LTE与WLAN技术在轨道交通PIS系统应用对比

宁贝贝

（中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070）

1 概述

轨道交通乘客信息系统（PIS系统）车地无线网络作为控制中心与车载信息的通信桥梁，车载设备可通过车地无线网络通道接收中心下发内容并在列车LCD显示屏上实时播放；同时车载设备还可通过车地无线网络通道将列车监视图像传递到OCC供相关系统选择调看。McWill技术产业供应链小，且其中继放大设备目前尚无相关应用。近年来WLAN及LTE技术在轨道交通车地无线领域得到了普遍应用，且均有多条国内地铁开通案例。本文针对车地无线系统中WLAN与LTE技术特点，结合国内具体项目应用实例对两种技术做进一步研究。

2 LTE与WLAN技术应用对比

2.1 LTE系统

（1）LTE系统在轨道交通应用的优势。LTE系统满足综合业务传输需求，可将多业务统一到一个车地无线系统从而有效节约投资；LTE系统组网结构简洁，区间设备部署较WLAN系统更少，简化施工提高施工效率；LTE系统系统调试简单，可缩短调试工期。

（2）LTE系统存在问题。目前在轨道交通行业中，各地无委会批复频率资源有限，最多20M带宽。受频率资源制约，LTE系统很难提供更大数据传输速率，尤其对于PIS系统若带宽需求量大时，无法提供相应带宽承载需求。

2.2 WLAN系统

基于IEEE802.11标准，工作频段在2.4G/5.8GHz的WLAN技术目前在轨道交通车地无线系统中广泛应用。尤其在802.11ac标准颁布后，通过带宽（最高160MHz）、空间流数（最高4条）和调制方式等方面的改善，可以支持更高的性能。802.11标准的发展过程如下图所示：

（1）WLAN系统在轨道交通应用的优势。在轨道交通领域，WLAN系统支持2.4GHz/5.1GHz/ 5.8GHz无线频段，且工作在ISM频段（公用频率），因此频率使用只需进行报备，无需专项申请；目前802.11ac采用最高至256-QAM的调整方式，理论上在160MHz的无线频率资源，静止状态可提供不小于1Gbit/s的传输速率，业务的带宽支持能力较802.11n更强；此外，802.11ac较802.11n工作在5GHz频段，WLAN网络避开了繁忙的2.4GHz频段，减少了WLAN设备相互间的干扰，从而提高WLAN网络的抗干扰能力及稳定性。

（2）WLAN系 统 存 在 问 题。目 前WLAN系 统802.11ac只有在基础设施能够支撑的情况下才能发挥它的优势性能。虽然从理论上来看802.11ac能够提供高达1Gbps的传输速率，但是必须有强大的硬件来支持它传输，这就显著增加了设备的复杂性。

3 PIS系统车地无线实际应用中的方案选择

以西安地铁5号线工程为例，基于既有4号线PIS系统车载信息通过LTE综合承载网络上传的设计思路，5号线PIS系统设计之初车地传输方案也利用LTE综合承载。

3.1 既有4号线PIS车地无线传输方案

既有4号线为全地下站，车地传输采用的LTE综合承载无委最终批复20M带宽。LTE车地系统采用A/B双网设计。A网使用15MHz系统带宽同频组网，综合承载信号CBTC、列车紧急文本、列车运行状态监测信息、IMS视频监控、PIS视频业务、集群调度（预留）。B网使用5MHz单独承载信号CBTC。其中PIS信息承载由列车紧急文本下发、车载PIS流媒体直播业务、车载CCTV监控上传业务三部分组成。每个RRU小区的无线接入网容量按6列车设计，A网每个小区列车紧急文本信息承载带宽为下行60kbps。PIS流媒体直播业务采用组播方式下发720P以上码流，数据传输码率为6Mbps～8Mbps。每列车车载CCTV可至少上传2路图像至控制中心，监视图像分辨率不低于D1，采用MPEG-4或H.264编码方式，每路图像的传输码率为1Mbps～2Mbps。4号线正线A/B网承载带宽，在每个小区极限6列车情况下，业务带宽需求见表1。

表1 A/B网承载业务带宽表

A网采用15MHz频率组网，正常情况下，系统可以达到理论峰值下行29.46Mbps；上行16.07Mbps。4号线15MHz频率组网可满足综合承载带宽需求。

3.2 5号线PIS车地无线传输方案选择

5号线工程鉴于全线高架站多，因此在申请LTE频段时无法申请到20MHz频宽，根据目前与无委沟通，5号线可申请到的LTE系统带宽最大为15MHz。15M带宽条件下根据LTE-M规范LTE系统组建A、B双网按照10+5或10+3组网，即用于综合承载的A网可分配最大带宽为10MHz。

（1）采用10MHz频率组网速率分析

目前国内主要LTE生产设备厂商包括华为、中兴、武汉智慧地铁（烽火）等。采用10M组网时华为实测上行平均速率11Mbps，上行边缘速率7Mbps，下行平均速率25Mbps，下行边缘速率7Mbps；中兴上行平均速率8Mbps，上行边缘速率5Mbps，下行平均速率13Mbps，下行边缘速率8Mbps；烽火上行峰值速率10Mbps，上行边缘速率2～4Mbps，下行峰值速率20Mbps，下行边缘速率3～5Mbps。对比分析上述厂家实测数据后，10M组网时速率上行为5～8Mbps，下行7～13Mbps。

（2）5号线PIS业务带宽需求

5号线每列车车载CCTV可至少上传2路图像至控制中心，车载CCTV监视摄像机采用全高清1080P（1920×1080），编码方式为H.265，每路图像的传输码率为不大于4Mbps。

（3）5号线PIS车地传输技术方案选择

按照5号线PIS业务带宽需求，即使车载CCTV监视图像在H.265编码方式下压缩至2Mbps，车地通信综合承载A网提供的速率最大8Mbps，实际需求业务带宽≥8.7Mbps超出承载能力，采用10M组网的LTE系统无法满足PIS系统综合承载需求。鉴于5号线工程实际情况，5号线采用WLAN802.11ac技术。根据宁波地铁WLAN802.11ac测试结果，车辆以80km/h正常运行时，轨旁AP采用40Mhz频宽，车地链路的稳定运行带宽吞吐量大于120Mbps；轨旁AP采用80Mhz频宽，车地链路的稳定运行带宽吞吐量大于180Mbps。5号线采用WLAN802.11ac能够提供更高更稳定带宽，不仅能够满足当前PIS业务需求，也能满足其他车地业务承载。

4 结束语

LTE与WLAN技术在PIS系统车地无线方案中各有优势，但在实际工程项目中，PIS车地无线传输的选择需结合当地无委批复的使用频宽，运营部门对PIS业务的需求合理分析选择。总的来说，具备高带宽提供能力及免费频带资源的WLAN802.11ac技术在地铁PIS车地无线方案中相对LTE优势更明显。