LTE技术在地铁专用通信系统中的应用方案

纪艺勇

【摘 要】随着车载视频传输实时性及可靠性的要求不断提高，以及乘客信息系统中多媒体数据流传输带宽的不断增加，以WLAN系统为主的车地无线通信技术已不能完全满足地铁行业的需要。而LTE以其可靠性高、抗干扰能力强、覆盖范围广等特点，能更好的满足地铁应用中的需求。本文主要论述了LTE技术在地铁通信系统车地无线中的应用方案。

【关键词】LTE 地铁 车地无线通信系统

1 概述

近年来我国经济的迅猛发展，城市人口不断膨胀，公共交通已成为各大城市的主要困扰之一，地铁作为城市公共交通客运系统的重要组成部分，以其大众化、大载客量以及安全舒适、快捷准时的特点成为公众喜爱的交通工具。

在地铁专用通信系统中，车地无线通信系统需要承载的业务主要包括CCTV和PIS等系统。其中CCTV系统是视频监控系统。车厢内的摄像头拍摄的实时画面，通过车地无线通信系统上传到各个车站，再通过专用传输系统传送到控制中心，让控制中心监控平台可以实时呈现车厢内的画面，有利于后台服务人员了解车厢内的情况。CCTV的业务主要是上行数据业务，该业务对承载通道的带宽有一定要求，如果带宽不足，则可能造成画面卡顿和黑屏现象。

PIS系统是指乘客信息系统，即站厅、站台和列车内的显示信息，比如说我们在地铁站看到的到站信息、天气、股票信息和视频播放节目等。这些信息都是从地铁控制中心经过编播后下发到各个车站和车辆内的，然后通过本地的播放模块进行显示。该系统主要是下行数据业务，对传输通道带宽也有一定要求，如果带宽不足，则可能造成信息延迟或者画面卡顿黑屏等现象。

2 LTE的关键技术

LTE（Long Term Evolution，长期演进）是由3GPP组织制定的UMTS技术标准的长期演进，于2004年12月在3GPP多伦多会议上正式立项并启动。LTE系统引入了OFDM和MIMO等关键技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率（下行峰值速率为100Mbps，上行峰值速率为50Mbps），并支持多种带宽分配，且支持全球主流2G/3G频段和一些新增频段，因而频谱分配更加灵活，系统容量和覆盖也显著提升。

2.1 OFDM

OFDM是LTE系统的核心技术之一，他的技术原理是将网络数据流的传输分散到多个正交的子载波上完成他们的传输任务，这种分散的方式能够降低子载波的符号速率，从而提高时延抵抗力，最终减弱符号间的干扰的功效。LTE系统在工作中一般会在OFDM符号前加入相应的保护间隔，保护间隔的设置能够有效的消除LTE系统符号间干扰。

2.2 MIMO

MIMO技术运用于LTE系统中，主要功能是提高系统传输速率，OFDM的子载波衰落较平坦，从这点说它很合适与MIMO技术结合，二者结合能很好的提高LTE系统的性能。MIMO一般采用多天线或者多通道技术形式，通过合理的数据处理与信息的接收完成空间信道的创建与完善，从而提高数据传输的速率。当功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量与其最小天线数是正相关的关系。也就是说MIMO的多入多出系统的容量越大其最小天线数就越少，通过这些信息数据的分析、估计，能够整合网络运行环境，有效提高网络运行的速度。

3 LTE在车地无线通信中的应用方案

3.1 网络总体架构

控制中心级子系统布置核心网设备，负责与中心服务器、视频服务器通过以太网交换机接口，接收视频信息并将相关信息通过TD-LTE无线网络传输到列车上。

轨道子系统在车站站台布置LTE基站的BBU和RRU设备，覆盖站台周边区域，根据无线信号覆盖的要求在隧道区间布置RRU设备延伸无线覆盖，实现与车载无线设备之间的无线数据通信。各LTE基站通过光口接入车站传输设备，通过通信传输系统提供的通道与控制中心连接。

在每列车的车头、车尾各设置1套车载无线设备（TAU），通过车载交换机与车载控制器和LCD控制器相连，接收由控制中心提供的实时视频信息和向控制中心发送实时的车厢监控信息，如图1所示。

3.2 系统组网方案

PIS编播中心机房部署无线核心网和无线网络网管，并通过传输网络与各车站、停车场的无线基带单元BBU通信。车辆地面服务器、PIS视频服务器等应用服务器通过编播中心核心交换机与无线核心网通信，下行方向核心网接收视频组播流并将组播流通过LTE TDD无线网络传输至各列车上，上行方向核心网将接收的CCTV车载监控数据和车辆状态数据转发给车辆地面服务器。

各个车站和停车场机房部署TD-LTE分布式基站的基带单元BBU。BBU通过光口接入车站、停车场传输设备，通过传输网络与无线核心网连接。

沿线轨道区间和停车场部署TD-LTE分布式基站的射频单元RRU。RRU通过光纤链路远程与BBU连接，一个BBU可以管理和连接多个RRU。轨道沿线区间覆盖可以采用与专用无线通信系统TETRA共用漏缆的方案，TETRA基站、TD-LTE RRU通过POI合入沿线部署的泄露电缆，以达到实现MIMO功能的目的。停车场因区域面积大、纵列车线多，采用板状定向天线方案覆盖。

在列车头尾司机室专用通信机柜分别部署一套TD-LTE车载无线终端（TAU），每台TAU配置两套的车载天线。TAU通过百兆以太网口接入PIS系统的车载交换机，实现与列车各应用系统的通信。

车地无线通信网络的系统架构如图2所示。

3.3 无线网络规划

PIS系统对于实时性以及视频图像的播放质量要求高，需要一张可靠的车地通信网络。为了减少干扰，LTE网络选择专用频段，同时利用专有抗干扰技术降低其他无线信号的对车地通信网络的影响，进而降低对地铁业务的影响。

3.3.1 无线频点分析与规划

2003年工信部（信部无[2003]408号，以下简称408号）规定1785-1805MHz频段主要用于本地公众网无线接入，对确有需要的本地专用网也可用于无线接入。408号规定频率指配法定主体是省级的无线电管理单位，“具体频率指配和无线电台站管理工作，由各省、自治区、直辖市无线电管理机构负责”。

工信部无[2008]332号文件中指出拓展了1.8G频段的业务应用范围，从原来仅可开展语音低速数据等窄带应用，扩展为可同时开展无线视频传输等宽带多媒体业务。

最近，工信部【2015】65号文明确提出1.8G频段可用于城市轨道交通专用通信网。

同时，朔黄重载铁路TD-LTE车地通信项目，根据工信部工信无函[2010]147号文，在1.8GHz频段，在山西、河北、内蒙古三省区建网，并已开通运营。郑州地铁一号线车地无线TD-LTE项目，根据豫无办（2011）31号文在1.8GHz频段组网，并已经开通运营。因此地铁车地无线所用频点可向当地无线电管理部门申请，如图3所示。

建议采用1.8GHz的1785-1805MHz共计20MHz频段用于PIS车地无线TD-LTE网络使用。