基于LTE的地铁无线通信业务的应用研究

李长进

（南京地铁运营有限责任公司，江苏 南京 210012）

0 引 言

城市轨道交通无线通信业务有如下3种需求：对车厢进行实时监控，从而提高列车运行过程中的安全性；通过车载PIS业务和车内宽带接入业务提升乘客的出行体验；通过承载列车列控信息，对列车的运行状况进行实时监控。基于LTE（Long Term Evolution）无线通信的集语音、视频和数据为一体的宽带数字集群技术可以满足高宽带、高可靠性业务需求。

1 传统车地无线与LTE技术对比

基于WLAN的传统车地无线具有如下几种问题。（1）信号覆盖距离短、信号稳定性差，特别是高速场景下的业务可靠性差。（2）列车在AP之间频繁切换造成的频繁漫游，容易造成实时视频流的中断和产生马赛克。（3）网络安全问题。使用公共的WLAN频段，容易受到公共频道干扰，存在一定的网络安全甚至是行车安全隐患。（4）产生管理问题。线路多、隧道区间长导致AP设备多，设备管理和维护难度增大。

轨道交通车地无线业务需求场景中：CBTC为上下行低速数据业务，业务需求需要提供双向、连续、高可靠的车地无线传输通信；乘客PIS业务则以下行数据为主，向乘客提供各类信息节目播放；车载CCTV业务则以上行数据传输为主，将列车实时监控图像上传到控制中心供调度指挥人员查看。通过业务场景的分析可知，需要为车地之间的数据、图像、视频等多种业务提供实时性和高可靠性的无线传输通道。地铁车地无线业务的优先级一般如表1所示。

表1 地铁无线承载业务优先级

LTE（Long Term Evolution）是由3GPP组织制定的UMTS（通用移动通信系统）技术标准的长期演进。由于引入了OFDM（正交频分复用）和MIMO（多输入多输出）等关键通信技术，大大增加了数据的传输速率和频谱效率[1]。在20 MHz频谱带宽下能提供下行100 Mb/s、上行50 Mb/s的峰值速率，国内轨道交通行业可供划分使用的LTE频段为1.785～1.805 GHz[2]。

LTE车地无线具有如下3个优点[3]。

第一，LTE提供有效的抗干扰技术，能够确保无线业务体验和行车安全。相比WIFI，LTE有着更好的信道结构，频点之间的相互干扰大大减少；LTE有着更好的接收灵敏度，传统WIFI低于-90 dBm时基本无法满足数据要求，LTE低至-120 dBm时仍能满足数据要求；LTE技术有着系统化的抗干扰技术。

第二，LTE可实现高移动性、无缝切换，保证业务连续性。LTE下，设计时速能达到430 km/h，能够满足目前车地无线通信的所有场景，同时做到无缝切换、无数据丢失，切换时延小于50 ms。

第三，LTE具备多级QoS算法，保证网络关键数据的可靠传输，其带宽基于业务需求按需分配，拥塞时确保最高优先级用户业务的QoS，如CBTC业务。

2 基于LTE车地无线的应用

本系统基于南京地铁宁高城际线系统方案，介绍LTE车地无线通信技术在南京地铁的首次应用。系统主要由核心网设备EPC、网管系统、基站eNB及车载接入终端TAU组成，整体网络架构基于IP的扁平化网络结构。其中，EPC、网管系统设置在控制中心通信机房，通过专用传输网络与位于车站通信机房的BBU连接，BBU通过光纤与机房内的RRU和轨旁R RU连接。

根据地铁无线业务的承载需求，同时基于网络的可靠性保证的考虑，宁高城际线LTE系统采用了A/B双网冗余的系统设计，其中A网分配5 MHz频谱带宽组网，包括无线接入A网和核心A网；B网络分配15 MHz频谱带宽组网，包括无线接入B网和核心B网，A、B双网并行工作。A、B网覆盖整个正线及试车线线路，整体业务划分和带宽划分如图1所示。

图1 承载业务和带宽划分

在地铁控制中心的专用通信机房集中放置中心设备，包括LTE核心网子系统EPC、网管子系统OMC、路由器和交换机等网络传输设备及电源系统等配套设备。信号系统列控CTBC信息和PIS、车载CCTV等承载业务的接入通过路由器来汇聚实现，并满足不同承载业务之间的网络安全和隔离。与无线调度平台、网管、基站信息的交互则通过交换机接入实现。

在车站、车辆段通信室内设置分布式基站的BBU设备，BBU通过RJ45电口接入交换机后与专用传输系统设备连接，完成EPC与BBU所需的IP连接通道；BBU通过光纤与设备室的RRU和轨旁的RRU连接。

在区间线路上按照需要在设备室或轨旁设置射频单元RRU设备，包括了RRU设备、相关的光纤及漏泄电缆，进行区间的信号覆盖。采用与800M Tetra合用漏缆的方式，因此每个通信设备室会部署RRU设备与机房内的TETRA设备进行前端合路，合路后的信号接入轨旁的漏缆中；对于长区间，需要加设RRU设备的，将RRU直接设置在轨旁，通过带通合路器接入到漏缆中，确保800 MHz信号的接入，或与Tetra光纤直放站合路后接入漏缆中。

在列车两端的设备柜内分别设置一套TAU设备，与承载业务系统的车载设备通过车载交换机相连，从而实现乘客信息系统PIS的音视频下发、车载CCTV监控视频的上传以及列控CBTC控制信息和列车状态信息的传输。图2为A/B双网覆盖示意图。

图2 A/B双网覆盖示意图

由图2可知，基于LTE技术的车地无线双网冗余覆盖设计，双网同时冗余承载方式工作，A、B双网络业务不存在主备之分，同时承载业务数据；能够满足多场景情况全覆盖，能够确保网络运行状态，保证无线信号质量；特别是信号系统列控CBTC数据的优先可靠，核心网、基站设备及车载无线终端重要单板均采用冗余配置，能保证单板故障时的快速切换，具备业务可靠性高、移动业务接入性强、抗干扰能力强、终端掉线率低、维护方便等优点，能够满足轨道交通各个业务场景需求。

3 结 论

LTE宽带无线技术是今后轨道交通无线技术发展的趋势，本文结合地铁无线通信常见业务，对比传统无线和LTE技术的特点，阐述了地铁无线应用场景的需求和基于LTE技术的应用实现。随着我国轨道交通行业的蓬勃发展，LTE技术在地铁中的应用将会更加广泛。