LTE技术在城市轨道交通信号系统中的应用探讨

刘净 陈燕

摘  要：城市轨道交通有着大容量、高密度的客运要求，对列车控制系统尤其是无线通信有非常严格的要求。该文通过介绍城市轨道交通无线通信性能需求以及存在的问题，分析LTE系统的特点及其相较于WLAN的技术优势。LTE系统的高速率、低时延、抗干扰、高移动性能等特点都更满足城市轨道交通信号系统的需要。所以可以采用LTE技术作为车-地通信方案。

关键词：无线通信  干扰  移动性能  高速率

中图分类号：U284           文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）08（a）-0010-03

Discussion on the Application of LTE Technology in Urban Rail Transit Signal System

Liu Jing  Chen Yan

（Fuzhou Polytechnic， Fuzhou， Fujian Provinve， 350000 China）

Abstract： Urban rail transit has the requirements of large capacity and high density of passenger transport， and it has very strict requirements for train control system， especially for wireless communication. This paper introduces the performance requirements and existing problems of urban rail transit wireless communication， analyzes the characteristics of the LTE system and its technical advantages compared with WLAN. The characteristics of LTE system， such as high speed， low delay， anti-interference and high mobility， can meet the needs of urban rail transit signal systems. Therefore， LTE technology can be used as a vehicle ground communication scheme.

Key Words： Wireless communication; Interference; Mobile performance; High speed

近年来，基于通信的列车控制系统（CBTC）已经普遍应用到新建城市轨道交通线路中。系统实现列车与轨旁设备的车-地双向通信，轨旁设备获取列车实时信息并计算移动授权，并通过车-地双向通信发送给车载设备，车载设备根据移动授权指导列车运行，提高行车效率，保证行车安全。

随着大城市人口增加，对列车运行速度和运营能力的要求越来越高，为满足城市大容量、高密度的客运要求，对数据传输的准确性、及时性提出了更高的要求。LTE技术能提供更大的容量、更高的质量、更短的时延，对提高城市轨道交通运营效率效果显著。

1  城市轨道交通CBTC简介

当前，我国城市轨道交通普遍采用CBTC（Communication Based Train Control）系统，其主要由列车自动防护子系统（ATP）、列车自动监控子系统（ATS）、列车自动运行子系统（ATO）、计算机连锁子系统（CI）、数据通信子系统（DCS）组成。其中车-地无线通信是数据子通讯系统的重要组成部分，实现车载与轨旁设备实时、高效、可靠的双向数据交互[1]。

列车在行进过程中不断通过轨旁设备向列控中心发送自身标识和状态信息，列控中心根据列车实时位置和速度计算得到移动授权并发回列车。在保证安全的前提下，列车状态和控制信息越快速、准确地传递，就越能缩短列车运行间隔，提高运营效率。

2  城市轨道交通CBTC系统无线通信现状

目前，已开通的城市轨道交通信号系统主要采用的是2.4GHz无线局域网技术WLAN，该技术虽然能基本满足城市轨道交通正常运行的需要，但局限也比较大具体。

（1）干扰大。由于2.4GHz是免费使用的开放频段，市场上同使用频段的设备较多，乘客携带这些设备乘坐地铁时，易对车-地通信造成干扰，信号质量受损，无法解析，甚至会中断信号传输，导致列车紧急制动，影响线路正常运营。

（2）移动性能差。根据各地现有城市轨道交通发展规划，各地开始大力发展市郊轨道交通，列车运行最高速度可达120km/h甚至更高[2]。由于多普勒效应，信号误码率增大，而WLAN的定位就是覆盖机场、宾馆、办公室等场所，主要面向步行速度的慢速移动， 无抗频偏算法，无法满足高速情况下车-地信息交互的需求。

（3）设备数量多，由于WALN的单个设备覆盖最多200m，一条10km的线路就得布置100余个AP，在国内30km甚至更长的线路上，轨旁设备众多，不可避免地会产生较多的故障，由于城市轨道交通的特殊性，日常运营时无法及时到达故障點，开展抢修工作。

3  LTE在城市轨道交通信号系统中的应用

3.1 LTE系统概述

LTE（Long Term Evolution）是由3GPP（第三代合作伙伴计划）组织制定的UMTS（通用移动通信系统）技术标准的长期演进。LTE系统引入了OFDM（正交频分复用）、MIMO（多输入多输出）、AMC（自适应编码）、ICIC（小区间干扰协调）等关键技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率，理论上下行最大支持100Mbps，上行支持50Mbps，并支持多种带宽分配：1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz等，频谱分配更加灵活，系统容量和覆盖也显著提升。

LTE采用扁平化网络结构，由EPC（核心网）构成和eNodeB（接入网），其中EPC由MME、PGW、SGW组成，主要负责用户信息管理、接入管理、数据和信令安全性管理等，eNodeB（Node B+RNC）主要负责无线资源管理、动态资源分配、无线接入控制等。

3.2 城市轨道交通信号系统无线通信需求

由于城市轨道交通信号系统对可靠性、安全性要求较高，且传输数据量较大，因此对车-地通信指标有非常严格的规定，具体如下。

（1）传输速率大于等于1Mbit/。

（2）信息丢包率应小于0.5%。

（3）误码率小于或等于10-6。

（4）越区切换时间应小于100ms。

（5）网络传输延迟时间应小于150ms。

3.3 LTE的技术优势

城市轨道交通车-地通信要求高速率、高可靠性、低时延，并且需求具备良好的移动性能，相比较WLAN技术而言，LTE技术有明显的优势，具体如下。

（1）高速率。LTE引入了MIMO、OFDM等关键技术，传输速率大幅提升，20M带宽下最高可支持上行50Mbps，下行100Mbps。

（2）低时延。LTE为了降低用户面延迟，取消了RNC无线网络控制器，采用了扁平网络架构，减少了设备数量的同时，提高了系统性能。

（3）抗干扰。LTE采用专用频段，减少外部设备干扰，采用正交频分复用，子载波间相互正交，降低用户间干扰，引入循环前缀，消除符号间、载波间干扰。小区间采用干扰协调技术（ICIC），有效降低小区间干扰[3]。

（4）高速移动性。LTE抗频偏算法，最高支持350km/h的速度，在15～120km/h速度下能保持较高的性能，多数列车运行速度都在120km/h以下。

（5）灵活性。LTE支持多厂家混合组网、支持灵活的带宽配置，能够支持不同环境、不同厂家设备的匹配。

（6）维护性：轨旁设备数量少，便于维护。

LTE技术与WLAN技术对比如表1所示。

3.4 LTE在城市轨道交通信号系统中的应用

LTE系统保护核心层、接入层、终端层，其中核心层是整个系统的心脏部分，负责管理整个信息网络，确保双向数据传输的稳定性。接入层是将列车与控制中心进行连接，由旁轨的BBU、RRU还有车载的TAU组成[4]。终端层是获取核心层和接入层数据，指导列车运行，实现列车和控制中心数据交互。

在城市轨道交通各系统中，需要实现车-地双向通信的除了信号系统外还有PIS、CCTV系统等。各系统分别设置车-地通信网络不但造成资源浪费，也不易维护。搭建承载多专业的车-地无线通信平台是城市轨道交通的发展趋势。基于LTE技术搭建此平台，可以在高速情况下，提供各系统业务需求的数据传输能力。

基于TD-LTE技术搭建信号系统、PIS、CCTV等多业务综合无线通信平台，较传统模式有的，优势明显具体如下。

（1）各系统无需单独搭建车-地通信网络，减少了设备数量，在成本压缩、运营维护工作量减少上效果明显。

（2）采用统一的车-地通信平台后，可以有效避免各系统车-地通信网络之间的干扰。

（3）有效整合资源，减少施工、协调难度，节约设备安装空间，利于工程快速实施。

车-地无线通信网由核心网、基站设备（BBU+RRU）、车载TAU组成。其中核心网布置在控制中心，各系统通过路由器接入，保证隔离度，基站设备（BBU+RRU）布置在沿线各车站设备室内，通过光缆连接，行车线路使用漏缆覆盖，在列车的头、尾各装一套TAU，通过车载设备连接，发送、接收控制中心数据，并上传车内实时监控信息。

4  结语

随着城市人口不断增加，地面交通拥堵加剧，城市轨道交通也面临越来越大的压力，与其他运输方式不同，城市轨道交通的可靠性、安全性需要其他系统的支撑，尤其是信号系统。LTE具有高速率、低时延、抗干扰、高移动性能等特点，完全满足城市轨道交通信号系统的需要，为了更好地监控和维护系统设备，确保列车高速、稳定、安全地运行，，在后续的城市轨道交通建设中，可以采用LTE技术作为车-地通信方案。

参考文献

[1] 張宏轩.LTE技术在城市轨道交通信号系统中的应用分析[J].通讯世界，2019，26（4）：165.

[2] 叶川.LTE技术在城市轨道交通CBTC系统中的应用[J].信息与电脑：理论版，2017（70）：175-177.

[3] 黄云玲.LTE在城市轨道交通CBTC信号系统车地无线通信的应用[J].铁路技术创新，2016（6）：91-94.

[4] 单晓强.LTE在轨道交通中的应用[J].通讯世界，2016（12）：287-288.

[5] 谭耿.LTE技术在城市轨道交通信号系统中的应用探索[J].铁道通信信号，2015，51（6）：85-87，91.

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[11] 杨丽华.LTE技术在城市轨道交通信号系统中的应用探索[J].中国新通信，2017，19（4）：115.