicensed bands[J]. Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications (natural science edition), 2017, 29(2): 182-189.

[5] 中铁二院工程集团有限责任公司. 成都轨道交通18号线工程通信、信号系统车地宽带无线系统科研专题研究报告[R]. 成都, 2017.

[6] 中国城市轨道交通协会技术装备委员会. LTE-M系统需求规范: CZJS/T 0061—2016[S]. 北京, 2016. China Association of Metros. System requirements speci­fi­cation for LTE-M: CZJS/T 0061—2016[S]. 北京, 2016.

[7] 徐伟, 杨云. 用LTE-U部署移动网络探讨[J]. 电信工程技术与标准化, 2016, 29(3): 85-88. XU Wei, YANG Yun.Simple analysis with the LTE-U deplo­yment of mobile networks[J]. Telecom engineering technics and standardization, 2016, 29(3): 85-88.

[8] 中国城市轨道交通协会. LTE-M系统工程设计规范(送审稿): T/CAMET 040073—2017[S]. 北京, 2017. China Association of Metros.Code for engineering design on LTE-M(draft): T/CAMET 040073—2017[S].Beijing, 2017.

[9] 轨道交通运行控制系统国家工程研究中心(北京交通大学). 广州地铁14号线(一期)知识城支线EUHT系统性能测试报告[R]. 北京, 2017.

[10] 地铁设计规范: GB 50157—2013[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2014. Code for design of metero: GB 50157—2013[S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2014.

（编辑：王艳菊）

Research on Application of LTE-U in Urban Rail Transit

QING Lanhao

(China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Chengdu 610031)

With the application and promotion of Long-term Evolution (LTE) in urban rail transit, the contradiction between the shortage of licensed spectrum resources and the data transmission requirements of urban rail transit has restricted the selection of the construction scheme for train-ground radio communication systems. However, LTE-U, an emerging radio technology which uses an unlicensed spectrum to achieve LTE, is expected to mitigate or even solve this problem. In this paper, the technical advantages of LTE-U (LTE in unlicensed spectrum) in urban rail transit are analyzed through the research of LTE-U technology, such as excellent mobility and handoff performance, low transmission delay, high anti-disturbance ability, large coverage radius, flexible deployment, better QoS support, and high safety and reliability. By setting up a LTE-U test network, CCTV and PIS service tests were performed in a laboratory at typical speeds of 120 km/h, 140 km/h, and 160 km/h; On the urban rail transit line with a speed of 80 km/h, the redundant networks A and B were used to test the ability of the A network to carry CBTC service, and the ability of the B network to carry CBTC service, CCTV service, and PIS service, comprehensively; On the 200 km/h high-speed passenger line, a LTE-U network was built with a speed range of 80 to 170 km/h to test the ability of loading CCTV and PIS services. The results show that LTE-U has the bearing capacity for PIS, CCTV, and CBTC services in urban rail transit. The paper indicates the application of LTE-U in urban rail transit faces challenges such as the development of LAA technology’s TAU, the immaturity of Standalone technology’s multi-carrier aggregation products, and the incremental competition from other unlicensed spectrum products. Finally, some suggestions are presented.

LTE-U; urban rail transit; train-ground radio communication; unlicensed spectrum; Long-term Evolution (LTE)

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.05.002

U231.1

A

1672-6073(2018)05-0005-06

2018-03-12

2018-03-26

青岚昊，男，本科，高级工程师，从事城市轨道交通通信信息系统设计研究工作，qinglanhao@163.com

中铁二院工程集团有限责任公司科技研发项目（KYY2017020（17-18））