LTE的轨道交通无线通信系统

【摘要】轨道交通的快速发展，对无线技术提出了更高的要求，目前传统轨道交通无线通信技术已经无法满足日益增长的无线通信需求，越来越多的城市开始研究TD-LTE技术在轨道交通中的应用。结合温州S1线一期工程的建设情况，探讨TD-LTE技术在轨道交通行业中的应用。

【关键词】LTE；轨道交通；无线通信

引言

随着国民经济的快速发展，越来越多的城市开始规划建设轨道交通系统，以满足市民日常出行需求。轨道交通是一个复杂的综合性系统，其中无线通信系统对于保证城市轨道交通运输的舒适、高效及安全起着重要作用。目前轨道交通无线通信系统主要采用各系统独立建设模式，不利于实现资源共享及降低建设成本，而且当前轨道交通选用的基于WLAN的无线系统也越来越难以满足轨道交通对无线通信系统日益增长的需求。

1无线通信现状

为保证轨道交通列车安全、可靠、高效和高密度运行，目前在轨道交通的通信与信号系统中有多套专用的无线系统同时为运营、维护工作提供支持。一套是基于TETRA的窄带无线集群系统，为运营单位提供行车、维修和防灾无线调度通信。一套是基于WLAN的CBTC车地无线通信，为列车提供自动防护相关控制信息。一套是基于WLAN的车载乘客信息系统，为乘客提供列车运行信息和出行服务指南等。这3套无线系统为轨道交通的快速发展起到了重大历史作用，已成功地使用了很多年，但是也逐渐暴露了一些问题和不足：（1）WLAN技术由于没有良好的QOS保障机制，无法保证各种业务的优先级调度，综合业务承载能力差。建设3套独立的无线通信系统，增加了项目投资造价，同时也增加了后续设备维护的工作量以及轨旁设备复杂度，降低了设备的可靠性和可用性。（2）TETRA无线集群系统，只能提供语音和短数据等窄带业务，不能提供多媒体和宽带业务。（3）目前无线网络工作在开放频段，随着宽带无线网络的普及，个人用户广泛使用该频段，干扰源日益增多，无线干扰问题严重影响了轨道交通的安全运营。（4）WLAN技术移动性能差，WLAN并非针对高速移动开发的技术，当列车移动速度达到120km/h以上时，面临高速移动下误码率急剧增加的问题。（5）WLAN的发射功率低，覆盖范围小，一个AP的覆盖范围大概为200m，列车在高速移动时，车载无线设备会频繁发生漫游切换，频率的切换易造成无线通信数据延时、丢失和中断。

2LTE技术优势

LTE是基于OFDMA（正交频分复用多址接入）技术，依据由3GPP组织制定的全球通用标准。LTE系统同时定义了FDD和TDD两种方式，其中，TD-LTE技术上下行时隙可配置的特点，非常适用于行业客户的非对称业务要求。与WLAN技术相比，TD-LTE系统应用在轨道交通无线系统中有以下几点优势：（1）TD-LTE技术支持高速移动性，采用自动频率校正技术，有效克服多普勒效应，确保高速移动场景下的无线链路质量，理论上能为350km/h的用户提供接入服务。（2）抗干扰能力强，针对系统中存在的干扰，采用ICIC技术进行小区间的干扰协调，采用IRC技术进行干扰消除。2015年2月工信部的“工业和信息化部关于重新1785～1805MHz频段无线接入系统频率使用事宜的通知”，明确指出城市轨道交通可以使用1785～1805MHz频段，轨道交通TD-LTE网络使用工信部批准的专用频段，从使用频率上解决了外系统的干扰问题。（3）传输速率高，在20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbit/s、上行50Mbit/s的峰值速率。0～120km/h移动场景下平均吞吐速率达到70Mbit/s，上行速率26Mbit/s，下行速率44Mbit/s。（4）覆盖距离远，效果更好，单个RRU（射频拉远单元）设备能够覆盖1.2km的距离，轨旁设备数量少，维护简单，列车在运行中切换次数也更少。（5）LTE制定了完善的QoS机制，针对不同质量要求的业务进行区分，可定义不同的业务优先级，因此LTE支持多种业务承载，包括CBTC、多媒体集群调度、车载PIS和CCTV等。相比TETRA+WLAN多系统方式，大幅简化系统、在降低造价的同时，还可减少故障点，便于系统维护。（6）组网灵活，支持成对或非成对频谱，可灵活配置1.4~20MHz间的多种系统带宽。

3TD-LTE在轨道交通中的应用

3.1业务流量及宽带需求

（1）专用无线调度系统为控制中心调度员、车站值班员等固定用户与列车司机、防灾、维修等移动用户之间提供通信手段，满足行车指挥及紧急抢险的需要。按照一个TD-LTE小区并发10路无线通话考虑，每路呼叫带宽需要32Kbit/s，10路并发需要320Kbit/s需要，视频通信带宽按384Kbit/s考虑。（2）车载视频监控（CCTV）业务将列车内的实时视频监控图像传送至控制中心，一般按照2路考虑，每路占用带宽2Mbit/s。（3）乘客信息系统（PIS）将新闻广播、旅行指南、换乘信息、在线广告及应急信息等乘客信息由播控中心下发至车载乘客信息系统显示屏。按每列车接收1路高清视频信息考虑，每路占用带宽4~6Mbit/s。（4）CBTC信号系统单列车单网上下行各占用带宽100Kbit/s，要求丢包率小于1%，误码率小于10-6。（5）列车实时状态信息将列车的各种状态信息上传至控制中心，占用带宽100Kbit/s。各业务带宽需求及优先级如表1所示。

3.2LTE系统解决方案

温州S1线无线通信方案采用TD-LTE技术，使用1785~1800MHz频段，主要承载视频监控，专用无线调度及乘客信息业务，需要实现对控制中心、车站、车辆段、停车场及区间的全线无线覆盖。温州S1线TD-LTE无线通信系统依场所设置可分为控制中心子系统、车站/场段子系统和车载子系统三个子系统。（1）控制中心子系统由核心网设备，CCTV和PIS等业务应用服务器、调度服务器、二次开发网管及TD-LTE基站设备等组成。核心网设备和CCTV、PIS等业务控制平台互联，向业务系统提供LTE数据交换功能，并提供集群调度业务，向下管理基站，并允许终端鉴权接入。TD-LTE基站设备实现控制中心的室内无线覆盖。（2）车站/场段子系统主要部署TD-LTE基站设备，基站的基带单元（BBU）放置在机房中，车站基站的射频单元（RRU）通过漏泄同轴电缆实现线路区间的无线覆盖。车辆段/停车场的综合楼顶设置天线杆塔，在杆塔上安装RRU及天线，实现车辆段/停车场的室外无线覆盖，车站室内区域及车辆段/停车场车库内通过室内分布系统实现无线覆盖。（3）TD-LTE车载终端TAU部署在列车的前后司机室，前后司机室各部署一套TAU，两套TAU以主备方式工作，提供车辆的数据接入。PIS与CCTV车载设备通过交换机连接到TAU，实现车地无线传输。车头车尾的车顶各部署两套鲨鱼鳍天线，车体底部侧面各部署一套定向天线，共8副天线。

4结束语

综合上述，TD-LTE技术具有支持高速移动、抗干扰能力强、传输速率高及多业务承载的优点，是轨道交通无线通信系统的未来发展趋势，将成为轨道交通无线系统的主流方案，并在城市交通信息化建设中发挥越来越重要的作用。

参考文献

[1]戴克平，张艳兵.基于LTE的城市轨道交通车地通信综合承载系统[J].都市快轨交通，2016，29（01）：69~74.

[2]高彦军，马子彦，贾萍.城市轨道交通车地无线TD-LTE的实现[J].都市快轨交通，2014，27（06）：9~12.

作者:徐军 单位:温州市铁路与轨道交通投资集团有限公司